Лекции по информационным сетям

Стек был  разработан в рамках проекта минобороны США в сети ARPANET.

Большой вклад  в развитие TCP/IP внес университет Беркли, когда реализовал поддержку стека в ОС UNIX.

 

Преимущества:

- наиболее завершенный стандарт, имеет многолетнюю историю;

- поддержка в операционных системах компьютеров и другого коммуникационного оборудования;

- гибкая технология соединения разнородных систем.

 

Недостатки:

- проблемы с безопасностью;

- проблемы с адресами;

- накладные расходы для поддержки системы адресации.

 

Структура стека TCP/IP

Модель OSI	Стек TCP/IP
Прикладной	Прикладной
Представления
Сеансовый
Транспортный	Транспортный
Сетевой	Уровень межсетевого  взаимодействия (Network, сетевой)
Канальный	Уровень сетевых  интерфейсов (доступа к середе передачи)
Физический

 

 

Прикладной  уровень (Application)

- соответствует трем уровням модели OSI (прикладному, представительному и сеансовому);

- объединяет службы, предоставляемые системой пользовательским приложениям;

Протоколы прикладного  уровня устанавливаются на конечных узлах

FTP, SMTP, Telnet, HTTP

 

Транспортный  уровень (Transport)

Обеспечивает  два виде сервиса:

- гарантированная доставка (TCP);

- доставка по возможности (UDP)/

 

TCP протокол:

- устанавливает логическое соединение;

- нумерует сегменты;

- обеспечивает подтверждение доставки квитанцией

- организует повторную передачу;

- распознает и уничтожает дубликаты.

 

UDP протокол:

Это простейший дейтограммный протокол, задача надежного  обмена обеспечивается протоколами  более высокого уровня.

 

Протоколы TCP и UDP устанавливаются на конечных узлах.

 

Сетевой уровень (Network)

Или уровень  межсетевого взаимодействия

- соответствует сетевому уровню модели OSI

- обеспечивает перемещение пакетов в пределах всей составной сети.

 

IP – это основной протокол сетевого уровня

Задача –  продвижение пакетов между частями  составной сети (подсетями)

IP – это дейтограммный протокол

Может только послать  уведомление в случае потери пакета, работает без установления соединения.

 

- решается задача маршрутизации посредством использования протоколов динамической маршрутизации (RIP, OSPF)

- протокол ICMP (Internet Control Message Protocol) – обеспечивает обмен служебными сообщениями между узлами.

 

Уровень сетевых интерфейсов (Network Access)

Соответствует физическому и канальному уровням модели OSI.

Но его задачи намного проще:

- отвечает за организацию интерфейса с частными технологиями подсетей;

- не регламентируется протоколами стека TCP/IP, но поддерживает стандарты физического и канального уровней различных технологий (Ethernet, FDDI, Token Ring).

Задача обеспечения  интерфейса между технологиями включает:

- определение способа упаковки (инкапсуляции) IP пакета в единицу передаваемых данных промежуточной сети;

- определение способа преобразования сетевого адреса следующего шлюза в локальный адрес данной технологии.

 

Сетезависимые и сетенезависимые уровни стека TCP/IP

 

Протоколы прикладного  уровня	Сетенезависимые
Протоколы транспортного  уровня
Сетевой уровень	Сетезависимые
Уровень сетевых  интерфейсов

 

 

 

Протокольные блоки данных

 

Протокол межсетевого взаимодействия IP (Internet Protocol)

IP – это протокол сетевого уровня стека TCP/IP.

 

Основные  функции сетевого уровня:

- адресация – однозначная идентификация устройств, используются IP адреса;

- инкапсуляция – к PDU транспортного уровня добавляются заголовок сетевого уровня; в полях заголовка располагаются IP адреса отправителя и получателя; PDU сетевого уровня – пакет;

Пакет передается на канальный уровень.

- маршрутизация – сетевой уровень обеспечивает продвижение пакета до сети узла назначения; в общем случае узел назначения может находиться в другой сети, поэтому пакет может проходить через несколько посредников; Посредники – это маршрутизаторы, которые объединяют несколько локальных сетей. Процесс определения маршрута пакета – это маршрутизация.

- деинкапсуляция – на узле назначения на сетевом уровне выполняется процесс деинкапсуляции пакета в PDU уровня 4 (транспортный уровень).

 

Два варианта IP – версия 4 и версия 6

Основные  характеристики IP

- это протокол без установки соединения, т.е. простой дейтограммный протокол;

- не обеспечивает надежность доставки пакета; максимально может отправить квитанцию о потери пакета; не гарантирует, что все отправленные пакеты будут доставлены.

- не зависит от передающей среды.

 

Учитывается только одна характеристика передающей среды  – максимальный размер PDU, который может транспортировать передающая среда – MTU (Maximum Transmission Unit).

 

Процесс фрагментации пакета

Когда пакет  передается в сеть с меньшим значением MTU.

Ethernet – MTU –  1500 байт

FDDI – MTU –  4096 байт

X.25 – MTU –  128 байт

 

 

Сеть 1 – FDDI

Сеть 2 - Ethernet

Сообщение исходное = 5600 байт

 

Объединение пакетов  в более крупные не происходит, т.к. фрагментированные пакеты могут  передаваться разными маршрутами.

Узел назначения запускает Timer при приходе первого фрагмента пакета. Если Timer истекает до прихода последнего фрагмента, то все фрагменты отбрасываются и отправляется сообщение об ошибки по протоколу ICMP.

 

Основные  поля заголовка IP пакета

1-й byte		2-й byte	3-й byte		4-й byte
Ver.	IHL	Type of Service	Packet Length
Identification			Flag	Fragment Offset
Time to Live		Protocol	Header Checksum
Source адрес
Destination адрес
Options

 

Номер версии (Ver.) – версия протокола;

Длина заголовка (IHL) – 4 бита – длина заголовка (обычно 20 байт);

Тип сервиса (Type of Service) – определяет приоритет пакета и вид критерия отбора маршрута;

Общая длина пакета (Packet Length) – 2 байта, содержит длину пакета с учетом заголовка;

Идентификатор (Identification) – 2 байта, содержит идентификатор пакета (все фрагменты имеют одинаковое значение);

Флаг (Flag) – 3 бита, указывает возможность фрагментировать пакет;

Смещение  фрагмента (Fragment Offset) – 13 бит – содержит смещение поля данных этого пакета от начала общего поля данных, для фрагментации пакета;

Время жизни (Time to Live) – содержит предельный срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети; по истечению времени жизни пакет уничтожается;

Идентификатор протокола (Protocol) – указывает протокол верхнего уровня (TCP, UDP, RIP);

Контрольная сумма (Header Checksum) – считается по всему заголовку;

Адрес назначения

Адрес отправителя

Options – резервные поля.

 

Для IP протокола максимальная длина поля данных пакета = 65535 байт, но при передаче определяющим является величина MTU среды.

 

 

 

 

Маршрутизация в сетях TCP/IP

 

Маршрутизация – это процесс пересылки пакетов между сетями или подсетями с помощью устройств 3-го уровня (маршрутизатор, шлюз).

 

В процессе маршрутизации  используются:

- таблицы

- алгоритмы

- протоколы

 

Кроме маршрутизатора и шлюза в процессе маршрутизации  участвует и узел (хост).

 

 

При выборе пути маршрутизаторы и хосты используют таблицу маршрутизации.

Таблица маршрутизации  содержит упорядоченный список «известных»  маршрутов, каждый из которых описывается строкой содержащей: адрес удаленной сети, адрес следующего перехода до этой сети и метрику (номер исходящего порта).

Адрес сети назначения	Адрес перехода (адрес следующего маршрутизатора)	Метрика, исходящий  порт
56.0.0.0	198.21.17.7	120
57.0.0.0	213.34.12.4	2130
default	198.21.17.7

 

В сетях TCP/IP используется «одношаговый» подход к оптимизации маршрута продвижения пакета. Каждый router определяет только next-hop.

Маршрутизация «от источника» (Source Routing) – это альтернативный подход к маршрутизации, при этом весь маршрут определяется сразу.

Одношаговая маршрутизация позволяет сократить размер таблиц маршрутизации.

В таблице маршрутизации  сохраняется только одна запись для  каждой удаленной сети назначения. Маршрутизатор использует метрику для определения расстояния и приемлемости пути к сети назначения. Если источников информации о маршруте несколько, то используется «административное расстояние» - это определенный вес источника информации. Такая ситуация может возникнуть, если используется несколько протоколов маршрутизации.

Записи в routing tables:

1- маршруты непосредственного подключения (direct connection)

Создаются на основе информации о настройке интерфейсов, которые непосредственно подключены к сегментам сети.

Если интерфейс  отключили, то запись удаляется из таблицы маршрутизации. Административное расстояние = 0. Это самый приоритетный маршрут.

2- статические  маршруты

Создаются вручную  при конфигурировании маршрутизатора. Административное расстояние = 1. Эффективно использовать, если нет частых изменений в топологии сети.

3- динамические  маршруты

Этим маршрутам routerы «обучаются» при обмене маршрутной информацией между собой. Т.к. требуется некоторое время для обмена, то существует период «сходимости» сети. Эффективны для крупных сетей, где происходит много изменений топологии и т.д.

4- маршрут по-умолчанию  (default)

Необязательный  маршрут. Будет использоваться, если не найдено ни одного другого подходящего  маршрута. Может вводиться вручную  или приниматься по протоколу  динамической маршрутизации. Это очень полезный маршрут. Позволяет в общем случае свести все записи в routing tables к одной строке.

Статическая маршрутизация

Заполнение  таблицы маршрутизации выполняется  вручную

Когда целесообразно использовать:

- сеть состоит из небольшого количества подсетей (сетей) и маршрутизаторов; использование протоколов динамической маршрутизации не будет эффективным, более того обмен служебной информацией может отрицательно сказаться на работе сети;

- сеть подключена к интернет через одного провайдера (ISP), соответственно имеет только один выход во вне;

- большая сеть имеет конфигурацию «hub-and-spoke», которая предполагает наличие центрального узла (маршрутизатора), к которому подключены все остальные сегменты; у каждой подсети только один маршрут через центральный элемент.

 

 

 

Динамическая маршрутизация

 

Предполагает  динамическое формирование таблицы  маршрутизации на основе сведений о  топологии сети и маршрутах, которыми обмениваются маршрутизаторы используя  протоколы динамической маршрутизации.

Для определения  наилучшего маршрута используются специальные  числовые веса – метрики, которые  показывают эффективность маршрута до сети назначения.

В качестве основы для расчета метрик могут использоваться следующие характеристики:

- полоса пропускания (пропускная способность канала);