Livello di rete, indirizzi IP e routing

Livello di rete, indirizzi IP e routing sono i concetti al centro di questa lezione, dedicata al ruolo del livello di rete nell’indirizzamento e nell’instradamento dei pacchetti tra host e reti diverse.

Il testo descrive il funzionamento del protocollo IP, un protocollo connectionless e best effort, che prova a consegnare i pacchetti senza garantire affidabilità, ordine o tempi di consegna. La lezione chiarisce poi la differenza tra indirizzo MAC e indirizzo IP, distinguendo la comunicazione locale dall’instradamento globale. Vengono quindi presentati gli indirizzi IPv4 e IPv6, gli indirizzi statici e dinamici, gli indirizzi pubblici e privati, il ruolo del DHCP e il funzionamento del NAT/PAT, che permette a più dispositivi di una LAN di condividere un unico IP pubblico.

Nella parte finale viene spiegato il routing, cioè il processo con cui i router usano le tabelle di instradamento per scegliere il percorso dei pacchetti, e il forwarding, cioè l’inoltro concreto del pacchetto verso l’interfaccia corretta.

Livello di rete

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Elementi chiave

Il livello di rete si occupa di indirizzare e instradare i pacchetti tra host appartenenti anche a reti diverse, mentre il livello di trasporto gestisce la comunicazione logica tra processi applicativi.

I router lavorano principalmente ai livelli fisico, link e rete: ricevono il pacchetto, leggono l’indirizzo di rete di destinazione e decidono attraverso quale interfaccia inoltrarlo.

Internet utilizza il protocollo IP, un protocollo connectionless e best effort: cerca di consegnare i pacchetti, ma non garantisce consegna, ordine o tempi di arrivo.

IP e MAC svolgono funzioni diverse e complementari: l’indirizzo MAC viene utilizzato soprattutto nella comunicazione locale, mentre l’indirizzo IP permette l’instradamento tra reti diverse.

Un indirizzo IP identifica un’interfaccia di rete, non genericamente un dispositivo. Un router con più interfacce possiede quindi più indirizzi IP.

Gli indirizzi IP sono adatti a Internet perché hanno una struttura gerarchica. I prefissi di rete, come /20, permettono di rappresentare interi blocchi di indirizzi e di aggregare le rotte, evitando che i router debbano conoscere ogni singolo dispositivo.

Un dominio e un indirizzo IP non hanno necessariamente una relazione uno a uno: un dominio può essere associato a più IP e più domini possono utilizzare lo stesso IP. Il DNS può restituire diversi indirizzi anche per distribuire il traffico.

Gli indirizzi IP possono essere statici o dinamici. Gli indirizzi dinamici vengono normalmente assegnati automaticamente tramite DHCP.

IPv4 utilizza indirizzi da 32 bit, scritti normalmente come quattro numeri decimali compresi tra 0 e 255, e mette a disposizione circa 4,3 miliardi di indirizzi.

La scarsità degli indirizzi IPv4 ha favorito l’uso degli indirizzi privati e del NAT. I dispositivi di una LAN possono utilizzare IP privati e condividere un singolo IP pubblico per comunicare con Internet.

Nelle reti domestiche viene normalmente utilizzato PAT/NAPT, comunemente chiamato semplicemente NAT: il router distingue le connessioni dei diversi dispositivi combinando indirizzi IP e numeri di porta e conservando le associazioni in una tabella NAT.

IPv6 utilizza indirizzi da 128 bit, offrendo uno spazio di indirizzamento enormemente superiore rispetto a IPv4. Gli indirizzi vengono scritti in esadecimale e possono essere abbreviati eliminando zeri iniziali e usando :: per sequenze consecutive di blocchi nulli.

Con IPv6 il NAT diventa meno necessario, perché lo spazio disponibile permette in linea teorica di assegnare indirizzi globali univoci a moltissimi dispositivi. IPv4 e IPv6 continuano comunque a convivere.

Il routing determina il percorso da utilizzare per raggiungere una destinazione, mentre il forwarding è l’operazione concreta con cui il router inoltra un singolo pacchetto attraverso l’interfaccia corretta.

I router utilizzano tabelle di routing, nelle quali sono indicate le reti raggiungibili e il relativo next hop. Se non esiste una rotta specifica possono utilizzare una default route; se non esiste neppure questa, il pacchetto viene scartato.

Le tabelle di routing possono essere configurate manualmente oppure aggiornate attraverso protocolli di routing, consentendo ai router di adattarsi ai cambiamenti della rete.