Seminární práce pro předmět Technologie sítí WAN (CCNA4) Síťové modely, základy IP adresování Autor: Jan Bílek e-mail: xbilek14@stud.fit.vutbr.cz datum:27. 2. 2008
Obsah TCP/IP a OSI síťové modely...3 TCP/IP síťový model...3 OSI síťový model...5 Srovnání vrstev modelů TCP/IP a OSI...6 Základy IP adresování...7 Úvod...7 IP adresování...7 Skupiny IP adres...8 Podsítě...9 IP směrování...10 Zdroje...10 2
TCP/IP a OSI síťové modely Termín síťový model používá k označení sady dokumentů. Tyto dokumenty popisují funkce potřebné k zajištění provozu sítě, může se jednat například o definici protokolů, pravidel, nebo fyzických požadavků (výše napětí v kabeláži a jiné). Dohromady tyto modely popisují podmínky pro korektní funkčnost sítě. Síťové modely jsou zpravidla děleny do několika vrstev, tyto vrstvy oddělují jednotlivé úrovně komunikace v rámci modelu. Pro informování navzájem komunikujících stran využívá každá vrstva hlaviček, hlavičky jsou přidány k odesílaným datům TCP/IP síťový model Nejběžnějším protokolem, který podporuje téměř každá síť a zařízení (od počítačů až po mobilní telefony) je protokol TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol). TCP/IP model pochází od ministerstva obrany USA, do jeho vývoje se zapojila řada dobrovolníků a podařilo se jim vytvořit model užívající velmi kvalitní protokoly. Detaily protokolů využívaných v tomto modelu mohou být nalezeny v RFC dokumentu (Requests for Comments). Implementace těchto protokolů poskytuje značnou jistotu, že zařízení, které je využívá, bude schopno komunikace s dalšími zařízeními taktéž využívajícími protokolů TCP/IP. Model dělí protokoly do následujících čtyřech vrstev: Aplikační (HTTP, POP3, SMTP) Transportní (TCP, UDP) Internetová (IP) Vrstva síťového rozhraní (Ethernet, Frame Relay) Aplikační vrstva TCP/IP modelu Protokoly aplikační vrstvy modelu poskytují služby na počítači běžícím aplikacím. Vrstva poskytuje rozhraní mezi aplikacemi a samotnou sítí, poskytuje služby, které aplikace potřebují (například přenos souborů). Zařízení komunikující v rámci aplikační vrstvy si předávají informace o probíhající komunikaci v podobě hlaviček aplikační vrstvy, za kterou mohou, ale také nemusí následovat odesílaná data. Koncept této komunikace využívající hlaviček aplikační vrstvy je nezávislý na použitém aplikačním protokolu. Nejběžnějším protokolem pracujícím na této vrstvě je protokol HTTP (Hypertext Transfer Protocol). Transportní vrstva TCP/IP modelu Pokud na aplikační vrstvě nalezneme celou řadu různých protokolů, u transportní vrstvy 3
je situace zcela odlišná. Zde se vyskytují pouze 2 protokoly, jmenovitě TCP (Transmission Control Protocol) a UDP (User Datagram Protocol). Protokoly transportní vrstvy poskytují služby protokolům vyšší vrstvy, tedy vrstvy aplikační.jednou z těchto služeb je v případě protokolu TCP zaručení spolehlivosti přenosu dat, tím je zaručeno, že každý požadavek, odpověď či jakákoli jiná uskutečněná komunikace dorazí k protější straně. Protokol TCP zajišťuje zotavení z případných chyb užitím potvrzování. Například v případě, kdy je z jednoho počítače na jiný zaslána HTTP get žádost, je v rámci transportní vrstvy požadováno od druhé strany, aby potvrdila příjem žádosti. Druhá strana tedy odešle potvrzení o přijetí, následně zpracuje požadavek a pošle žadateli odpověď na jeho žádost HTTP get, zároveň s ní je ale v rámci transportní vrstvy od žadatele opět požadováno potvrzení o přijetí odpovědi. Tímto principem je tedy zajištěna spolehlivá komunikace. Internetová vrstva TCP/IP modelu Internetová vrstva je definována především protokolem IP (Internet Protocol), ten definuje IP adresy (každý počítač má odlišnou nemusí být pravda NAT,...), proces směrování v rámci sítě a stará se o doručování packetů ke správnému cíli. Děje v internetové vrstvě jsou často přirovnávány k fungování pošty při rozesílání poštovních zásilek, toto přirovnání je velice trefné a pro základní představu o dějích v této vrstvě se odehrávajících dostačující. Shrnutí: IP (protokol internetové vrstvy) umožňuje zařízením zařízením v rámci sítě mít unikátní adresy, které slouží k jejich jednoznačné identifikaci a umožňuje jiejich vzájemnou komunikaci a stará se o směrování v rámci sítě (předávání informací mezi zapojenými síťovými zařizeními například routery) vrstva síťového rozhraní TCP/IP modelu Vrstva síťového rozhraní definuje protokoly a hardware nutné pro doručení dat ve fyzické síti. V rámci této vrstvy je definován způsob propojení zařízení a média, pomocí něhož bude přenos v síti realizován. Jako příklad protokolu síťové vrstvy si můžeme uvést Ethernet. Ten definuje požadovanou kabeláž, adresy a protokoly, které užít pro vytvoření sítě Ethernet LAN. Pro sítě WAN pak existuje celá řada různých protokolů definujících obdobné specifikace, jako Ethernet pro sítě WAN. Vrstva obsahuje celou řadu protokolů již zmíněný Ethernet (všechny varianty), PPP (Point-to.Point Protocol), Frame Relay a další. Protože internetová vrstva nezahrnuje informace o fyzických sítích, jsou tyto služby poskytovány právě vrstvou síťového rozhraní. Data jsou obohacena o hlavičku a patičku příslušného protokolu (Ethernet, PPP,...) a patřičným způsobem odeslána na další bod v rámci sítě, zde jsou hlavička a patička odebrány, přiřazeny nové a data odeslána na další zařízení. 4
OSI síťový model Druhým významným síťovým modelem, který bude zmíněn, je model OSI (Open systém Interconnection). OSI model byl prvním pokusem o vytvoření nezávislého síťového modelu. Před jeho vznikem každý výrobce síťových zařízení využíval vlastního modelu, to znevýhodňovalo menší výrobce (museli se přizpůsobovat věřším výrobcům z důvodu možnosti komunikovat s jejich zařízeními), proto se mezinárodní stadardizační organizace (ISO) rozhodla připravit na výrobci nezávislý síťový model. To, že se OSI model neuplatnil v masové míře, má svůj původ v pomalém formálním standardizačním procesu. Přestože OSI model není v běžné praxi využíván, mnoho termínů vychází právě odtud. Model OSI se dělí na 7 vrstev: Aplikační Prezentační Relační Transportní Síťová Spojová Fyzická Aplikační vrstva OSI modelu Vrstva poskytuje rozhraní pro komunikaci mezi aplikacemi běžícími na rozdílných počítačích. Definuje také procesy pro autentizaci uživatelů Prezentační vrstva OSI modelu Nejdůležitější funkcí této vrstvy je definice a vyjednání datových formátů. Jedná se například o JPEG, ASCII, BCD, EBCDIC a další. Relační vrstva OSI modelu Vrstva definuje způsoby navázání, ukončení a ovládání komunikace. Správa mnohonásobných dvousměrných zpráv poskytuje důležitou službu prezentační vrstvě v tom ohledu, že ta již může s příchozími daty pracovat jako s nepřerušovaným proudem. Transportní vrstva OSI modelu Vrstva se zaměřuje na služby doručení dat na jiné zařízení, zotavení z chyb při přenosu a kontrolu toku dat. 5
Síťová vrstva OSI modelu Vrstva definuje logické adresování, směrování a určení cesty v rámci sítě. Logické adresování popisuje adresy přidělené zařízením pro proces směrování, ve kterém síťová zařízení data předávají dalším směrem k cílovému zařízení, cesta pro předání je vybrána dle definic, které se snaží zajistit výběr nejvhodnější z možných. Spojová vrstva OSI modelu Zde se nachází definice popisující kdy může zařízení odeslat data přes dané médium a definice hlaviček a patiček pro dané médium. Fyzická vrstva OSI modelu Zde přítomné stadardy (většinou pocházející od jiných organizací) definují fyzikální vlastnosti přenosového média, použitá napětí, kódování a další specifikace pro přenos dat. Srovnání vrstev modelů TCP/IP a OSI OSI model Aplikační vrstva Prezentační vrstva Relační vrstva Transportní vrstva Síťová vrstva Spojová vrstva Fyzická vrstva TCP/IP model Aplikační vrstva Transportní vrstva Internetová vrstva Vrstva síťového rozhraní Z výše uvedené tabulky zřetelně vidíme, že TCP/IP model zahrnuje do definice aplikační vrstvy hned tři vrstvy OSI modelu, jmenovitě aplikační, prezentační a relační vrstvu. Také vrstvy zabývající se komunikací po daném médiu a její fyzickou realizací, tedy vrstva spojová a fyzická, jsou v modelu TCP/IP sloučeny do jediné vrstvy síťového rozhraní. 6
Základy IP adresování Úvod IP adresování spadá pod síťovou vrstvu OSI síťového modelu. Ta definuje směrování a logické adresování. OSI model sice pro třetí vrstvu definuje protokol CLNS (Connectionless Network Services), ale ten se v praxi vpodstatě nepoužívá. Místo něj je používán IP protokol, který se nachází v definici internetové vrstvy TCP/IP síťového modelu. Ještě v nedávné minulosti jsme však se mohli setkat i s jinými protokoly (IPX, DPP a další). V rámci IP protokolu se provádí směrování dat ze zdrojového k cílovému zařízení. Toto směrování je provedeno jednoduchým způsobem se snahou vykonat pro každý směrovaný packet co nejméně, je tomu tak proto, že je často třeba směrovat velké množství dat. Z toho důvodu je IP bezspojovým protokolem, to znamená, že se neprovádí komunikace pro navázání spojení před samotným odesláním dat. IP se tedy pokusí packet doručit, ale pokud dojde k potížím a data nemohou být doručena, jsou jednoduše odhozena bez pokusu o nápravu chyby. IP adresování Existují dvě verze IP adresování IP verze 4 (IPv4) a IP verze 6 (IPv6). V tomto textu bude pojednáváno o verzi 4, pokud tedy bude zmíněna IP adresa, je myšlena IP adresa verze 4, IP adresa verze IP adresa se skládá z 32 bitového čísla, pro lepší čitelnost se toto číslo zapisuje v tečkové desítkové notaci, tedy jako čtyři trojčíslí oddělená tečkami vyjádřená v desítkové soustavě. Každé trojčíslí potom reprezentuje osm bitů z původního 32 bitového čísla (takzvaný oktet) a může nabývat hodnot od 0 do 255. Pokud jako příklad vezmeme IP adresu 192.168.0.1, potom první oktet má hodnotu 192, druhý 168, třetí 0 a čtvrtý oktet hodnotu 1 binární reprezentace této adresy je 11000000.10101000.00000000.00000001 zde vidíme, že se skutečně jedná o 32 bitové číslo, které je pouze odlišně zapisováno pro lepší čitelnost Teoreticky je tedy možné obsáhnout 4 294 967 296 různých rozhraní, toto číslo však ve skutečnosti neodpovídá, protože pro adresy platí různá omezení a různé hodnoty jsou rezervovány pro různé účely. Kazdé síťové rozhraní musí mít rozdílnou IP adresu. Pokud má jedno zařízení více síťových rozhraní, musí mít každé z nich vlastní adresu. Ve skutečnosti tedy není ip adresa přidělena počítači, ale jeho síťové kartě. 7
Skupiny IP adres Původní specifikace TCP/IP rozdělovala IP adresy do skupin za sebou následujících adres. Adresy v rámci jedné sítě musí mít dle této specifikace hodnotu dané počáteční části shodnou. Adresu sítě zapisujeme tak, že vezmeme část IP adresy, která vyjadřuje adresu sítě a zbylou část do plné IP adresy doplníme nulami. Například při síťové adrese 172.16.0.0 musí všechny adresy patřící do této sítě začínat na 172.16. Díky tomu mohou routery vybudovat směrovací tabulky pro sítě, potom stačí určit, ve které síti se požadovaná adresa nachází a data přeposlat odpovídajícímu routeru. Z tohoto dělení vyvstávají také dvě důležitá pravidla. 1. Adresy náležející do jedné skupiny nesmí být odděleny routerem 2. Adresy oddělené routerem musí náležet do rozdílných skupin To, kolik bitů z dané IP adresy je společných pro celou síť je odvozeno od tříd IP adres. Třídy IP adres jsou zahrnuty v definici IP protokolu. Zde jsou definovány tři třídy pro individuální použití poskytovatelů třída A, B a C zahrnují unicastové IP adresy. Třída D potom zahrnuje multicastové adresy a třída E zahrnuje adresy pro experimentální použití. Třída A Síťovou částí adresy třídy A je její první oktet, zbylé tři oktety jsou volně nastavitelné uživatelem. Např. adresa 8.0.0.0 Třída B Síťovou částí adresy třídy B jsou první dva oktety, zbylé dva jsou potom volně nastavitelné uživatelem Např. adresa 172.16.0.0 Třída C Síťovou částí adresy třídy C jsou první tři oktety, to pro nastavení uživatelem nechává jeden oktet Např. adresa 199.1.1.0 Z důvodu zápisu adresy sítě s nulami na místě uživatelské části není možné tento tvar adresy přiřadit některému rozhraní, jsou rezervovány. Jejich užití také jako IP adresy by bylo velmi matoucí. Rovněž adresa, kdy jsou všechny bity části uživatele zaplněny jedničkami, je rezervována, užívá se jako adresa broadcastu dané sítě. Při poslání packetu na tuto adresu je daný packet rozeslán na všechna rozhraní připojená k síti. Všechny adresy mezi adresou sítě a adresou broadcastu jsou platnými adresami dané sítě. V rámci internetu platí o třídách Každý počítač připojený k internetu potřebuje unikátní IP adresu Sítě tříd A, B nebo C jsou přidělovány dle rozsahu sítí, pro které jsou určeny 8
sítě tříd A největším a sítě tříd C nejmenším. Každé číslo sítě je přiřazeno pouze jedné organizaci, pro zajištění neduplicity adres Podmínky pro přidělování se sice s časem měnily, ale pro naši představu již vysvětlené postačuje. Podsítě Podsítě se tvoří z tříd A, B nebo C tak, že se rozdělí do několika menších částí IP adres. Tím se neruší platnos pravidel tříd, ale v rámci jedné sítě dané třídy vzniká množství menších podsítí. Využívají se především z důvodu většinou velkého plýtvání adres, pokud by byly použity pouze třídy. Leckterá síť by totiž nedokázala využít celý rozsah, který by jí byl přidělen. IP adresa se při použití podsítě dělí na tři části adresu sítě adresu podsítě uživatelská část Adresa podsítě tedy ubírá díl části poskytovatele, nikdy nemůže dojít k tomu, že by ubrala část adresy sítě. Směrování se v případě užití podsítí odehrává na základě informací o podsítích (ne tedy samotných sítích). Na síť s vytvořenými podsítěmi existují dva různé pohledy výše zmíněný, kdy strukturu vidíme jako siť, podsíť a poskytovatelovu část třídní adresování a pohled, kdy síť a podsíť splývají beztřídní adresování. Beztřídní adresování je využíváno v procesu směrování. Beztřídní adresování Adresa podsítě Uživatelská část Třídní adresování Adresa sítě Adresa podsítě Uživatelská část IP adresování s podsítěmi využívá síťovou masku, která jasně odděluje bity, které patří k adrese podsítě a bity uživatelské části. Síťová maska má podobu 32 bitového čísla, kde v binární podobě začíná jedničkami a od určité pozice pokračuje nulami. Potom bity IP adresy v masce označené jedničkami jsou adresou podsítě a bity označené nulami adresou sítě. 9
IP Směrování Protože IP směrování již přímo nespadá do tématu této práce, zmíním jen několik základních skutečností. IP směrování využívá vlastností IP adres. Ty byly s ohledem na své užití při směrování navrhovány, takže jsou k tomuto přímo uzpůsobeny. Při výběru směru, kam budou data zaslána, zařízení používá jednoduché rozhodování: pokud je adresa ve stejné podsíti, odeslat packety přímo k cílovému zařízení pokud je adresa v jiné podsíti, odeslat data na adresu výchozí brány Router potom používá následující pravidla rozhodování: Zkontrolovat chyby v přijatém rámci, pokud rámec chyby obsahuje, je zahozen odstranit hlavičku a patičku spojové vrstvy porovnat adresu IP packetu se směrovací tabulkou a vybrat odchozí rozhraní a adresu následujícího skoku Přidat novou hlavičku a patičku spojové vrstvy a odeslat rámec Zdroje W. Odom: CCENT/CCNA ICDN1, Cisco Press, 2008 Wikipedia [online], adresa: cs.wikipedia.org 10