Technologie Internetu

Technologie Internetu

wykład 1: Architektura Internetu Piotr Habela

Polsko-Japońska Wyższa Szkoła

Technik Komputerowych

Plan wykładu

• Sieci i intersieci – motywy, rozwój, problemy

• Warstwa sprzętowa – zagadnienia

• Model warstwowy protokołów sieciowych

• Zestaw protokołów TCP/IP

• Warstwa interfejsu sieciowego (protokół IP, adresy IP, ich odwzorowania, ICMP)

• Warstwa transportu

• Interfejsy do protokołów komunikacyjnych

• Standaryzacja protokołów internetowych

Zagadnienia nie omawiane

• Zagadnienia fizyczne przesyłania sygnałów;

• Rodzaje łączy; technika w warstwie sprzętowej;

• Topologie sieci;

• Szczegóły protokołów niższych warstw;

Wybrane ważne daty (1)

• 1945 – Vannevar Bush – artykuł „As We May Think”

(Atlantic Monthly) z ideami leżącymi u podstaw hipertekstu;

• 1954 – Powstanie ARPA;

• 1965 – Paul Baran z RAND Corporation: „On Distributed Communication Network” – koncepcja zdecentralizowanej, odpornej na awarie licznych węzłów sieci komputerowej.

• 1971 – Ray Tomilson: pierwszy program poczty elektronicznej;

• 1972 – Telnet;

• 1 września 1969 – Pierwsze węzły sieci ARPA-NET;

• 1973 – Pierwsze połączenia międzynarodowe (do Wielkiej Brytanii i Norwegii).

• 1974 – Vinton Cerf i Bob Kahn: „A protocol for Packet

Intercommunication”: TCP, termin “Internet”;

Wybrane ważne daty (2)

• 1975 – zmiana statusu ARPA-NET z eksperymentalnej na użytkową;

• 1982 – ARPA-NET wprowadza protokół TCP/IP

• 1984 – powstaje DNS;

• 1990 – ARPA-NET kończy działalność;

• 1991 – Polska dołączona do Internetu;

• 1992 – Tim Berners Lee: podstawy WWW

• 1993 – Mosaic – pierwsza przeglądarka

• 1994 – Pierwszy SPAM: f-ma prawnicza Canter i Siegel

wysyła list do 6 tys. grup dyskusyjnych (loteria pozwoleń na pracę w US);

• 1995 – prywatyzacja Internetu, Netscape, Java;

• 1995 – WWW wyprzedza FTP;

Warstwa sprzętowa – problemy do rozwiązania

• Podział strumienia danych na pakiety (ramki): istotne dla koordynacji i podziału czasu (wspólne medium!);

• Wykrywanie kolizji;

• Kontrola poprawności transmisji: bity parzystości, sumy kontrolne lub CRC (Cyclic Redundancy Check):

algorytm (indeksy przesuwające, bramki XOR, sprzężenie zwrotne)

=> wielomian komunikatu; dość skuteczny przy identyfikowaniu błędów; łatwość sprawdzenia przez odbiorcę;

• Identyfikacja adresata (sygnał dociera do wszystkich maszyn…): adresy sprzętowe;

• Interpretacja komunikatu: identyfikatory typów ramek;

Postać ramki:

 preambuła;

 stałej długości nagłówek:

adres nadawcy, adres odbiorcy, typ ramki;

 CRC

Adresy sprzętowe

• Zwane MAC (Media Access Control), tj. adres dostępu do nośnika; Ethernet: 48 bitów.

• Interfejs sieciowy filtruje ramki nie obciążając „cudzymi”

procesora;

• Sposoby określania: statyczne, konfigurowalne, dynamiczne;

• Prefiksy statycznych adresów przydzielane przez IEEE (zob. http://standards.ieee.org/regauth/oui/oui.txt ).

• Ponadto istnieje zarezerwowany adres rozgłaszania; oraz możliwość definiowania adresów grupowych;

• Dalsza identyfikacja – typ ramki. Kod może

identyfikować rozwiązanie danej firmy, albo

ustandaryzowany protokół wyższej warstwy.

Model warstwowy OSI (Open Software Interconnection)

7. Aplikacji: usługi realizowane przez aplikacje.

6. Prezentacji danych: format wymiany danych, ich ewentualne szyfrowanie. (zwykle nie występuje)

5. Sesji: nawiązywanie i zamykanie połączeń (związana z

dużymi systemami wielodostępnymi – straciła na znaczeniu) 4. Transportu: podział danych, gwarancja dostarczenia,

weryfikacja.

3. Sieciowa: logiczne adresy zamienia na sprzętowe, pakiety logiczne dzieli na ramki danych.

2. Łącza: interpretowanie przesyłanych bitów jako ramek.

1. Fizyczna: przesyła nieprzetworzone bity danych przez nośnik.

Zestaw protokołów TCP/IP

• Zbudowany dla ARPAnet-u (sieci naukowej wchodzącej w skład DDN – Defence Data Network). TCP i IP =

najpopularniejsze w zestawie protokołów.

• Jest to zestaw warstwowy. Podział motywowany:

– Złożonością zadania;

– Heterogenicznością istniejących sieci składowych;

– Specjalizacją poszczególnych protokołów do zastosowań.

• Przykładowo: poczta umożliwia przesyłanie listów;

wymaga niezawodnego połączenia od TCP, IP przekazuje datagramy, Ethernet zarządza medium.

• Droga przebywana przez komunikat – całkowicie przezroczysta dla użytkownika.

• Inne zestawy – np. IPX/SPX (Novell); NetBIOS, NetBEUI

(IBM).

Zestaw protokołów TCP/IP

• Zwykle wyróżnia się następujące warstwy:

– Warstwa aplikacji (Telnet, FTP, e-mail…). Także SMNP (Simple Network Management Protocol).

– Transportowa (TCP, UDP). TCP zapewnia wiarygodny (reliable) przepływ danych (porcjowanie, timeouts). UDP przesyła datagramy nie gwarantując ich dotarcia.

– Sieciowa (IP, ICMP, IGMP). Albo warstwa internetowa.

Obsługuje ruch pakietów poprzez sieć. Między innymi zachodzi tu rutowanie pakietów. Internet Protocol, Internet Control

Message Protocol, Internet Group Management Protocol.

– Połączeniowa (sterowniki urządzenia i karta interfejsu

sieciowego; np. Ethernet, token ring, użycie ARP i RARP) Albo warstwa interfejsu sieciowego. Wszelkie szczegóły fizycznej komunikacji.

[R]ARP = [Reverse] Address Resolution Protocol

Intersieć

• Sieć wirtualna, realizująca model jednolitych usług.

• Architektura musi uwzględniać heterogeniczność sieci składowych.

• Sprzętowe adresy dla intersieci nie wystarczają, gdyż każda z podsieci może używać innego formatu =>

wprowadzono abstrakcyjne adresy protokołowe.

Pozwalają odwoływać się do działającego na odległej maszynie procesu, bez znajomości jej adresu

sprzętowego.

Protokół IP

• Określono format niezależny od konkretnego sprzętu:

uniwersalny, wirtualny pakiet, zwany datagramem.

Rozmiar od 1 oktetu do 64K.

• IP nie obsługuje takich problemów jak:

– duplikowanie datagramów;

– dostarczanie z opóźnieniem lub nie w kolejności;

– uszkodzenie danych;

– utrata datagramów.

• Nagłówek zawiera numery IP nadawcy i odbiorcy.

Adresy IP

• Identyfikuje połączenie komputera z daną siecią.

• IPv4 (obecny): 32 bitowa liczba (zwykle przedstawiana jako 4 zapisane dziesiętnie segmenty).

• Trzy typy adresów:

– Unicast (pojedynczy host)

– Broadcast (wszystkie maszyny danej sieci) – Multicast (rozgłaszanie grupowe).

• Pierwsza część adresu identyfikuje sieć, zaś dalsza określa

maszynę w ramach tej sieci.

Podział puli adresów IP

• 4 klasy adresów: bity sieci bity hosta

– A: do 127: 0-netid(7) hostid(24) – B: 128-191: 10-netid(14) hostid(16)

– C: 192-223: 110-netid(21) hostid(8) – D: 224-239: 1110-multicastgroupID(28) – E: 240-255: 1111-zarezerwowane(28)

• Prefiksy identyfikujące sieć przydzielane przez IANA (Internet Assigned Numbers Authority):

http://www.iana.org/

• Problem tego podejścia:

– marnotrawstwo adresów;

– duże tablice tras (zob. dalej).

Specjalne adresy IP

• Adres zerowy węzła (sufiks) = adres sieci;

• Cała pula 127.*.*.* = adresy pętli zwrotnej;

• Same jedynki = rozgłaszanie ograniczone (lokalna sieć fizyczna; używane przy starcie komputera)

• Same zera – oznaczenie lokalnego komputera, gdy właściwy adres nie jest mu jeszcze znany.

• Sufiks z samych jedynek = rozgłaszanie ukierunkowane (maszyny danej sieci)

• Adresy prywatne (tzw. nierutowalne) [RFC 1918]:

– od 10.0.0.0 do 10.255.255.255 – od 172.16.0.0 do 172.16.255.255 – od 192.168.0.0 do 192.168.255.255

Nagłówek datagramu IP

• Wersja = IPv4;

• Długość nagłówka;

• typ obsługi (trasa o minimalnym opóźnieniu czy maksymalnej przepływności);

• długość całkowita;

• identyfikacja (datagramu);

• znaczniki, przesunięcie fragmentu (używane przy fragmentacji datagramu);

• czas życia (max. 255; redukowany na każdym odcinku );

• typ,

• suma kontrolna nagłówka,

• IP nadawcy i odbiorcy;

• opcje IP;

• uzupełnienie;

Encapsulation (kapsułkowanie?) datagramu IP

• Zapakowanie wewnątrz ramki sieciowej; zawartość nie jest interpretowana przez niższą warstwę.

• Datagram IP jako zawartość takiej ramki jest

identyfikowany odpowiednim typem ramki sieciowej.

Oczywiście ramka sieciowa otaczająca datagram musi mieć wyspecyfikowany adres sprzętowy odbiorcy.

• Każdy etap na drodze datagramu wiąże się z

rozpakowaniem ramki sieciowej a następnie wysłaniem go w nowej ramce.

• MTU (Maximum Transfer Unit): ogranicza wielkość

danych w ramce. Jeżeli dla danej sieci rozmiar datagramu przekracza MTU, to wykonywana jest fragmentacja.

Składanie datagramu odbywa się dopiero u ostatecznego

odbiorcy. Odbiór datagramu: wszystko albo nic.

Optymalizacja wykorzystania puli adresów IP

• Classless Inter Domain Routing (CIDR) [RFC 1517, 1518, 1519]:

– Dowolna liczba bitów na adres sieci;

– Zapis adresu dla podejścia bezklasowego np: 192.9.205.22 /18 (określa się liczbę bitów maski sieci);

– Możliwe agregowanie adresów sieci i hierarchiczne określanie trasy;

• IPv6: 128-bitowe adresy => ogromna pula. Ponadto:

– Zmieniony, rozszerzalny format nagłówka: pole „typ następnego nagłówka”;

– Wsparcie dla obsługi dźwięku i obrazu;

– Trzy rodzaje adresów: jednostkowy, rozsyłania grupowego,

„grono” -> służy np. realizacji replik usługi.

– Sposób zapisu: notacja szesnastkowa z dwukropkami; możliwość pomijania segmentu zer: FF0C:0:0:0:0:0:0:B1 -> FF0C::B1

Odwzorowywanie adresów (1)

• Aby dostarczyć dane, należy na podstawie adresu protokołowego ustalić adres sprzętowy.

• Metody:

– Tablicowe (zwykle w sieciach rozległych);

– Obliczeniowe (gdy adres sprzętowy konfigurowalny);

– Sieciowe: pytanie-odpowiedź (zwykle w lokalnych ze statycznymi adresami).

• Adres sprzętowy można określić tylko wtedy, jeśli adresat jest w tej samej sieci fizycznej. Pakiety dla adresatów

nielokalnych przejmuje ruter.

• Ruter przynależy do co najmniej dwóch sieci (posiadając

tyleż adresów logicznych i sprzętowych).

Odwzorowywanie adresów (2)

• Każdy ruter przechowuje tablicę tras:

– Prefiks i maska adresowa każdej sieci;

– Odpowiadający każdej pozycji adres sprzętowy rutera.

• Odczytany adres rutera nie zostanie umieszczony w nagłówku datagramu.

• Address Resolution Protocol (ARP):

– Ujednolicony protokół odwzorowywania adresów.

– Zapytanie wysyłane na adres rozgłaszania danej sieci.

– Odpowiedź tylko do pytającego.

– Generyczny, choć zwykle odwzorowuje IP na Ethernet.

– Ramki ARP identyfikowane kodem typu ramki.

Internet Control Message Protocol (ICMP)

• Zintegrowany z protokołem IP.

• Umożliwia informowanie nadawcy o powstałych błędach (mniej poważnych niż błąd sumy nagłówka).

• Komunikaty o błędach mogą dotyczyć:

– tłumienia nadawcy;

– przekroczenie terminu;

– nieosiągalności odbiorcy;

– konieczności zmiany trasy;

– problemów z parametrami.

• Ponadto dostępne:

– echo; odpowiedź z echem;

– prośba o maske adresową; odpowiedź z maską adresową.

• Zastosowania – m.in. ping, traceroute, wyznaczanie

MTU.

Urządzenia aktywne

• Repeater (wzmacniak), oraz hub -> warstwa fizyczna (1 w OSI).

Propagują również zakłócenia…

• Most: podział na dwie sieci, mogące posiadać różne media transmisyjne -> warstwa łącza (2); pracuje na adresach MAC.

• Switch -> warstwa łącza danych (2). Symuluje sieć lokalną z mostami, gdzie w każdym segmencie jest tylko jeden komputer.

• Ruter -> podział na więcej podsieci IP -> warstwa łącza (2) i

sieciowa (3). Łączenie sieci heterogenicznych. Podobnie jak most = specjalizowany komputer: procesor, pamięć, interfejsy sieciowe.

Różne media transmisyjne, mechanizmy adresowania sprzętowego i formaty ramek.

• Zapora sieciowa -> ogranicza dostępu z zewnątrz. Rodzaje filtrów:

– bramki aplikacji: pakiety są odpowiednio tłumaczone; wymaga

skonfigurowania oprogramowania proxy dla każdej usługi sieciowej na każdej z maszyn w sieci;

– filtry pakietów: blokowanie pakietów w oparciu o adres pochodzenia, adres docelowy, protokół, nr portu czy nawet zawartość.

TCP – Transmission Control Protocol

• Warstwa transportu. Protokół niezawodnego przesyłania.

• Obsługuje następujące poważne problemy transmisji:

– przywracanie właściwej kolejności odebranych pakietów:

wykorzystanie numeru porządkowego pakietów;

– unikanie duplikatów – j.w.;

– retransmisja zgubionych pakietów: nadawca wysyła ponownie, jeśli w zadanym czasie nie otrzymał potwierdzenia

(acknowledgment);

– unikanie powtórzeń spowodowanych nadmiernym

opóźnieniem: numery pakietów dodatkowo kwalifikowane identyfikatorami sesji;

– kontrola przepływu dla uniknięcia zalewu danych: metoda przesuwającego się okna.

TCP – właściwości (1)

• Tzw. protokół połączeniowy: przed przesłaniem danych zestawiane jest połączenie.

• Komunikacja punkt do punktu: oprogramowanie TCP niezbędne tylko w końcowych węzłach.

• W pełni dwukierunkowa komunikacja. Możliwa w dowolnym momencie i buforowana.

• Interfejs strumieniowy. Brak pojęcia rekordu => dane mogą dotrzeć w innych fragmentach.

• Niezawodne połączenie: zgoda na połączenie obydwu programów.

• Łagodne kończenie połączenia. Program może zażądać

zakończenia, a protokół zapewni dostarczenie wysłanych

danych przed jego zamknięciem.

TCP – właściwości (2)

• Tzw. retransmisja z adaptacją. Opóźnienie komunikacji jest śledzone i na tej podstawie jest określany czas, po upływie którego stosuje się retransmisję (zbyt szybka transmisja doprowadziłaby do zalewu pakietów).

• Kontrola przepływu: odbiorca dostarcza potwierdzenia odbioru oraz tzw. propozycje okna (ile może przyjąć do bufora);

• Trójetapowa wymiana komunikatów przy ustawianiu i kończeniu połączeń (tzw. 3-way handshake): segmenty SYN i FIN.

• Kontrola przeciążenia: w razie zgubienia pakietu jest wysyłany najpierw jeden, a następnie tempo jest

zwiększane z uwzględnieniem propozycji okna.

Zawartość segmentu TCP

• port nadawcy;

• port odbiorcy;

• nr porządkowy (dotyczy aktualnie wysyłanych – tj.

wychodzących danych);

• numer potwierdzenia (dotyczy odebranych);

• długość nagłówka;

• suma kontrolna (obejmuje nagłówek i dane segmentu TCP);

• bity kodu;

• okno (dostępny bufor dla odbieranych danych);

• dane.

Encapsulation - ogólnie

• Każda warstwa dołącza swe nagłówki przed i niekiedy również (np.

Ethernet trailer) za przekazywanym pakietem danych.

• Jednostka danych wysyłanych przez protokół TCP = segment;

• Jednostka wysyłana przez protoków IP = datagram (tak naprawdę – packet: tj. datagram IP albo fragment datagramu IP);

• Jednostka w ramach Ethernetu = frame (ramka) – o określonym typie

• 8-bitowy identyfikator w nagłówku IP identyfikuje protokół datagramu: ICMP, IGMP, TCP, UDP.

• Analogicznie TCP i UDP używają w nagłówku 16-bitowych

numerów portów do zidentyfikowania aplikacji: numery źródłowego i docelowego portu.

• Analogicznie (np. rozróżnienie pomiędzy IP, ARP, RARP), nagłówek Ethernetowy zawiera 16-bitowe pole typu ramki.

• Demultiplexing: po otrzymaniu ramki kolejne warstwy

„rozpakowują” dane i w oparciu o identyfikatory w znanych sobie nagłówkach przekazują odpowiedniemu protokołowi warstwy

wyższej.

Numery portów

• Liczby 16-bitowe.

• Identyfikacja serwerów typowych usług: przez tzw. well- known port numbers: np. FTP = 21, Telnet = 23 (zob.

też /etc/services na Unix-ie).

• Przydziałem numerów od 1 do 1023 zajmuje się Internet Assigned Numbers Authority (IANA).Unix: porty

zarezerwowane => tylko superuser może przydzielić taki port.

• Porty klienckie zwane efemerycznymi (ephemeral ports), gdyż używane są na czas korzystania danego klienta z

usługi. Zwykle alokowane pomiędzy 1024 a 5000.

• Kanał komunikacyjny zestawiany przez protokół TCP jest wyznaczone przez dwa końce zwane gniazdami. Gniazdo

= adres IP + numer portu.

Interfejsy do protokołów komunikacyjnych

• Zakres funkcjonalności określany przez specyfikację

danego protokołu. Konkretne API mogą być specyficzne dla danego systemu operacyjnego;

• Najpopularniejsze jednak – udostępnianie jednolitego interfejsu tzw. gniazd (sockets). Powstał jako część BSD; zwany też Berkeley sockets.

• Mogą być dostępne jako wywołania systemu

operacyjnego, lub w postaci funkcji bibliotecznych.

• Skonstruowane w stylu UNIX-owego interfejsu wejścia- wyjścia: „otwórz-czytaj-zapisz-zamknij”. Po otwarciu pliku zwracana jest liczba – deskryptor, używana

następnie w kolejnych odwołaniach. Podobnie jest w

przypadku komunikacji z protokołem.

Procedury interfejsu gniazd (1)

• Utworzenie gniazda:

deskryptor = socket(

rodzina, //np. PF_INET => TCP/IP

typ, //rodzaj komunikacji: SOCK_STREAM // - połączeniowa strumieniowa, //SOCK_DGRAM – bezpoł. komunikatami protokół);

• Zamknięcie gniazda:

close(gniazdo);

//closesocket w Windows Sockets

• Gniazda a wątki:

– każdy nowy wątek dziedziczy kopię otwartych gniazd z wątku, który go utworzył;

– gniazda posiadają licznik odwołań.

Procedury interfejsu gniazd (2)

• Określenie portu:

bind(gniazdo, adres_lokalny, dł_adresu) // serwer określa, na jakim porcie

//będzie oczekiwał połączenia

• Oczekiwanie na komunikaty:

listen(gniazdo, rozmiar_kolejki_zgłoszeń)

• Protokół połączeniowy – wymaga ponadto przyjęcia nowego połączenia:

nowe_gniazdo = accept(gniazdo, adres_klienta, długość_adresu_klienta);

Procedury interfejsu gniazd (3)

• Klient łączy się z serwerem:

connect(gniazdo, adres_serwera, długość_adresu_serwera);

Def.: adres punktu końcowego = kombinacja adresu IP i nr-u portu.

• Wysyłanie danych:

send(gniazdo, dane, długość, znaczniki) // ...gdy gniazdo jest połączone

sendto(gniazdo, dane, długość, znaczniki, adres_odbiorcy, długość_adresu_odbiorcy) // ... dla niepołączonego gniazda;

sendmsg(gniazdo, struktura_komunikatu, znaczniki) // skrót ww.

Procedury interfejsu gniazd (4)

• Odbieranie danych:

recv(gniazdo, bufor, długość_bufora, znaczniki) // z połączonego gniazda

recvfrom(gniazdo, bufor, długość, znaczniki, adres_nadawcy, długość_adresu_nadawcy)

// dla niepołączonego gniazda

recvmsg(gniazdo, struktura_komunikatu, znaczniki) //

skrót ww.

• Ponadto – tradycyjne read i write (gniazdo, bufor, długość), dostępne dla gniazd połączonych.

• Inne operacje:

– getpeername – adres odległego klienta;

– gethostname – adres lokalny;

– gethostbyname -> adres IP maszyny o podanej nazwie;

– gethostbyaddr -> nazwa na podstawie podanego adresu IP;

– oraz getsockopt oraz setsockopt dla obsługi wartości opcji gniazda.

Sieciowe programy użytkowe

• Protokoły transportowe umożliwiają jednoznaczne

wskazanie żądanej usługi. W TCP są to 16-bitowe numery portów. Pozwala to odbiorcy na skierowanie komunikatu do właściwego serwera (w znaczeniu programu).

• Domain Name System (DNS): – rozproszona baza danych mapująca nazwy na numery IP. Większość aplikacji

pozwala stosować zamiennie nazwy i numery. Rev-DNS (konwersja odwrotna: IP na nazwę).

• Domeny najwyższego poziomu: geograficzne (Country Code Domains) lub organizacyjne. Zob. http://

www.iana.org/cctld/cctld.htm

• Adres URL:

– identyfikator usługi: http:// ftp:// gopher:// telnet:// news://

– nazwa domeny: adres domenowy lub kropkowo-dziesiętny;

– ścieżka dostępu na serwerze;

Standaryzacja protokołów internetowych

• Internet Society (ISOC) – professional society.

• Internet Architecture Board (IAB) – techniczny nadzór i koordynacja. Czuwa nad jakością standardów

internetowych; podlega ISOC.

• Internet Engineering Task Force (IETF) –

krótkoterminowe przedsięwzięcia zorientowane na rozwijanie standardów; podzielona na 9 obszerów.

Dodatkowo: Internet Engineering Steering Group (IESG).

Podlega IAB.

• Internet Research Task Force (IRTF) – długoterminowe projekty badawcze. Podlega IAB.

• Oficjalne standardy publikowane jako RFC (Request For Comments). Dostępne publicznie (łącznie ok. 75 MB).

Niektóre nie mają statusu oficjalnego standardu. Zob.

http://www.isi.edu i http://www.rfc-editor.org