6. prednáška ( ) Sieťová vrstva 1.časť

Transkript

1 6. prednáška ( ) /24 fe80::231:5c3f:fe64:db91/64 Sieťová vrstva 1.časť 1

2 Kapitola 4: Sieťová vrstva Náš cieľ: fungovanie routra (smerovača) sieť založená na datagramoch vs. okruhmi riadená sieť IP adresy, masky DHCP NAT ICMP IPv6 routovacie (smerovacie) algoritmy ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 2

3 Sieťová vrstva zabezpečuje dopravenie segmentov transportnej vrstvy do cieľovej stanice u odosielateľa sa obalí segment do datagramu (dodá sa na začiatok hlavička datagramu) na strane prijímateľa sa doručený datagram rozbalí a segment sa odovzdá transportnej vrstve sieťová vrstva je implementovaná v každej koncovej stanici a v každom routri router analyzuje hlavičky všetkých IP datagramov, ktoré cez neho prechádzajú aplikačná transportná sieťová spojová fyzická sieťová spojová fyzická sieťová spojová fyzická sieťová spojová fyzická sieťová spojová fyzická sieťová spojová fyzická sieťová spojová fyzická sieťová spojová fyzická sieťová spojová fyzická sieťová spojová fyzická sieťová spojová fyzická sieťová spojová fyzická aplikačná transportná sieťová spojová fyzická ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 3

4 Prehľad prednášky Čo sa skrýva v routroch Virtuálne okruhy a sieť riadená datagramami IP: Internet Protocol Smerovacia tabuľka DHCP NAT Hlavička IP datagramu Fragmentácia a defragmentácia adresácia IPv4 4

5 Architektúra routra Dve kľúčové úlohy: smerovať pakety zo vstupných rozhraní na výstupné rozhrania spúšťať smerovacie algoritmy (RIP, OSPF, BGP) vstupné rozhranie výstupné rozhranie prepojenie vstupné rozhranie rozhraní výstupné rozhranie smerovací procesor spúšťa smerovacie algoritmy ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 5

6 Funkcie vstupných rozhraní ukončenie fyz.spoja spracovanie spojovej vrstvy smerovanie zaraďovanie prepojenie rozhraní Fyzická vrstva: prijatie bitov Spojová vrstva: napr. Ethernet Decentralizované smerovanie: extrakcia cieľovej adresy paketu nájdenie výstupného rozhrania na základe smerovacej tabuľky v pamäti vstupného rozhrania cieľ: stihnúť spracovanie a zasielanie paketov danou rýchlosťou spojenia zaraďovanie: ak treba čakať na poslanie paketu cez prepojenie rozhraní, pakety čakajú v rade ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 6

7 Tri typy prepojenia rozhraní ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 7

8 Prepájanie cez pamäť Routre prvej generácie: tradičné počítače, kde prepájanie riadi jeden procesor paket sa dostáva do spoločnej pamäte rýchlosť je limitovaná rýchlosťou pamäte a dvojitým prístupom na spoločnú zbernicu vstupné rozhranie pamäť výstupné rozhranie zbernica ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 8

9 Prepájanie cez zbernicu paket z pamäte vstupného rozhrania cestuje do pamäte výstupného rozhrania cez zdieľanú zbernicu úzke miesto je zbernica čím viac rozhraní, tým pomalšie 32 Gb/s zbernica v Cisco 5600 ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 9

10 Prepájanie cez prepájaciu sieť prekonáva obmedzenia šírky spoločnej zbernice máme sieť 2n zberníc pre n vstupno-výstupných rozhraní pôvodne vyvinuté na spájanie procesorov v multiprocesorových systémoch vylepšenie: delenie paketov na rovnako dlhé časti (bunky) a ich spájanie vo výstupných rozhraniach Cisco 12000: prepája rýchlosťou 60 Gb/s ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 10

11 Výstupné rozhrania prepojenie rozhraní správa buffra, zaraďovanie spracovanie spojovej vrstvy ukončenie fyz.spoja Zaraďovanie keď pakety prichádzajú z prepojenia rozhraní rýchlejšie ako je šírka výstupného pásma Packet scheduler - môže uprednostniť niektoré pakety s vyššou prioritou ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 11

12 Výstupný rad paketov výstupný rad môže rásť rýchlo zdražanie alebo strata v prípade plného buffra ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 12

13 Rad paketov vo vstupnom rozhraní Prepojenie rozhraní môže byť pomalšie ako rýchlosť všetkých vstupných portov spolu Head-of-the-Line (HOL) blocking: paket v rade vstupného rozhrania blokuje ostatné pakety, ktoré by inak prešli zdržanie a strata aj vo vstupnom rade v čase t môže byť prijatý iba jeden červený paket zelený paket bol zabokovaný červeným ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 13

14 Prehľad prednášky Čo sa skrýva v routroch Virtuálne okruhy a sieť riadená datagramami IP: Internet Protocol Smerovacia tabuľka DHCP NAT Hlavička IP datagramu Fragmentácia a defragmentácia adresácia IPv4 14

15 Pohľad na sieť riadenú okruhmi sieť riadená datagramami nepotrebuje inicializáciu spojenia v sieti riadenej okruhmi máme komunikáciu so spojením na rozdiel od TCP spojenia v transportnej vrstve musíme inicializovať spojenie: na koncových staniciach na všetkých uzloch (routroch) na ceste medzi nimi routre na ceste si musia uchovávať stav spojenia časti zdrojov routra môžu byť vyhradené danému okruhu ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 15

16 Virtuálne okruhy Virtuálny okruh sa skladá z: 1. cesty od odosielateľa k prijímateľovi 2. čísiel okruhov, jedno číslo medzi každými dvoma uzlami na ceste 3. záznamov v smerovacích tabuľkách v routroch na ceste paket patriaci do virtuálneho okruhu má v hlavičke namiesto cieľovej adresy číslo okruhu číslo okruhu sa môže meniť na každom routri nové číslo okruhu sa získa zo smerovacej tabuľky ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 16

17 Virtuálne okruhy: Smerovacia tabuľka číslo okruhu smerovacia tabuľka ľavého horného routra: číslo rozhrania prich. rozhranie prich. č. okruhu odch. rozhranie odch. č. okruhu Routre si uchovávajú stav spojení! ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 17

18 Virtuálne okruhy: signálne protokoly používajú sa na nastavenie okruhu používané v ATM, frame-relay, X.25 na Internete sa nepoužívajú aplikačná transportná sieťová spojová fyzická 5. posielanie dát 6. prijatie dát 4. hovor prijatý 3. prijatie hovoru 1. zavolanie 2. zvonenie aplikačná transportná sieťová spojová fyzická ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 18

19 Sieť riadená datagramami žiadna inicializácia spojenia na sieťovej vrstve routre: žiadne stavy spojení neexistuje koncept spojenia na sieťovej vrstve datagramy sú smerované na základe cieľovej adresy datagramy tej istej komunukácie môžu dôjsť do cieľa rôznymi cestami aplikačná transportná sieťová spojová fyzická 1. Posielanie dát 2. prijatie dát aplikačná transportná sieťová spojová fyzická ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 19

20 Riadenie datagramami alebo okruhmi? Internet (datagramy) výmena dát medzi počítačmi prispôsobivé služby, čas doručenia nehrá hlavnú rolu múdre koncové zariadenia (počítače) prispôsobivé, kontrola výkonu, zotavenie sa z chýb jednoduché jadro siete, zložitosť prenechaná koncovým zariadeniam mnoho typov pripojení rôzne vlastnosti a schopnosti ATM (virtuálne okruhy) vyvinuté na telefonovanie komunikácia medzi ľuďmi: čas doručenia a spoľahlivosť sú dôležité potreba garancie kvality pripojenia hlúpe koncové zariadenia napr. vytáčacie telefóny zložitosť v jadre siete univerzálne služby by boli zložité ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 20

21 Prehľad prednášky Čo sa skrýva v routroch Virtuálne okruhy a sieť riadená datagramami IP: Internet Protocol Smerovacia tabuľka DHCP NAT Hlavička IP datagramu Fragmentácia a defragmentácia adresácia IPv4 21

22 Sieťová vrstva Internetu funkcie sieťovej vrstvy (stanice, routre): Transportná vrstva: TCP, UDP sieťová vrstva smerovacie protokoly výber cesty RIP, OSPF, BGP smerovacia tabuľka ICMP protocol oznamovanie chýb kontrola funkčnosti IP protokol adresácia formát datagramu spracovanie datagramu Spojová vrstva Fyzická vrstva ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 22

23 Prehľad prednášky Čo sa skrýva v routroch Virtuálne okruhy a sieť riadená datagramami IP: Internet Protocol Smerovacia tabuľka DHCP NAT Hlavička IP datagramu Fragmentácia a defragmentácia adresácia IPv4 23

24 Formát IP datagramu verzia IP protokolu dĺžka hlavičky (bajty) priorita podľa typu dát max počet zostávajúcich hopov (-1 v každom routri na ceste) typ protokolu v tele datagramu ver dĺž. hlav. identifikátor time to live typ služby horná vrstva 32 bits dĺžka príz. offset fragmentu kontr. súčet hlavičky 32 bitová zdojová IP adresa 32 bitová cieľová IP adresa Voľby (nepovinné) dáta (rôzna dĺžka, typicky TCP alebo UDP segment) celková dĺžka datagramu (bajty) pre fragmentáciu a defragmentáciu koľko zaberajú hlavičky? 20 bajtov TCP 20 bajtov IP = 40 bajtov + prípadné hlavičky aplikačnej vrstvy ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 24

25 Prehľad prednášky Čo sa skrýva v routroch Virtuálne okruhy a sieť riadená datagramami IP: Internet Protocol Smerovacia tabuľka DHCP NAT Hlavička IP datagramu Fragmentácia a defragmentácia adresácia IPv4 25

26 IP fragmentácia a defragmentácia rôzne typy spojení majú rôznu hodnotu MTU (max.transfer unit) najväčšia veľkosť IP datagramu rôzne typy spojení majú rôznu hodnotu MTU veľké IP datagramy musia byť niekedy rozdelené ( fragmentované ) na menšie z jedného datagramu sa stane viac defragmentácia iba u prijímateľa v IP hlavičke podpora pre fragmentáciu defragmentácia fragmentácia: dnu: jeden datagram von: 3 malé datagramy ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 26

27 IP fragmentácia a defragmentácia Príklad: prišiel 4000 bajtový datagram hodnota výstupného MTU = 1500 bajtov 1480 bajtov v tele datagramu offset = 1480/8 length =4000 ID =x length =1500 length =1500 length =1040 fragflag =0 ID =x ID =x ID =x offset =0 fragflag =1 fragflag =1 fragflag =0 offset =0 offset =185 offset =370 ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 27

28 Prehľad prednášky Čo sa skrýva v routroch Virtuálne okruhy a sieť riadená datagramami IP: Internet Protocol Smerovacia tabuľka DHCP NAT Hlavička IP datagramu Fragmentácia a defragmentácia adresácia IPv4 28

29 IP adresácia: úvod IP adresa: 32-bitový identifikátor koncovej stanice alebo rozhrania routra rozhranie: logická časť routra alebo stanice priradená jednému fyzickému pripojeniu routre majú obvykle mnoho rozhraní koncová stanica má typicky jedno aktívne rozhranie s každým rozhraním je asociovaná jedna IP adresa = ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 29

30 Siete IP adresa: každé rozhranie má svoju Sieť rozhrania s rovnakou adresou siete (sieťová časť adresy je rovnaká) zariadenia sú medzi sebou fyzicky prepojené bez routra sieť siete prepojené routrom ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 30

31 Siete x x pomôcka: na zistenie toho, čo všetko je v jednej sieti odpoj všetky rozhrania routrov ostanú ostrovy prepojených (a navzájom v pohode komunikujúcich) počítačov každý ostrov predstavuje sieť x ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 31

32 Siete Koľko tu máme sietí? ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 32

33 IP adresy Pôvodné delenie IP adries (organizácia IANA): triedy IP adries: sieť stanice trieda A B C D 0xxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx 10xx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx 110x xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx 1110 xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx 32 bitov až až až až D: multicast ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 33

34 Jemnejšia IP adresácia: CIDR CIDR: Classless InterDomain Routing adresa: ľubovoľne dlhá úvodná časť IP adresy môže tvoriť sieťovú časť úplná adresa: a.b.c.d/x, kde x je počet bitov, ktoré predstavujú sieťovú časť sieťová časť stanica siete /23 maska: ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 34

35 Špeciálne IP adresy xxx...x /m adresa siete m xxx...x /m broadcast (obežník) siete m /32 moja adresa v lokálnej sieti broadcast lokálnej siete /8 loopback, ( = localhost) /8, /12, /16 privátne siete ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 35

36 Výpočet adresy siete adresa stanice: / logický AND maska: adresa siete: /23 ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 36

37 Výpočet broadcastovej adresy siete adresa stanice: invertovaná maska: / logický OR broadcast siete: /23 ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 37

38 Výpočet broadcastovej adresy siete adresa stanice: invertovaná maska: / logický OR broadcast siete: /23 Pozor! /23 je adresa stanice, nie siete ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 38

39 Vyskúšajte si Windows: ipconfig /all MAC adresa (spojová vrstva), IP adresa, maska, default gateway, default DNS server, (DHCP server a dĺžka platnosti) Unix: ifconfig MAC adresa, IP adresa, broadcastová adresa, maska MTU = maximal transfer unit ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 39

40 Prehľad prednášky Čo sa skrýva v routroch Virtuálne okruhy a sieť riadená datagramami IP: Internet Protocol Smerovacia tabuľka DHCP NAT Hlavička IP datagramu Fragmentácia a defragmentácia adresácia IPv4 40

41 Smerovacia tabuľka 4 miliardy možných záznamov cieľ maska brána rozhranie (24) (20) (20) (0) cieľ od cieľ do rozh Kam pôjdu?: ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 41

42 Smerovacia tabuľka 4 miliardy možných záznamov cieľ maska brána rozhranie (24) (20) (20) (0) najdlhší prefix cieľ od cieľ do rozh Kam pôjdu?: ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 42

43 Smerovacia tabuľka smerovaciu tabuľku má aj každá stanica vyskúšajte si: Unix: route -n alebo netstat -r Windows: route PRINT alebo netstat -r ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 43

44 IP adresy: kto mi ich dá? ISP má pridelenú sieť s relatívne malým počtom jednotiek v maske vyrába podsiete zákazníkov, napríklad: sieť ISP /20 Organizácia /23 Organizácia /23 Organizácia / Organizácia /23 ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 44

45 Adresovanie prefixom stačí menej záznamov v smerovacej tabuľke Organizácia /23 Organizácia /23 Organizácia /23 Organizácia / ISP A ISP B Pošli mi všetky dagaramy, ktoré majú prefix /20 Pošli mi všetky dagaramy, ktoré majú prefix /16 Internet ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 45

46 Adresovanie prefixom keď Organizácia 1 zmení providera, nemusí meniť IP adresy využijeme princíp dlhšieho prefixu Organizácia /23 Organizácia /23 Organizácia /23 Organizácia / ISP A ISP B Pošli mi všetky dagaramy, ktoré majú prefix /20 Pošli mi všetky dagaramy, ktoré majú prefix /16 alebo /23 Internet ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 46

47 Pridelovanie IP adries providerom organizácia IANA v Eurázii RIPE vyskúšajte si: whois ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 47

48 Delíme vlastnú sieť na podsiete Máme pridelenú sieť /23, na koľko nezávislých podsietí ju vieme rozdeliť? počet 1 v maske počet sietí max. počet staníc v 1 sieti max. počet pripojených staníc ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 48

49 Prehľad prednášky Čo sa skrýva v routroch Virtuálne okruhy a sieť riadená datagramami IP: Internet Protocol Smerovacia tabuľka DHCP NAT Hlavička IP datagramu Fragmentácia a defragmentácia adresácia IPv4 49

50 Ako nastaviť IP adresu? nastavenie ručne (staticky) administrátorom Windowsy: control-panel -> network -> configuration -> tcp/ip -> properties UNIXy: ifconfig alebo NetworkManager alebo zmena konfiguračných súborov,... DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol: dynamické pridelovanie adries DHCP serverom plug-and-play ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 50

51 DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol Cieľ: umožniť stanici získať dynamicky IP adresu zo servra v sieti, okamžite po tom, ako sa fyzicky pripojí do siete Stanica môže požiadať o obnovenie prenajatej (lease) adresy, ktorú používala pred tým, alebo ktorú práve používa a končí jej platnosť Jedna IP adresa môže byť prideľovaná viacerým staniciam, pokiaľ sa prvá odpojila a prišla iná viac používateľov pre malý počet voľných IP adries Ideálne pre mobilných používateľov Aplikačný protokol nad transportným protokolom UDP ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 51

52 DHCP scenár DHCP server prišiel DHCP klient a potrebuje IP adresu tejto siete ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 52

53 DHCP komunikácia DHCP server: DHCP discover src : , 68 dest.: ,67 REQiaddr: transaction ID: 654 DHCP klient čas DHCP request DHCP offer src: , 68 dest:: , 67 REQiaddr: transaction ID: 655 Lifetime: 3600 secs src: , 67 dest: , 68 YOURiaddr: transaction ID: 654 Lifetime: 3600 secs DHCP ACK src: , 67 dest: , 68 YOURiaddr: transaction ID: 655 Lifetime: 3600 secs neposiela ak žiada o obnovenie ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 53

54 DHCP server poskytne IP adresu masku default router default DNS servery dĺžku platnosti (lease time) ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 54

55 Prehľad prednášky Čo sa skrýva v routroch Virtuálne okruhy a sieť riadená datagramami IP: Internet Protocol Smerovacia tabuľka DHCP NAT Hlavička IP datagramu Fragmentácia a defragmentácia adresácia IPv4 55

56 NAT: Network Address Translation WAN Internet LAN lokálna sieť (napr. domáca sieť) / Všetky datagramy odchádzajúce z lokálnej siete majú rovnakú zdrojovú WAN IP adresu: , rôzne môžu byť zdrojové porty Datagramy so zdrojovou a zároveň cieľovou IP adresou z vnútra siete /24 fungujú tak, ako obvykle ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 56

57 NAT: Network Address Translation Motivácia: lokálna sieť sa javí navonok (z internetu) ako jeden počítač s jedinou IP adresou stačí ak nám provider (Antik) pridelí jednu IP adresu a môžeme pripájať viac počítačov môžeme meniť IP adresy vo vnútri lokálnej sieti bez účasti providera, aj klientov pre naše servery môžem zmeniť ISP bez zmeny vnútornej adresácie v lokálnej sieti zariadenia vo vnútornej sieti nie sú explititne adresovateľné a viditeľné z vonku nevieme ich priamo napadnúť (vylepšenie bezpečnosti). ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 57

58 NAT: postup 2: NAT router zmení zdrojovú adresu datagramu z , 3345 na , 5001, a doplní riadok 2 NAT prekladová tabuľka WAN adresa LAN adresa , , 3345 Z: , 5001 C: , Z: , 3345 C: , : stanica pošle datagram na , Z: , 80 C: , : príde odpoveď cieľová adresa: , 5001 Z: , 80 C: , : NAT router zmení cieľovú adresu datagramu z , 5001 na , ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 58

59 NAT: Network Address Translation čísla portov môžu byť S jedinou IP adresou viete robiť naraz vyše spojení! NAT je kontroverzný: obvykle ako doplnková služba routrov, ktoré by inak mali rozbaľovať iba po tretiu vrstvu dva počítače, každý za iným NATom nevedia za normálnych okolností priamo komunikavať možnosť, že klient je za NATom musí byť braná do úvahy pri tvorbe sieťových aplikácií napr. pri P2P zánik by mal priniesť protokol IPv6 ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 59

60 NAT traversal problem klient sa chce napojiť na server na adrese je lokálna adresa neexistujúca na internete (klient ju nemôže použiť ako cieľovú adresu) jediný viditeľný je NAT router: riešenie 1: statická konfigurácia NATu na preposielanie všetkých požiadaviek na určený port priamo na správny server napr. ( , port 2500) preposielame na ( , port 25000) klient NAT router ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 60?

61 NAT traversal problem riešenie 2: Univerzálny Plug and Play (UPnP) Internet Gateway Device (IGD) protokol. Umožňuje stanici v lokálnej sieti: zistiť verejnú IP adresu NAT routra ( ) zistiť existujúce mapovania portov pridávať/odoberať mapovania portov (na daný čas) NAT server IGD ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 61

62 NAT traversal problem riešenie 3: relaying/preposielanie (napr. v Skype) prijímateľ hovoru vytvorí spojenie na preposielateľa externý klient sa napojí na preposielateľa preposielateľ preposiela datagramy komunikácie klient 2. spojenie na preposielateľa od klienta 3. preposielanie 1. spojenie na preposielateľa z privátnej siete NAT router ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 62

63 Zhrnutie Čo sa skrýva v routroch Virtuálne okruhy a sieť riadená datagramami IP: Internet Protocol Smerovacia tabuľka DHCP NAT Hlavička IP datagramu Fragmentácia a defragmentácia adresácia IPv4 63

64 Ďakujem za pozornosť Modifikované slajdy z knihy: Computer Networking: A Top Down Approach, 4 th edition. Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley, July ÚINF/PSE1/03 Počítačové siete 64