1 курс Сети Часть 1

1. 1 курс Сети Часть 1 М.М. Степанова, каф. вычислительной физики, 2012

2. Литература: Сидни Фейт. TCP/IP. 2-е изд. – М:Лори, 2003. Т.Ли, Дж.Дэвис. Microsoft Windows 2000.TCP/IP.Протоколы и службы.-М:ЭКОМ, 2003 Мэтью Ногл.TCP/IP. Иллюстрированный учебник. М: ДМК Пресс, 2001 В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. 4 изд. - СПб.:Питер, 2010 Межсетевое взаимодействие. Ресурсы Microsoft Windows2000 Server– М:2001 Сети TCP/IP. Ресурсы Microsoft Windows 2000 Server. – М:2001 Стивенс Р. Протоколы TCP/IP. – СПб:БХВ, 2003 http://www.protocols.ru http://book.itep.ru http://www.citforum.ru/nets/ip/contents.shtml Введение в IP-сети

3. Введение Сеть – совокупность узлов, объединенных линиями связи Основное назначение:обеспечение пользователям доступа к разделяемым ресурсам всех компьютеров, объединенных в сеть Современные сети – логический результат эволюции компьютерных и телекоммуникационных технологий. Будущее– слияние не только технолгий WAN (Wide Are Network) и LAN(Local Area Network), но и любых информационных сетей – вычислительных, телефонных, телевизионных..

4. Немного истории Интернет • 1961 Leonard Kleinrock – статья по технологии коммутации пакетов • 1969 в СШАсоздана первая сетьARPANET - интерактивная работа пользователя с удаленным узлом - передача файлов между узлами - электронная почта - протокол NCP(NetworkControlProgram) • 1970 протокол TCP, Vinton Cerf& Bob Kahn ARPANET полностью переведена на TCP/IP в 1982г. • 1972 появилась система электронной почтыEmail,Ray Tomlinson & Larry Roberts • 1983– разработана технология Ethernet • 1984создана DNS (Domain Name System) –система преобразования IP-адресов в имена хостов и обратно • UC Berkeley implements TCP/IP into Unix 4.2BSD • 1984 NSFNet– создана сеть Национального научного фонда США -> “Интернет” В 1990г ARPANET прекратила существование. • 1989 Tim Berners-Lee at CERN • Протокол HTTP • Язык разметки гипертекста HTML • Опубликована первая web-страница 13 ноября 1990 • Первыйweb-браузер Mosaic, 1991 • 1998 – папа римский ИоаннПавел II утвердил всемирный День Интернета (30 сентября) :) Get more info at: http://www.isoc.org/internet/history/

5. Организация инфраструктуры Интернет С технической точки зрения ИНТЕРНЕТ- это объединение компьютерных сетей, которые работают по различным протоколам и используют для передачи данных все доступные типы линий связи - от телефонных до оптоволокна и спутниковых каналов. Структура: магистральная сеть (core backbone network) + автономные системы (autonomous systems, AS) Internet Backbone Maps http://www.nthelp.com/maps.htm

6. Требования к современным сетям Цель:обеспечение пользователям доступа к разделяемым ресурсам всех компьютеров, объединенных в сеть • Производительность - время реакции (отклика на запрос) -пропускная способность (бит/с, pkt/s) • Надежность - интенсивность отказов и время востановления - отказоустойчивость в экстремальных условиях • Расширяемость и масштабируемость • Поддержка разных видов трафика • Управляемость • Безопасность

7. Networking Standards Organizations Стандарты– документы, содержащие технические спецификации или другие точные критерии, которые определяют, как должен быть разработан программный или аппаратный продукт Организации, которые занимаются разработкой стандартов: • ISO (International Organization for Standardization)ассоциация ведущих национальных организаций разных стран • IAB (Internet Architecture Board)технический контроль и координация работ • IESG (Internet Engineering Steering Group ) + IETF (Internet Engineering Task Force) + IRTF (Internet Research Task Force) • IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers)крупнейшее инженерно-техническое общество в области электротехники и построения сетей - 802.3/CSMA/CD, 802.5/Token Ring, 802.2/LLC, etc. • EIA (Electronic Industries Alliance )промышленно-торговая группа производителей сетевого оборудования • TIA(Telecommunications Industry Association) - RS-232,EIA/TIA-568B etc.

8. Документы RFC • RFCs – Request For Comments • Большинство протоколов TCP/IP описаны вдокументах RFC • RFC редактируются и утверждаются Internet Engineering Steering Group (IESG) • RFC публикуются для интернет-сообщества и свободно доступны on-line. http://www.ietf.org/rfc.html + http://www.protocols.ru • Предварительными версиями документов RFC являются проекты (drafts), которые в дальнейшем могутбыть утверждены в качестве стандартов. Из тысяч RFC только несколько десятков являются документами в статусе «стандарт Интернета». Список всех RFC-стандартов содержится в RFC 3700. Интернет – сеть с открытыми стандартами

9. Сетевое взаимодействие:процессы + хосты + сети Конечные объекты, между которыми происходит взаимодействие по сети – процессы (или программы), работающие на разных узлах. Чтобы организовать связь двух процессов, необходимо сформировать язык их общения и определить согласованный набор правил взаимодействия (протокол). Процессы выполняются на узлах (хостах), подключенных к сети, которые могут быть расположенных далеко друг от друга. Для доставки данных между узлами нужно обеспечить единую адресацию узлов и маршрутизацию пакетов. А узлы должны выполнять доставку нужному процессу. Узлы связаны сетью, причем могут иметь подключение к сегментам с разной средой передачи. На уровне каждого физического сегмента требуется обеспечить передачу пакетов между физическими интерфейсами узлов. В целом задача организации надежной связи крайне сложна, т.к. сети содержат много различных промежуточных компонент, кроме того возможны коммуникационные проблемы (сбои, перегрузки и т.п.). => Нужна декомпозиция на подзадачи и реализация отдельных модулей (уровней).

10. Process Process Interface Transport Transport Peer-to-peer Protocols Network Network Data Link Data Link Общая концепция модели многоуровневого сетевого взаимодействия Каждый уровень несет собственную функциональную нагрузку. Для каждого уровня определены: • Service: что делает уровень? - функции уровня • Service interface: как получить доступ к уровню? - интерфейс для выше/ниже лежащих уровней • Protocol (peer interface): как взаимодействуют одинаковые уровни разных узлов? - набор правил и форматов сообщений, которые регулируют обмен данными между двумя одинаковыми уровнями Согласованный набор протоколов разных уровней, достаточный для организации межсетевого взаимодействия, называется стеком протоколов

11. Data Application Application Presentation Presentation Session Session Transport Transport Network Network Data Link Data Link Physical Physical Physicalmedia OSI (Open Systems Interconnect) Reference Model (ISO 7498) • Модель OSI – опорная база для классификации и сопоставления стеков протоколов. • Разработана в 1984гМеждународной Организацией по стандартам (ISO). • Имеет 7 уровней. Уровни могут быть реализованы в программном, программно-аппаратном и аппаратном виде. • Инкапсуляция: При продвижении данных каждый уровень формирует пакет, состоящий из данных вышележащего уровня + свой заголовок. • Обработка: Обратная процедура – каждый уровень обрабатывает и удаляет свой заголовок и передает пакет вышележащему уровню.

12. Функции уровней

13. Application Application-Layer Protocols ~ such as SNMP, telnet, FTP, HTTP, POP3, etc. ~ Application Presentation Session User Datagram Protocol (UDP) RFC 768 ~ connectionless transport ~ Transmission Control Protocol (TCP) RFC 793 ~ connection-oriented transport ~ Transport Transport Network Internet Control Messaging Protocol (ICMP) RFC 792 Internet Protocol version 4 (IPv4) RFC 791 Network ARP RARP Media Access Control Ethernet 802.3, Token Ring 802.5, Wireless 802.11, X.25, PPP, etc. Data Link DataLink Physical Стек TCP/IP OSI TCP/IP */ Уровень доступа к среде передачи (DataLink), как и физический, формально в TCP/IP не регламентируется, но в реализациях стека поддерживаются все популярные технологии.

14. Инкапсуляция сетевых пакетов

15. Уровни адресации Для однозначной доставки дейтаграммы требуется: */ MAC адрес определяется автоматически на каждом этапе пересылки между шлюзами

16. Формирование пакета стеком ТСP/IP • HTTP Data • GET / HTTP/1.1 \r\n • Host: www.my.ru • ..other header lines.. • + TCP Header • Port_dst:80 • Port_src:13298 • + IP Header • IP_dst:128.143.71.21 • IP_src:10.20.20.12 • Proto:0x06(tcp) • + Ethernet Header • MAC_dst:00:e0:f9:23:a8:20 • MAC_src:00:12:e3:7f:34:1a • Type:0x800(ip)

17. Как выглядит реальный пакет? Dump (HEX): 00e0 f923 a820 00a0 2471 e444 0800 4500 002c 9d08 4000 8006 8bff808f 8990 808f4715 065b 0050 0009 465b 0000 0000 6002 2000598e 0000 0204 05b4 Гораздо интереснее посмотреть живьем, например, анализатором трафика Wireshark…

18. Next • О средах передачи, типах сетевого оборудования, технологиях канального уровня LAN (Еthernet и др.)см. презентации • 2.2-12-Ethernet+TokenRing.ppt • 2.1-12-Media+HW.ppt • Наканальном уровне обеспечивается передача между сетевыми интерфейсами узлов, находящихся в одном физическом сегменте сети. Для адресации интерфейса используется его 48-битный MAC-адрес. Если пакет предназначен узлу, находящемуся в том же сегменте, • то используется MAC этого узла. Если пакет предназначен узлу из другой сети, то пакет должен быть передан на маршрутизатор – соответственно, используется MAC интерфейса маршрутизатора. • Отображение IP-адресов на MAC-адреса осуществляется с помощью протокола ARP.( Не обязательно, но при желании с деталями работы ARP можно ознакомиться по ARP-2011-1.ppt ) • Далеекратко рассматриваются основы работы сетевого и транспортного уровня стека TCP/IP, а также назначение базовых протоколов прикладного уровня.

19. Ключевые функции сетевого уровня • Глобальная адресация • Маршрутизация • Фрагментация и сборка пакетов Все эти функции реализуются в протоколе IPv4

20. Host Host Internet Company A Company B Introduction to TCP/IP Addresses Уникальная адресация узлов допускает связь между конечными станциями: • Выбор пути следования пакета определяется адресом узла назначения. • Каждый роутер выполняет маршрутизацию пакетов на основе таблицы маршрутизации, в которой всем IP-сетям/адресам cопоставленсвой маршрут и интерфейс для передачи.

21. IP Addresses • IPадрес – логический адрес (не физический, как MAC!) •Каждый узел должен иметь уникальныйIP адрес • Выделением IP адресов в глобальном адресном пространстве занимаетсяICАNN (Internet Corporation for AssignedNames and Numbers), в регионах RIR(Regional Internet Registry, существует 5 штук). Россия относится к регионуRIPE NCC - независимая некоммерческая организациядля Европы, которая поддерживает инфраструктуру Интернет посредством технической координации. Подробнее http://ipgeobase.ru/Help.html Адрес IPv4: 32 bits Decimal: 195. 19 . 40 . 56 Binary: 11000011 . 00010011 . 00011110 . 00101000 HEX: C3 . 13 . 1Е . 28 • IP адрес включает net ID и host ID

22. IP Address Classes Range of first octet: 1 – 127 128 -191 192-223 224-239 240-247

23. Special adresses • network address (адрес сети) • limited broadcast (пакет с таким адресом назначения должен рассылаться всем узлам, находящимся в той же сети, что и источник этого пакета) • broadcast (пакет, имеющий такой адрес рассылается всем узлам сети с заданным номером) • Loopback interface: 127.0.0.0 – 127.255.255.255

24. Broadcast Addresses 172.16.3.0 172.16.4.0 172.16.1.0 172.16.2.0 172.16.3.255 (Directed broadcast) X 255.255.255.255 (Local network broadcast)

25. Private networks Эти адреса не маршрутизируются на уровне Интернет и предназначены для использования только в пределах локальной сети: A: 10.0.0.0 - 10.255.255.255 B: 172.16.0.0 – 172.31.255.255 C: 192.168.0.0 – 192.168.255.255 Эти адреса зарезервированы для автоматического назначения динамических приватных адресов (DHCP): 169.254.0.0 – 169.254.255.255

26. NAT: Network Address Translation Сетевая трансляция адресов – удобный способ обеспечить доступ к Интернет узлам LAN с приватными адресами. • Обоснование: локальная сеть использует один внешний адрес для работы с внешним миром: • Нет необходимости в аренде большого количества адресов у провайдера для каждого устройства • Можно легко переходить на работу с другим провайдером, без переконфигурирования LAN • Безопасность: устройства внутренней сети не адресуются (не видимы) снаружи.

27. 3 1 2 4 S: 10.0.0.1, 3345 D: 128.119.40.186, 80 S: 138.76.29.7, 5001 D: 128.119.40.186, 80 1: host 10.0.0.1 sends datagram to 128.119.40, 80 2: NAT router changes datagram source addr from 10.0.0.1, 3345 to 138.76.29.7, 5001, updates table S: 128.119.40.186, 80 D: 10.0.0.1, 3345 S: 128.119.40.186, 80 D: 138.76.29.7, 5001 NAT: Принцип работы NAT translation table WAN side addr LAN side addr 138.76.29.7, 5001 10.0.0.1, 3345 …… …… 10.0.0.1 10.0.0.4 10.0.0.2 138.76.29.7 10.0.0.3 4: NAT router changes datagram dest addr from 138.76.29.7, 5001 to 10.0.0.1, 3345 3: Reply arrives dest. address: 138.76.29.7, 5001

28. Бесклассовая адресация.Subnetting. Mask. • Причина перехода к бесклассовой адресации – неравномерность распределения IP-адресов. Потребность в небольших сетях (класса С) оказалась гораздо больше, чем предполагалось. • Граница подсети может приходиться на любой из 32 бит в IP адресе • Задается маской подсети В маске сетевая часть адреса заполнена единицами, узловая нулями,пример:255 . 255 . 255 . 224 Другой способ записи: адрес_сети/число_бит_net_ID, пример: 140.192 . 9. 63 /27 Маска: 11111111 11111111 11111111 1111 0000 Изменяемая часть (узел) Неизменяемая часть (подсеть) Количество единиц в маске <=> в десятичной форме: 255.255.255.240 <=> / 28

29. Маршрутизация(routing) • Для доставки дейтаграммы по назначению обычно требуется передать ее через несколько промежуточных узлов по тому или иному маршруту. Задача определения маршрута решается модулем IP. • Процедура маршрутизации состоит в определении следующего узла в пути следования и пересылке ему дейтаграммы. • ! Задачу маршрутизации решает каждый узел (не только роутер). Разница между обычным компьютером и роутером лишь в том, что последний может передавать чужие дейтаграммы с одного интерфейса на другой ! • Модуль IP, на узле получившем дейтаграмму, анализирует IP-адрес назначения • если этот адрес совпадает с собственным адресом узла, то дейтаграмма передается на обработку транспортному уровню; • если адрес чужой, ион не попадает под правила фильтрации (firewall), то просматривается таблица маршрутизации (routing table). Из нее определяется • а) следующий узел следования, которому будет передана дейтаграмма; б) интерфейс, через который она будет отправлена. • Далее выясняется MAC-адрес следующего узла (с помощью ARP-протокола) • и дейтаграмма передается канальный уровень для отправки.

30. Обработка дейтаграмм IP-модулем

31. fragmentation: in: one large datagram out: 3 smaller datagrams reassembly IP Fragmentation & Reassembly • Разные сети имеют различный максимальный размер передаваемого блока данных MTU(Max.Transfer Unit). Он определяется средой передачи и технологией канального уровня, которая используется в конкретной сети. • При передаче из среды с большим MTU в среду с меньшим MTU может потребоваться фрагментация – разбиение исходного пакета на несколько мелких. • Такие фрагменты передаются дальше независимо, сборка осуществляется на узле-получателе.

32. Протокол IPv6 • IPv6 – следующее поколение протокола IP. • Основная мотивация для его создания - 32-битное адресное пространство почти исчерпано. В IPv6 используются 128-битные адреса, что с избыткомзакрывает вопрос дефицита адресов • Дополнительные изменения: • изменен формат заголовка, что существенно ускоряет обработку и маршрутизацию пакетов; • не будет использоваться фрагментация пакетов по пути следования – на основании алгоритма Path MTU Discovery отправитель будет изначально выяснять минимальный MTU и отправлять пакеты соответствующего размера; • Протокол содержит встроенные средства безопасности, а именно в него интегрированы AH и IPSec, что позволяет использовать механизмы аутентификации и шифрования. См. далее 2-12.ppt