Conceptes Clau de Xarxes: IPv4, IPv6 i Protocols d'Enrutament

Diferències entre Protocols Orientats i No Orientats a Connexió

La comunicació en xarxes es pot classificar segons si estableix o no una connexió prèvia:

Protocols No Orientats a Connexió

• El paquet conté l'adreça d'origen i de destí.
• Els enrutadors no necessiten mantenir informació sobre l'estat de les connexions.
• Les taules d'enrutament canvien dinàmicament, depenent del tràfic de la xarxa.
• És difícil garantir la qualitat de servei i el control d'errors.

Protocols Orientats a Connexió

• Els paquets duen un nombre identificatiu per al circuit virtual.
• Cada circuit virtual requereix un espai en la taula d'enrutaments.
• Es defineix un camí virtual i se segueix fins que es perd o se satura.
• És fàcil garantir la qualitat de servei si hi ha suficients recursos per a cada circuit virtual.

Internet: Interconnexió de Xarxes

Internet és una interconnexió de xarxes amb aplicacions que utilitzen una interfície comuna, independent de l’estructura física de la xarxa subjacent.

Enrutament IP en un Host

Els paquets entrants s’analitzen per veure si el host local és el destinatari:

• Si és així, el paquet es processa i es lliura a la capa superior.
• Altrament, si l’ordinador és un enrutador, el paquet es tracta com un paquet per enviar i s’envia al proper salt (o router) segons l’algorisme d’enrutament.
• Altrament, el paquet es descarta.

Capçalera IPv4: Estructura i Camps

La capçalera IPv4 conté informació essencial per a l'enrutament i el processament dels paquets. A continuació, es detallen els seus camps principals:

• Versió (4 bits): Permet la coexistència d'IPv4 i IPv6.
• IHL (Internet Header Length - 4 bits): Longitud de la capçalera, expressada en nombre de paraules de 32 bits. El valor màxim del camp és 15, per tant, la longitud màxima de la capçalera és de 60 bytes. La longitud mínima de la capçalera és de 20 bytes.
• Tipus de Servei (8 bits): Indicació de la qualitat del servei sol·licitat per aquest datagrama IP.
• Longitud Total (16 bits): Defineix la longitud total del paquet IP (capçalera + dades). Longitud màxima: 2¹⁶ = 65.535 bytes.
• Camp d'Identificació (16 bits): Determina a quin datagrama pertany en cas de fragmentació.
• Bit sense ús.
• Bit DF (Don't Fragment): Indica que el paquet no es pot fragmentar. El host de destí no és capaç de reensamblar els fragments. Valor 1: no es pot fragmentar.
• Bit MF (More Fragments): Indica que hi ha més fragments. Valor 1: més fragments; Valor 0: darrer fragment.
• Fragment Offset (13 bits): Utilitzat amb datagrames fragmentats per ajudar al reensamblat. El valor és el nombre de blocs de 64 bits continguts en fragments anteriors (no es tenen en compte els bytes de la capçalera).
• Temps de Vida (TTL - 8 bits): Especifica el temps en segons que el paquet viatjarà per la xarxa. En realitat, es refereix al nombre de salts (o hops). Cada enrutador decrementa el TTL en un; quan aquest valor arriba a 0, el paquet es descarta.
• Protocol (8 bits): Indica el protocol de la capa superior (p. ex., TCP, UDP, ICMP).
• Suma de Verificació de la Capçalera (Checksum - 16 bits):
  • Verifica només la capçalera.
  • Detecta errors.
  • Suma de les paraules de 16 bits de la capçalera en complement a 1.
  • S'ha de recalcular per cada salt (el temps de vida canvia).
• Adreça d'Origen (32 bits): Adreça IP del remitent.
• Adreça de Destí (32 bits): Adreça IP del destinatari.
• Opcions (Longitud Variable): Les opcions són de longitud variable; cada opció comença amb un codi d'1 byte que indica l'opció.

Multicast: Funcionament en Xarxes IP

El multicast permet enviar un paquet a un grup de destinataris simultàniament:

• Un procés actiu en un host ha d’informar a les seves targetes de xarxa que desitja ser part d’un grup específic.
• El propi programari ha de mapejar l’adreça de multicast a una adreça física per a permetre la recepció de paquets en aquesta adreça.
• Perquè un enrutador decideixi si ha de reenviar un paquet multicast a una altra xarxa, fa servir el protocol IGMP (Internet Group Management Protocol).

Solució CIDR: Enrutament Sense Classes

La solució CIDR (Classless Inter-Domain Routing) va ser introduïda per optimitzar l'assignació d'adreces IP i la gestió de taules d'enrutament:

• Assigna les adreces IP restants en blocs de grandària variable, independentment de les classes tradicionals.
• CIDR utilitza la tècnica VLSM (Variable Length Subnet Masking o Màscara de Subxarxa de Longitud Variable), per fer possible l'assignació de prefixos de longitud variable.
• CIDR utilitza l'agregació de múltiples prefixos continus en superxarxes, reduint el nombre d'entrades a les taules de rutes globals.

Adreces IP Privades i NAT

Les adreces IP privades relaxen la regla que les adreces IP han de ser unívoques globalment, en reservar part de l’espai d’adreces per a xarxes que s’usen exclusivament dins d’una organització i que no requereixen connectivitat IP amb Internet (RFC 1597).

Les adreces reservades per al NAT (Network Address Translation) són:

• Classe A: 10.0.0.0 fins a 10.255.255.255
• Classe B: 172.16.0.0 fins a 172.31.255.255
• Classe C: 192.168.0.0 fins a 192.168.255.255

Els hosts amb adreça IP privada no tenen connexió directa amb Internet. Tota la connectivitat amb hosts externs d’Internet l’han de proporcionar passarel·les d’aplicació tipus NAT.

NAT: Objecions i Limitacions

Tot i la seva utilitat, el NAT presenta diverses objeccions i limitacions:

• Una adreça IP pública no identifica una màquina globalment.
• Xarxa orientada a connexió.
• S'ha de guardar informació de la connexió a les taules NAT.
• Si el NAT cau, es perden totes les connexions.
• La capa de xarxa suposa que s'utilitzaran uns determinats protocols a la capa de transport. El NAT DESTRUEIX LA INDEPENDÈNCIA DE LES CAPES.
• Internet no exigeix la utilització de TCP/UDP. La utilització d'un altre protocol fallaria.
• Algunes aplicacions insereixen adreces IP al cos del missatge. Si no es canvien, aquestes aplicacions fallaran (p. ex., FTP).
• Per una adreça IP pública, només es podran fer 65.536 connexions; d'aquestes, se n'han de reservar 4096.
• Al RFC 2993 s'expliquen aquests i altres problemes amb el NAT.

Objectius d'IPv6: La Nova Generació de Protocols IP

IPv6 va ser dissenyat per superar les limitacions d'IPv4 i introduir noves funcionalitats:

1. Gestionar milions de hosts.
2. Reduir la grandària de les taules d'enrutament.
3. Simplificar el protocol.
4. Millorar la seguretat (autenticació i confidencialitat).
5. Suportar diferents tipus de servei (QoS).
6. Possibilitat de host mòbil.
7. Permetre que el protocol evolucioni.
8. Coexistència del protocol antic i el nou.

Capçalera IPv6: Estructura Simplificada

La capçalera principal d'IPv6 està en els primers 40 bytes del paquet i conté les següents dades:

• Versió (4 bits).
• Classe de Tràfic (8 bits): Prioritat del paquet.
• Etiqueta de Flux (20 bits): Manté la qualitat de servei. Permetrà establir una pseudoconnexió entre l'origen i el destí.
• Longitud del Camp de Dades (16 bits).
• Capçalera Següent (8 bits): Indica el tipus de capçalera següent (p. ex., TCP, UDP, o una capçalera d'extensió).
• Límit de Salts (8 bits): Equivalent al TTL d'IPv4.
• Adreça d'Origen (128 bits).
• Adreça de Destí (128 bits).

Després de la capçalera principal, venen les dades. Cal indicar que la capçalera és flexible i pot contenir informació opcional mitjançant capçaleres d'extensió, que s'expliquen a continuació.

Capçaleres d'Extensió IPv6: Flexibilitat i Funcionalitat

Les capçaleres d'extensió permeten un ús flexible de la capçalera IPv6, ja que permeten anar afegint funcionalitats de forma paulatina i eficaç.

• El camp “Capçalera Següent” indica el tipus de capçalera següent; es poden afegir tants tipus de capçaleres com es vulguin.
• Fins al moment, existeixen 8 tipus de capçalera d'extensió definits.
• La capçalera principal té una grandària fixa de 40 bytes; després es poden afegir capçaleres d'extensió de longitud variable.

Tipus d'Adreces IPv6: Unicast, Multicast i Anycast

IPv6 defineix tres tipus principals d'adreces:

• Les adreces Unicast identifiquen una sola interfície de xarxa. Un paquet enviat a una adreça Unicast és lliurat a la interfície identificada.
• Les adreces Multicast identifiquen un conjunt d'interfícies de xarxa, generalment de nodes diferents. Quan s'envia un paquet a una adreça Multicast, totes les interfícies identificades amb l'adreça reben el paquet.
• Les adreces Anycast també identifiquen un conjunt d'interfícies de xarxa, generalment de nodes diferents. Quan s'envia un paquet a una adreça Anycast, només una interfície del grup rep el paquet, generalment la més propera.

Mecanismes de Transició a IPv6: Convivència i Migració

Existeixen una sèrie de mecanismes que permeten la convivència i la migració progressiva tant de les xarxes com dels equips d'usuari. En general, els mecanismes de transició es poden classificar en tres grups:

1. La pila dual fa referència a una solució de nivell IP amb pila dual (RFC 2893), que implementa les piles dels dos protocols, IPv4 i IPv6, a cada node de la xarxa. Cada node amb pila dual a la xarxa tindrà dues adreces de xarxa, una IPv4 i una altra IPv6.
   • Pros: Fàcil de desplegar i àmpliament suportat.
   • Contres: La topologia de xarxa requereix dues taules d'enrutament i dos processos d'encaminament. Cada node de la xarxa necessita tenir actualitzades les dues piles.
2. Els túnels permeten connectar-se a xarxes IPv6 a través de xarxes IPv4. Aquests túnels funcionen encapsulant els paquets IPv6 en paquets IPv4, tenint com a següent capa IP el protocol. D'aquesta forma, els paquets IPv6 poden ser enviats sobre una infraestructura IPv4. Hi ha moltes tecnologies de túnels disponibles.
3. La traducció és necessària quan un node només IPv4 intenta comunicar-se amb un node només IPv6. Els mecanismes de traducció es poden dividir en dos grups, basats en si la informació d'estat està guardada o no.