překrýt konkrétní přenosové technologie jednotnou pokličkou která zakrývá specifické vlastnosti přenosových technologií

Transkript

1 Síťová vrstva Úkolem síťové vrstvy je: překrýt konkrétní přenosové technologie jednotnou pokličkou která zakrývá specifické vlastnosti přenosových technologií a dále implementovat jednotný způsob adresování

2 Síťová vrstva Vlastnosti: Přenáší bloky dat označované jako datagramy či pakety (packets) Definuje protokoly pro směrování dat, jejichž prostřednictvím je zajištěn přenos informací do požadovaného cílového uzlu. Uplatní se zejména v momentě, kdy neexistuje přímá cesta k příjemci a musí se hledat vhodná cesta Dochází k tzv. směrování (routingu) - vyhledání nejvhodnější cesty k cíly

3 Protokoly síťové vrstvy Přenos dat a další činnosti zajišťuje mnoho protokolů Zaměříme se na dnes nejrozšířenější: IP = Internet Protokol (také IPv4) S protokolem IP jsou těsně svázány další protokoly síťové vrstvy ICMP, ARP, RARP, BOOTP, IGMP, RIP,... provádějí servisní činnost na některé se podíváme

4 Hlavní funkce protokolu IP Protokol IP se stará o: doručení dat z jednoho uzlu na druhý směrování IP paketů v síti Definuje formát IP paketů Implementuje jednotné adresování viz IP adresace Ošetřuje nestandardní situace (fragmentaci, zacyklení,... )

5 IP datagram Data z vyšších vrstev jsou S.V. přejímána a jsou z nich vytvářeny: IP datagramy či IP pakety Ty jsou následně vkládány do L.V.

6 IP datagram IP datagram se skládá: ze záhlaví (zpravidla 20B) záhlaví může obsahovat i volitelné položky, pak je delší z přenášených dat hlavička (header) HLEN datová část (Header LENgth) TOTAL LENGTH (max bytů) Velikost datagramu je tak proměnná

7 Skladba IP datagramu x 4B=1510 x 4B = 60B 0 - nevyužit DF - Don t Fragment MF - More Fragments 2^16 = { (0)} B TCP...6 ICMP...1 IGMP...2 IPovIP...4 IPXinIP..111 UDP = Pouze z hlavičky!!! vždy se doplní na násobek 4B

8 Co obsahuje hlavička IP paketu? I. Verze první položka, verze IP, pro IPv4 obsahuje 4 Délka záhlaví v násobcích čtyřbajtů (32bitů) - např. pro délku 20B obsahuje 5 záhlaví se proto vždy doplňuje na velikost dělitelnou 4B maximální velikost záhlaví je tedy x 4B=15 10 x 4B = 60B povinné položky zabírají 20B - na volitelné tedy zbývá 40B Typ služby dlouho nevyužitá položka dnes se používá maximálně jako jednoduché QoS Celková délka celková délka IP datagramu (včetně hlavičky) v B 2B nulová velikost = 65535B

9 Co obsahuje hlavička IP paketu? II. Identifikace IP datagramu základní identifikátor datagramu datagramy mohou do cíle přijít v různém pořadí - je třeba je pak podle něčeho seřadit Fragmentační příznaky popisují možnost fragmentace datagramu Offset fragmentu použije se v momentě vytváření fragmentovaného datagramu Tyto položky úzce souvisejí s možností fragmentace (rozdělováním) datagramů při průchodu některými cestami

10 Co obsahuje hlavička IP paketu? III. Doba životnosti datagramu - Time to live (TTL) slouží k zamezení nekonečného toulání datagramu po směrovačích každý směrovač snižuje např. o 1 při TTL=0 se datagram zahazuje odesilateli je odeslán ICMP Protokol vyšší vrstvy číselná identifikace vloženého protokolu málokdy se komunikuje přímo IP protokolem proto je vkládán další vyšší protokol (např.: 6-TCP, 17-UDP...) Kontrolní součet z IP záhlaví pouze ze záhlaví problémem je, že pokud se něco změní v hlavičce (např. TTL) musí se CRC znovu dopočítat

11 Servisní protokoly - ICMP I. Protokol IP může samostatně existovat pouze v nejjednodušších případech V reálném světě LAN a WAN potřebuje některé servisní protokoly jedním z nejdůležitějších je protokol ICMP ICMP - Internet Control Message Protocol je povinou součástí každé implementace IP - nemusí být ale vždy využíván Protokol ICMP je mechanismem pro hlášení chyb a nestandardních situací Pakety protokolu ICMP jsou přenášeny v datové části IP paketů Proč nejsou ICMP pakety vkládány přímo do linkových rámců? protože musí často cestovat i přes více mezilehlých sítí Kdo je odesilatelem a příjemcem ICMP? nikoliv entity vyšších vrstev, ale implementace protokolu IP

12 Servisní protokoly - ICMP II. Protokolem ICMP je možné signalizovat nejrůznější situace ve skutečnosti však různé implementace TCP/IP podporují vždy pouze omezenou část v reálu jsou také na směrovačích z bezpečnostních důvodů ICMP pakety často zahazovány Složení ICMP pole TYP obsahuje tzv. hrubé dělení správ pole KÓD obsahuje jemné dělení V závislosti na těchto polích se odlišuje proměnná část záhlaví a tělo zprávy

13 Příklady využití ICMP I. Echo jednoduchý nástroj ICMP umožňuje testovat dosažitelnost jednotlivých uzlů v síti Funkce: žadatel vyšle ICMP paket typ 8/0 - žádost o Echo cílový uzel odpoví ICMP paketem 0/0 - odpověď na ECHO žadatel spočítá dobu odezvy Příklad: téměř všechny OS obsahují nějakou alternativu programu ping spárování žádosti s odpovědí, je tak možno odeslat např. více pingů Byla testována dostupnost Odpověď mněla 32B dlouhou datovou část a byla získána do 10ms. V odpovědi mněla TTL hodnotu 63 Ne všude však ICMP pakety projdou - zkuste si ping na UPa...

14 Příklady využití ICMP II. Nedoručitelný IP datagram zde je základní rozdíl oproti jednodušším službám nemůže-li být IP paket doručen, je o tom adresát informován prostřednictvím ICMP ale pouze v případě, že k němu ICMP doputuje!

15 Příklady využití ICMP III. Čas vypršel (time exceeded) signalizuje dva případy TTL = 0 - je podezření, že paket zabloudil a bude zlikvidován nebo že počítač není v daném čase schopen sestavit z fragmentů celý paket prvního případu využívá program tracert ICMP nese IP: z položky adresa odesilatele lze zjistit první směrovač... ICMP - žádost o echo Time Exceeded

16 Fragmentace paketů

17 Velikost IP paketů IP pakety jsou vkládány do linkových rámců údaj o typu paketu v případě Ethernetu 0800h pro IPv4 max. 65KB PR DASA Prot. linkový rámec 46B-1500B CRC 4B max. velikost 2 16 byte (daná formátem hlavičky) je pouze teoretická v praxi záleží na možnostech použité přenosové technologie (síťovém rozhraní) příklady: Ethernet max. 1500B X.25 max. 4196B Token Bus max byte...

18 Vlastnosti související s velikostí Kdy je přenos nejefektivnější? jestliže je možné celý paket vložit do linkového rámce a není nutné je dělit na více částí Protokol IP se o to snaží proto je definován parametr MTU (Maximum Transfer Unit) IP protokol z MTU zjistí jakou velikost rámce použít MTU je definován v konfiguraci PC Jak zjistit max. MTU? ping -f -l xxxx příjemce Ale ne vždy je to možné... proto má IP protokol mechanismy pro dělení paketů do více rámců (fragmentaci) a opětné slučování fragmentů do paketu původní velikosti Proč je potřeba znát MTU? protože tentýž IP paket může procházet sítěmi s různou max. velikostí rámce... a není rozumné přizpůsobit se minimu přes všechny síťové technologie

19 Představa fragmentace Používá se tzv. netransparentní fragmentace je patrná i pro koncové účastníky přenosu Defragmentaci (složení původního paketu z jednotlivých fragmentů) provádí až jejich koncový příjemce když už jsou pakety rozloženy, putují dál v tomto tvaru ušetří se čas na opakované rozkládání a skládání v případě kdyby musely znovu procházet sítí s ještě menší hodnotou MTU Jak se paket rozdělí? potřebné údaje se přenášejí v hlavičce IP paketu offset, pořadí fragmentu IP nerozlišuje při přenosu fragmentovaný a nefragmentovaný paket nefragm. paket má offset 0 a nastavený příznak poslední fragment (MF=0) mechanismus umožňuje fragmentovat i fragment fragmentované pakety dědí pole identifikace - je možné z nich později složit celý původní paket

20 Představa fragmentace Důležité je že každý další fragment znamená zatížení o minimálně 20B dalšího záhlaví

21 ARP Překlad adres

22 Protokol ARP Chce li komunikovat stanice A se stanicí B tak jí adresuje pomocí 4B IP adresy svou adresu zná, takže může sestavit kompletní paket Problém je v tom, že paket se musí zabalit do linkového rámce (např. Ethernetový) svou HW adresu znám jak ale získat adresu příjemce na sestavení L.R. toto řeší protokol ARP ARP (address Resolution Protocol) řeší problém získání HW adresy stanice ze znalosti její IP adresy

23 Jak zjistit HW adresu příslušející k IP? kdo z vás má IP adresu X.Y.Z.W? já, a moje fyzická adresa je ABCD

24 Funkce ARP Počítač A vyšle do sítě oběžník se zprávou: potřebuji nalézt stanici s IP adresou XX, pomůže mi někdo? oběžník: linková adr. = FF:FF:FF:FF:FF

25 Protokol ARP Pakety (zprávy) protokolu ARP jsou vkládány přímo do linkových rámců nepředchází mu žádné IP záhlaví mohou jej tedy využívat i jiné protokoly DA: Broadcast adresa FF:FF:FF:FF:FF:FF Nebo také moje HW při kontrole duplicity EtherType 0806H ARP paket PR DA SA Prot. linkový rámec (např. Ethernet)

26 Příklad kompletní komunikace ping než může vyslat první paket s ICMP: Echo Request musí zjistit ze směrovací tabulky, zda: je příjemce za směrovačem bude se hledat linková adresa směrovače nebo na LAN bude se hledat přímo linková adresa uzlu víme, že uzel je na LAN je tedy vygenerována ARP žádost příjemce (nebo někdo jiný) okamžitě odpoví ARP Uvidíme na cvičení pomocí Etherealu Cache je tedy naplňována dynamicky. Lze jí naplnit i staticky. Obsah lze vypsat příkazem: arp -a z tohoto paketu si systém uloží do paměti (ARP cache) záznam pro budoucí použití nyní je teprve vygenerován ICMP paket programu ping a posléze i odpověď ICMP

27 IP adresace

28 Pohled na svět z hlediska IP Jednotlivé dílčí sítě (IP sítě) jsou vzájemně propojeny na úrovni síťové vrstvy pomocí směrovačů (routerů) původně se jim říkalo gateways (doslova: brány), ale dnes spíše IP routery IP síť IP síť R R R = IP router IP síť R R IP síť

29 Vlastnosti IP adres Jaké by měly být adresy uzlů? takové, které odpovídají pohledu na soustavu vzájemně propojených sítí (internet) - síť by měla být v adrese vidět takové, aby byl možný jednoznačný převod na fyzické adresy přenosových technologií, použitých ve vrstvě síťového rozhraní takové, které vyhovují potřebám směrování celosvětově jednoznačné dostatečně malé - aby nebylo složité je analyzovat v HW IP adresy by měly obsahovat dva základní údaje: adresu sítě jako takové relativní adresu uzlu v rámci dané sítě IP adresy by měly být dvousložkové, typu: síť.uzel

30 Rozbor požadavků Vyšší vrstvy nezajímá členění na IP sítě, chtějí se odkazovat jen na konkrétní uzly... vyhovují jim IP adresy jednosložkové: pro síťovou vrstvu je podstatné členění na sítě... chce IP adresu dvousložkovou, aby se nemusela zabývat detaily: uzlů může být v síti spousta a teď mne nezajímají a ne chci poslat data do uzlu N hledám cesty vedoucí do sítě X hledám cesty vedoucí do uzlu X.Y1 X.Y2...

31 Řešení: kompromis Byly zavedeny IP adresy, které jsou: fyzicky jednosložkové tvoří je posloupnost 32 bitů logicky dvousložkové 32-bitovou adresu lze rozdělit na část: vyjadřující adresu sítě - první (levá) část a část vyjadřující relativní adresu uzlu v síti Problém: jak stanovit formát 32-bitové IP adresy? Jedna možnost - zvolit pevný formát, např. 16 bitů pro adresu sítě, 16 bitů pro adresu uzlu pak ale: nemůže být více než sítí žádná síť nesmí mít více než uzlů... a pokud má méně, nic se neušetří!!!

32 Jak stanovit formát 32-bitové IP adresy V praxi mohou existovat různé IP sítě: velké sítě s hodně velkým počtem uzlů (např. větším než uzly), kterých však bude asi málo střední sítě (např. 250 až uzlů) malé sítě s hodně malým počtem uzlů (např. menším než 255), kterých naopak může být velmi mnoho Autoři TCP/IP proto navrhli proměnný formát IP adres 0 31 adresa sítě adresa uzlu předěl je možné podle potřeby posunout

33 Třídy IP adres Jak ale nakonfigurovat uzly, aby věděly co je adresa sítě a co adresa uzlu? byly zavedeny třídy adres dresy se dělí na rozhraní oktetů v dané síti se používá na všech uzlech jedena dohodnutá třída A B C adresa sítě adresa uzlu max. 126 sítí adresa sítě max sítí až 16,7 mil. uzlů adresa uzlu max uzlů adresa sítě adresa uzlu až 2 mil. sítí max. 254 uzlů 31 Konfigurace sítě je pak velmi jednoduchá a spočívá vlastně jen ve specifikaci: IP adresy a třídy adres Kromě těchto tříd existují ještě další

34 Vyjádření IP adresy Používá se jednotný způsob zápisu: obsah každého byte je vyjádřen jako desítkové číslo jednotlivé části jsou spojeny tečkou příklad: méně běžné, ale z hlediska analýzy výhodné binární vyjádření s binárním vyjádřením se setkáme zejména při vytváření tzv. podsítí a dělení pomocí masek méně se používá i hexadecimální vyjádření C

35 Přidělování IP adres původní myšlenka InterNIC or Internet Network Information Center centrální organizace pro správu doménových jmen a alokaci rozsahů IP adres InterNIC přiděluje síťové IP adresy po skupinách (blocích) národním distributorům kteří je pak přidělují koncovým zájemcům Provozovatelům jednotlivých sítí jsou vždy přidělovány celé skupiny IP adres např. tři síťové adresy třídy C... neboli spíše tři síťové části (složky) adresy ke kterým si provozovatel sítě sám doplní zbývající části, odpovídající relativním adresám koncových uzlů Jinak řečeno zájemce si koupí např x a v síti pak bude mít např. počítače:

36 Podsítě Jenže jedna adresa třídy C může obsahovat max. 254 uzlů když chce zákazník např. sesíťovat 580 PC......tak si musí koupit 3 adresy třídy C Velký počet adres třídy C ale způsobuje komplikace! každé adrese C odpovídá ve směrovacích tabulkách jeden záznam... směrovací tabulky se tím stávají neúnosně velké!!! navíc adres třídy C také není nekonečné množství Možné řešení: použít adresy třídy B ale těch je ještě méně Jak tedy adresu rozdělit, aby mohla být využita pro více sítí?

37 Podsítě Využijeme techniku podsítí (subneting) technika, umožňující efektivněji využívat adresový prostor IP adres umožňuje zavést jiné jemnější dělení adresy na dvě logické složky umožňuje vytvářet logické podsítě Zákazník si koupí jednu adresu (např. B) a vhodně jí rozdělí na podsítě navenek jediná síť Podsíť obchod Podsíť ředitel Podsíť výdej směrovač zde libovolné dělení zbytku 32-bitové IP adresy

38 Podsítě Jak rozdělit adresu na dvě části? resp. jak sdělit uzlům kde jsme adresu rozdělili? Potřebujeme pomocnou informaci - MASKU v historických dobách se masky skutečně nepoužívaly Maska obsahuje 1 na pozicích adresy sítě (na levé straně) a 0 na pozicích adresy uzlu příklad maska: zde mohu mít cca 28 uzlů 254 Maska se také často vyjadřuje ve formátu: IP/xx kde xx znamená počet bitů masky např.: /16

39 Maska podsítě Příklad maska na adrese třídy B jedničkové bity masky určují, co patří do adresy sítě např. FF.FF.E0.00 (dekadicky ) maska v adrese třídy B rozdělí 16 -bitovou relativní adresu uzlu na a bitů 3 bity přidává k adrese sítě (tj. umožňuje vytvořit až 2 3 = 8 podsítí) bitů ponechává pro adresování uzlů (tj. každá podsíť může mít až = 8190 uzlů) adresa B předposlední byte maska maska adresy sítě maska adresy uzlu samé jedničky samé nuly adresa sítě adresa uzlu adresa podsítě adresa uzlu v podsíti 19 bitů 13 bitů

40 Maska Maska má ve spojení s adresou některé výhodné vlastnosti kterých využívá zejména rychlý HW směrovačů směrovače s výhodou použijí bitových operací svých CPU M and IP = AS - adresa sítě oproštěná od hostů, pro směr. zbytečná inf. M and IP = AH M or IP = BA Příklad: A: B: IP: Maska: M and IP adr. sítě M and IP adr. hosta M or IP broadcast

41 IP adresy v intranetu V případě budování intranetových sítí by měly být voleny adresy z následujících rozsahů Tř.A / Tř.B / Tř.C / jedná se o tzv. neveřejné IP adresy použití těchto adres zvyšuje bezpečnost - vyskytují se pouze v intranetech v Internetu jsou nepoužitelné proč? poskytovatelé Internetového připojení nemají tyto adresy nastaveny ve svých směrovacích tabulkách nedopravují je skrz Internet kromě těchto rozsahů existuje ještě jeden: Tř.A / tento rozsah je použit pro zařízení zvaná loopback loopback zpětná smyčka

42 Počet uzlů v síti Je dán velikostí adresy uzlu v IP adrese Př: adresa Tř. C s maskou tedy binárně umožňuje 2 8 = 256 kombinací v síti ale musíme identifikovat ještě tzv.: adresu všesměrového vysílání broadcast adresu má ve všech bitech adresy uzlu 1 dat odeslaná na tuto adresu jsou doručena všem uzlům v síti adresu sítě má ve všech bitech adresy uzlu 0 používá se při adresaci a pojmenování sítě používa se zejména při směrování odtud tedy ten stálý odečet 2 ve všech výpočtech v našem případě Tř.C = 256 uzlů

43 Kódování tříd adres I. Jednotlivé třídy adres je potřeba nějak identifikovat dalo by se použít nějaké snadné kódování např. chceme 5 tříd zakódujme je v prvních 3 bitech na začátku Př.: 000 Tř.A 001 Tř.B Tř.C 100 Tř.D 101 Tř.E... využijeme v budoucnu např. pro další třídy to je ale značně neefektivní způsob připravujeme se vždy o prví 3 bity informace adresa sítě adresa uzlu např.: v případě tř. C můžeme mít místo teor. 16M pouze asi 2M i tak dost ale např. v případě třídy A už místo teor. 256 pouze 32!!!

44 Kódování tříd adres II. Řešením je iterativní kódování Tř. A 0sssssss bit AU Tř. B 10ssssss bit AU Tř. C 110sssss bit AU tento postup je velice výhodný: šetří místem ve tř.a je možné definovat až 126 adres sítí umožňuje definovat další třídy Adresy: O a 127 mají zvláštní význam Tř. D 1110xxxx rezervovaný prostor, nyní se nejčastěji používá pro multicast zbytek adresy se již nedělí na AS a AU Tř. E 1111xxxx 2 > experiment. / výzkum (použila se například na tunelování IPv6)

45 Konec přednášky Příště transportní vrstva: TCP a UDP protokoly