Aхборот тизимлари протоколлари(АТП)(Протоколы Информационных систем)

© 2009-2010 TATU
Содержание
Декомпозиция управления
Архитектура TCP/IP
Протокол IP
Транспортные протоколы
Литература

© 2009-2010 TATU
Понятие протокола
[Сетевой] протокол – это распределенный алгоритм, выполняемый на нескольких компьютерах, и в основном является языком и правилом общения.
основной и первичной задачей сетевых протоколов было обеспечение передачи данных
собственно организация сервиса передачи данных
организация маршрутизации
сигналлинг, мониторинг, управление
прикладные протоколы: электронная почта терминальный доступ и т.п.
сейчас понятие сетевого протокола в целом сохраняется, но
просматривается явная тенденция к усложнению протоколов
число протоколов стремительно растет, причем наибольшие «темпы роста» показывают протоколы прикладного уровня

© 2009-2010 TATU
Зачем нужна декомпозиция управления?
Задачи сетевого управления сложны
Сеть гетерогенна, состоит из множества устройств, выпускаемых различными производителями; без стандартизации функциональности и способов взаимодействия этих компонент сеть не будет работать

© 2009-2010 TATU
Декомпозиция сетевого управления
Модель OSI/ISO
Модель TCP/IP

© 2009-2010 TATU
Наиболее важные протоколы
состав протоколов и их взаимодействия

© 2009-2010 TATU
Задачи протоколов различных уровней
Физический уровень
обеспечивает стандартизацию сред передачи, (носителей, частотой, контактов, типов модуляции, сигналов)
Канальный уровень
обеспечивает передачу данных
передает фреймы (frame), иногда говорят - кадры
Сетевой уровень
обеспечивает передачу данных из конце в конец сети; делает сеть связной
передает пакеты
решает необходимую для передачи пакетов из конца в конец задачу маршрутизации
Транспортный уровень
обеспечивает взаимодействие приложений, определяет какому приложению доставить поток данных или сообщение
передает сегменты данных (TCP) или дейтаграммы (UDP)
Прикладной уровень
решает специфические, утилитарные, необходимые скорее человеку, чем системе, задачи

© 2009-2010 TATU
Инкапсуляция протоколов
При передаче данных от приложения в сеть транспортный, сетевой и канальный уровень последовательно упаковывают (инкапсулируют) данные «внутрь» своего пакета
такое включение протокола в протокол часто повторно применяется и в рамках одного и того же уровня управления
эта техника передачи одного протокола под заголовком («под видом») другого называется туннелированием
Техника туннелирования трафика имеет фундаментальное значение в сетевой информационной безопасности. На ней построена архитектура IPsec и многие другие решения

© 2009-2010 TATU

Архитектура TCP/IP

© 2009-2010 TATU
TCP/IP: независимость от среды передачи
Физические подсети могут иметь различную природу и различные системы адресации канального уровня
Стек TCP/IP устроен так, что от физической природы линии связи зависят только протоколы физического и канального уровней
IP и вышележащие протоколы абстрактны и «обязаны» работать «поверх» всех физических сетей, независимо от их природы

© 2009-2010 TATU
IP-сети
Сеть – это совокупность подсетей, соединенных шлюзами (маршрутизаторами)
подсеть – это целостное адресуемое пространство (в терминах IP-адресов)
IP-адрес – уникальное число, приписываемое сетевому интерфейсу; по IP-адресу находится получатель пакета (детали позднее)
шлюз – машина с 2мя (или более) сетевыми интерфейсами, «смотрящими» в разные подсети
Поток данных передается от приложения к приложению га оконечных устройствах, но на промежуточных устройствах (шлюзах) используются только три нижних уровня сетевого стека

© 2009-2010 TATU
Функциональная декомпозиция TCP/IP
Канальный уровень – обеспечивает двухточечную связность
IP (RFC791, 950, 919, 922, 2474) – обеспечивает негарантированную дейтаграммную доставку пакетов по сети; 3 главных задачи IP и вспомогательных протоколов:
адресация сетевых объектов (включая конфигурирование адресов)
маршрутизация
обмен служебной информацией, разрешение конфликтных ситуаций, диагностика
2 главных задачи транспортных протоколов:
обеспечение заданного сервиса доставки данных
мультиплексирование/демультиплексирование трафика приложений

© 2009-2010 TATU
Мосты, маршрутизаторы и коммутаторы

© 2009-2010 TATU
Оборудование сетей
Данные могут передаваться в объединенной сети с помощью следующих трех типов информации:
Физический адрес устройства назначения, находящийся на канальном уровне. Устройства, направляющие сообщения исходя из физических адресов, называются мостами (brigdes)
Адрес сети назначения, находящийся на сетевом уровне. Устройства, использующие для направления сообщения адрес сети, обычно называются маршрутизаторами (router), хотя первоначальным их названием, все еще используемым в мире TCP/IP, является шлюз (gateway).
Цепь, устанавливаемая для определенного соединения. Устройства, направляющие сообщения по выделенным цепям, называются коммутаторами (switches).

© 2009-2010 TATU
Мосты

© 2009-2010 TATU
Маршрутизация

© 2009-2010 TATU
Маршрутизация
Счетчик пересылок определяет количество сетей, которые необходимо пересечь, чтобы перейти из одного конечного узла в другой. Между узлами А и Е можно определить несколько маршрутов:
A-B-C-D-E (пять пересылок)
А-Е (три пересылки)
A-D-E (четыре пересылки)

© 2009-2010 TATU
Коммутация

Протокол IP:
IP-пакет

© 2009-2010 TATU
IP пакет
VERS, version – версия IP (4, 0010)
HLENG, header length – длина заголовка
TOTAL LENGTH – полная длина пакета
ID, identification – номер (идентификатор) фрагмента
FLG, flags - флаги
FRAGMENTATION OFFSET – начало фрагмента
TTL, time to live – время жизни
NEXT PROTOCOL – следующий протокол
HEADER CHECKSUM – контрольная сумма заголовка
SOURCE IP ADDRESS – адрес отправителя
DESTINATION IP ADDRESS – адрес получателя
IP OPTIONS – варианты
PADDIND – заполнение
Заголовок
Данные
Структура IP-пакета
Заголовок IP-пакета

© 2009-2010 TATU
Тип сервиса
Поле SERVICE TYPE используется для управления приоритетом (качеством сервиса)
PRED, predecence – приоритет:
000: Routine
001: Priority
010: Immediate
011: Flash
100: Flash override
101: Critical
110: Internetwork control
111: Network control
TOS, type of service – тип сервиса:
1000: Minimize delay
0100: Maximize throughput
0010: Maximize reliability
0001: Minimize monetary cost
0000: Normal service
MBZ – зарезервировано для последующего использования
Структура поля SERVICE TYPE
На обработке битов поля TOS строятся современные механизмы управления качеством сервиса (Quality of Service, QoS) для передачи голосового и видеотрафика

© 2009-2010 TATU
Фрагментация
Физические сети могут иметь различные размеры кадров (minimal transfer unit, MTU)
если на пути пакета встречается сеть с MTU менее его размера, пакет фрагментируется
фрагменты «собирает» в исходный пакет получатель
Управляют фрагментацией поля ID, FLG, FRGMTTN OFFGSET
ID –уникальный идентификатор, единый для всех фрагментов серии
поле FLG:
1й бит – резерв, всегда 0
2й бит – DF, Do not Fragment – запрещает фрагментацию
бит MF – More Fragments – 0 для нефрагментированного или последнего пакета в серии, 1 – в противном случае

© 2009-2010 TATU
Пример: Размер пакета
Имеется e-mail с размером 3500 байт (3,5Кбайт). Сеть которая вы подключены поддерживает фиксированную размер пакета равное 1024 байт (1Кбит), 1024-96-32=896. т.е размер данных равно 896 байтам.
3500/896=896+896+896+812

© 2009-2010 TATU
MTU: Maximum Transfer Unit
Каждая сеть отправляет информацию в виде пакета. MTU показывает размер пакета. Варьированием этого параметра мы можем получить различные скорости.
Чем выше значение MTU, тем меньше заголовков передаётся по сети — а значит, выше пропускная способность.
Но увеличение MTU приводят к большим задержкам для других пользователей.

© 2009-2010 TATU
Пример: Передача пакета с размерностью 12000 байт

© 2009-2010 TATU
Таблица основных значений MTU

© 2009-2010 TATU
Время жизни IP пакета
В силу ошибок маршрутизации или по другим причинам пакет может бесконечно циркулировать по некоторому пути в сети
поскольку маршрутизатор обрабатывает IP в дейтаграммном режиме, т.е. «забывает» о всех переданных пакетах (не хранит предысторию) – такие пакеты могут «бродить по сети» вечно
чтобы устранить перегрузку сети такими пакетами, введено поле TTL
хост-отправитель устанавливает TTL в некоторое заданной значение, отличное от нуля
при всякой переретрансляции промежуточные маршрутизаторы уменьшают значение TTL на единицу
когда поле TTL принимает значение 0 – пакет изымается из сети

© 2009-2010 TATU
Механизм IP-инкапсуляции
IP может «нести» данные различных протоколов, номер «вложенного» протокола кодируется в поле NEXT PROTOCOL:
0: Reserved
1: Internet Control Message Protocol (ICMP)
2: Internet Group Management Protocol (IGMP)
3: Gateway-to-Gateway Protocol (GGP)
4: IP (IP encapsulation)
5: Stream
6: Transmission Control Protocol (TCP)
8: Exterior Gateway Protocol (EGP)
9: Private Interior Routing Protocol
17: User Datagram Protocol (UDP)
41: IP Version 6 (IPv6)
50: Encap Security Payload (ESP)
51: Authentication Header (AH)
89: Open Shortest Path First (OSPF)
Обратите внимание на множественность механизмов туннелирования трафика, заложенных в IP: IP может «нести» не только транспортные (TCP, UDP), служебные (ICMP, IGMP, GGP, EGP, OSPF), протоколы сетевой защиты (AH и ESP), но также нести «себя» (IP-IP инкапсуляция), IPv6

© 2009-2010 TATU
Целостность IP-пакетов
IP вообще не следит за целостностью IP-пакетов
за целостностью данных «следят» протоколы канального и транспортного уровня, IP ни к чему дублировать их функциональность
единственная проверка, которую обеспечивает IP – проверка целостности собственной служебной информации (контрольная сумма заголовка пакета)

© 2009-2010 TATU
Пакетная коммутация

Протокол IP: адресация

© 2009-2010 TATU
Системы адресации
Адресации:
1. Прикладной уровень (служба DNS, имя компьютеров в рабочих группах Windows, др. системы символьной адресации), адресация в глобальных и локальных сетях
2. сетевой уровень (IP, IPX адреса), адресация в глобальных сетях
3. канальный уровень (МАС адрес), адресация в локальных сетях
Службы:
ARP/RARP (Address Resolution Protocol) – 2-3
DNS (Domain Name Service) – 1-2
Возможны службы для связи систем адресации 1-3

© 2009-2010 TATU
IP-адрес
Уникальный в масштабах Интернет
32х-битный идентификатор, обычно в dotted-decimal notation
aaa.bbb.ccc.ddd
Адресуемые объекты:
хосты (их сетевые интерфейсы)
сети
Классификация сетей:
до 16777214 хостов
до 65534 хостов
до 255 хостов
Групповые (multicast) адреса:
Internet group management protocol (IGMP), RFC1112, 2236

© 2009-2010 TATU
Маска подсети
Сеть (вернее, адресное пространство сети, определяемое полем netID) можно разделить на несколько частей (подсетей)
возможные причины для такого деления:
территориальное распределение адресного пространства
использование различных физических сред распространения данных в одной сети
необходимость логического деления пространства сети
инструмент деления: маска подсети
логические деление IP-адреса:
[netID] [subnetID] [HostAddressSpace]
маска подсети: aaa.bbb.ccc.ddd, где битовое пространство [netID] и [subnetID] устанавливается в 1, а [HostAddressSpace] – в 0
маска подсети администрируется и используется локально в только в данной подсети

© 2009-2010 TATU
Специальные адресные пространства
Адрес «этот хост», «пустышка»
может использоваться в инициализационной процедуре, когда рабочая станция не знает (или хочет согласовать) свой IP-адрес
этот адрес может использоваться только как адрес отправителя и никогда как адрес получателя пакета
NetID заполнен нулями, а hostID имеет осмысленное значение – есть адрес конкретного хоста в сети, из которой он получил пакет
это адрес используется только как адрес получателя и никогда как адрес отправителя
NetID имеет некоторое значение, а hostID заполнен нулями – адрес некоторой сети (но ни одного из хостов данной сети)
Limited или local broadcast address – полезный, предположительно, когда идентификатор сети по каким-либо причинам неизвестен
использование этого адреса не рекомендуется
Direct broadcast address, широковещательный адрес, обращенный ко всем хостам в данной подсети
Тестовый адрес (loopback address), в котором первый байт имеет значение 127, а прочее поле не специфицировано (обычно заполняетсяединицами)
используется для задач отладки и тестирования
не является адресом никакой сети и роутеры никогда не обрабатывают его
0000000000
0000000000
0000000000
xxxxxxxxxx
xxxxxxsxxx
0000000000
1111111111
1111111111
xxxxxxxxxx
1111111111
1111110
xxxxxxxxxxxxx

© 2009-2010 TATU
Частные адресные пространства
Уникальное (регистрируемое) адресное пространство Интернет почти исчерпано; поэтому для пользования внутри собственных сетей (без выхода в Интернет) организации могут использовать т.н. частные (private), незарегистрированные адреса
RFC1918 рекомендует использовать для этих целей следующие адресные пространства:
сеть класса А – 10.0.0.0
16 сетей класса В – от 172.16.0.0 до 172.31.0.0
256 сетей класса С – от 192.168.0.0 до 192.168.255.0
когда хостам с этими адресами все-таки необходимо работать в Интернет – применяются технологии трансляции адресов (NAT, Network Address Translation)

© 2009-2010 TATU
Привязка и конфигурирование адресов
Поскольку IP является независимым от природы (и внутренней адресации) физических подсетей, возникает задача сопоставления адресов физических подсетей (канального уровня) и IP-адресов (сетевого уровня)
эту задачу решают протоколы ARP и RARP
В отдельных случаях требуется присвоить хосту IP-адрес
такое конфигурирование выполняют протоколы BOOTP и DHCP

© 2009-2010 TATU
Протокол ARP (RFC826)
ARP (Address Resolution Protocol, протокол определения адресов)
сопоставляет 32-разрядные IP-адреса физическим адресам подсети, например, в 48-разрядные адреса Ethernet
Идея протокола ARP:
если узлу А необходимо связаться с узлом В, узел А знает IP-адрес узла В, но не знает его физического адреса, узел А шлет широковещательное сообщение, в котором запрашивает физический адрес узла В
все узлы принимают это сообщение, однако только узел В отвечает на него, высылая в ответ свой физический адрес узлу А
узел А, получив физический адрес В, кэширует его, с тем, чтобы не запрашивать его повторно при следующих обращениях к узлу В

© 2009-2010 TATU

© 2009-2010 TATU
Протокол RARP (RFC1293)
RARP (Reverse Address Resolution Protocol, протокол обратного определения адресов)
сопоставляет IP адрес физическому
применяется, если узел А из предыдущего примера «не знает» собственного IP-адреса
Идея протокола RARP:
узел А широковещательно вызывает RARP-сервер, закладывая в запрос свой физический адрес
RARP-сервер распознает запрос узла А, выбирает из некоторого списка свободный IP-адрес и шлет узлу А сообщение, включающее: динамически выделенный узлу А IP-адрес, физический и IP-адрес RARP-сервера
отказ RARP-сервера становится очень критичен, поэтому применяется резервирование RARP-серверов

© 2009-2010 TATU
Протоколы BOOTP (RFC951), DHCP (RFC2131, 2132)
Результатом работы протоколов BOOTP (Bootstrap) и DHCP (Dynamic host configuration protocol) является конфигурирование IP-адресов, но применение этих протоколов – шире, и они не являются, строго говоря, протоколами сетевого уровня
Протокол BOOTP обеспечивает начальную загрузку бездисковых рабочих станций, сетевых принтеров и т.п.
Протокол DHCP базируется на BOOTP, но расширяет его возможности в двух отношениях:
DHCP может выдавать IP адрес «во временной пользование» на ограниченное время; эта функция важна для эффективного использования адресного пространства, когда в сети появляются и исчезают некоторые хосты
DHCP снабжает конфигурируемый хост не только IP-адресом, но и полным набором параметров стека (включая наборы параметров канального, сетевого и транспортного уровня)

© 2009-2010 TATU
Справка. Параметры DHCP-настройки стека
Параметры протокола IP
на уровне хоста
Be a router (on/off)
Non-local source routing (on/off)
Policy filters for non-local source routing (list)
Maximum reassembly size
Default TTL
PMTU aging timeout
MTU plateau table
на уровне интерфейса
IP address
Subnet mask
MTU
All-subnets-MTU (on/off)
Broadcast address flavor (0x00000000/0xffffffff)
Perform mask discovery (on/off)
Be a mask supplier (on/off)
Perform router discovery (on/off)
Router solicitation address
Default routers, list of:
router address
preference level
Static routes, list of:
destination (host/subnet/net)
destination mask (address mask)
type-of-service
first-hop router
ignore redirects (on/off)
PMTU
perform PMTU discovery (on/off)
Параметры канального уровня (поинтерфейсно):
Trailers (on/off)
ARP cache timeout
Ethernet encapsulation
Параметры протокола TCP:
TTL
Keep-alive interval
Keep-alive data size

Протокол IP:
маршрутизация

© 2009-2010 TATU
Задача маршрутизации
Маршрутизационная задача решается локально на каждом хосте/маршрутизаторе
постановка задачи: на какой сетевой интерфейс нужно передать пакет, чтобы он дошел до получателя?
Маршрутизационные таблицы (routing table) указывают, куда нужно перенаправлять пакет с заданным адресом
отдать некоторому хосту (прямая маршрутизация)
некоторому маршрутизатору (непрямая маршрутизация),
или передать в некоторую подсеть
Network interface
Transport
Входящая
очередь пакетов
Опции
маршрутизации
наш
пакет?
ICMP
Маршрутизация
Таблицы
маршрутизации
Протоколы
маршрутизации,
команды
netstat, route
да
IP
нет

© 2009-2010 TATU
Статическая и динамическая маршрутизация
Статическая маршрутизация основывается на жестко заданных маршрутизационных таблицах
наиболее приемлема для хостов, работающих в небольших сетях, поскольку хост не должен тратить много сил на задачи маршрутизации
часто маршрутную таблицу на хосте конфигурируют как небольшой список хостов-соседей и маршрутизатор по умолчанию (default gateway), которому хост и отдает все пакеты, маршрутизация которых у него не определена
логика default gateway работает и на уровне маршрутизаторов: маршрутизатор обязан знать все о своей локальной сети, однако информацией о внешних сетях он может и не владеть, обращаясь, при необходимости, к владеющим этой информацией внешним маршрутизаторам
Динамическая маршрутизация – позволяет хосту (маршрутизатору), взаимодействуя со смежными узлами по протоколам маршрутизации, обновлять и корректировать информацию в маршрутных таблицах

© 2009-2010 TATU
Архитектура маршрутизации Интернет
Архитектурно задача динамической маршрутизации в Интернет делится на два уровня:
маршрутизацию внутри локальных (или целостных многосегментных ведомственных сетей) – такие системы называют автономными системами, (autonomous system)
межсетевую маршрутизацию
Протоколы маршрутизации, осуществляющие межсетевую маршрутизацию называют exterior routing protocols, маршрутизацию внутри автономных систем осуществляют interior routing protocols

© 2009-2010 TATU
Interior routing protocols
Routing Information Protocol (RIP), Xerox Corp., начало 1980х
прост (минимизирует путь только по числу хопоов), ограничен (максимальная длина пути – 16 хопов) получил широкое распространение в малых сетях
Interior Gateway Routing Protocol (IGRP), Cisco Systems, нач. 1980х
определяет путь с учетом скорости линий и суммарной задержки
развитие – Enhanced IGRP, более эффективен, использован для маршрутизации не только IP (IPX, AppleTalk)
Open Shortest Path First (OSPF), IETF
развитой междоменный иерархический (делит автономные системы на магистраль и подсети) протокол, разработанный взамен RIP
гибок, эффективен, поддерживает маски сетей переменной длины
Integrated intermediate System to Intermediate System protocol (IS-IS), ISO 10589
междоменный иерархический протокол маршрутизации, похож на OSPF
работает через множество LAN- и WAN-подсетей, двухточечные соединения, поддерживает протоколы OSI

© 2009-2010 TATU
Пример использования различных протоколов в сети

© 2009-2010 TATU
Exterior routing protocols
Exterior Gateway Protocol, EGP
обеспечивает динамическую маршрутизацию, очень прост, ограничен, исходит из предположения, что автономные системы подключены к древесной топологии, не использует метрик
Border Gateway Protocol, BGP
работает в произвольных топологиях, исключает циклы, использует метрики, высоко масштабируем

© 2009-2010 TATU
Классификация маршрутизируемых протоколов
Многие маршрутизируемых протоколов можно разделить на следующие категории:
- Distance vector
- Link-state

© 2009-2010 TATU
Distance vector routing protocol

© 2009-2010 TATU
Алгоритм маршрутизации
Link-state
Используется Алгоритм Дейкстры
shortest path first (SPF).

© 2009-2010 TATU
Link-state

© 2009-2010 TATU

© 2009-2010 TATU
Вывод
Conclusion
- Routing is the process of how routers pass the packets to the destination network
- Routing protocols are used between the communication routers
- Routing protocol allows a router to share information with other routers on the network and he knows the best path to the network
- Routing algorithm can be classified as one of two categories, distance vector or link-state
- Autonomous systems (AS) is a collection of networks within a single administrative control

© 2009-2010 TATU
RIP - using interior routing protocols with distance vector algorithms
- IGRP - interior routing protocol with Cisco distance vector algorithm
- OSPF - interior routing protocol with link-state algorithm
- EIGRP - interior routing protocol with Cisco advanced algorithm distance vector
- BGP - using exterior routing protocols with distance vector algorithm
Basic RIP described in RFC 1058, with the following characteristics:
- Distance vector routing protocol
- Metric based on the number of jumps (hop count) for route selection
- If the hop count for more than 15, packet discarded
- Update routing is done in a broadcast every 30 seconds
IGRP is a routing protocol developed by Cisco, with the following characteristics:
- Distance vector routing protocol
- Using a composite metric consisting of bandwidth, load, delay and reliability
- Update routing is done in a broadcast every 90 seconds

© 2009-2010 TATU
Routing protocol OSPF uses link-state, with the following characteristics:
- Protocol link-state routing
- It is open standard routing protocol described in RFC 2328
- Using the SPF algorithm to calculate the lowest cost
- Update routing floaded done when the network topology changes
EIGRP protocol enhanced distance vector routing, with the following characteristics:
- Using the protocol enhanced distance vector routing
- Using the cost load balancing is not the same
- Using a combination algorithm distance vector and link-state
- Using the Diffusing Update Algorithm (DUAL) to calculate the shortest path
- Update routing is done using multicast address 224.0.0.10 caused by changes in network topology
Border Gateway Protocol (BGP) is an exterior routing protocol, with the following characteristics:
- Use distance vector routing protocol
- Used between the ISP and the ISP clients
- Used to route internet traffic between autonomous systems

Протокол IP:
служебные обмены и диагностика

© 2009-2010 TATU
Протокол ICMP
Internet Control Message Protocol (ICMP) используется в случаях доставки информации об ошибках, причем
ICMP, как и IP, – работает с негарантированной доставкой, сообщения об ошибках могут теряться, как всякие IP-пакеты
сообщения об ошибках в протоколе ICMP не выдаются с тем, чтобы избежать генерации бесконечных повторов
в случае ошибок фрагментации ICMP-сообщение генерируется только для первого фрагмента
уведомление направляется обычно отправителю, ICMP-сообщения никогда не высылаются в ответ на групповые сообщения и в случаях, когда адрес отправителя не определяет хост-источник однозначно

© 2009-2010 TATU
Формат ICMP-сообщения
ICMP-сообщение инкапсулируется в обычный IP-пакет, снабжается стандартным заголовком
TYPE – определяет тип сообщения (ICMP-приложения)
CODE – содержит код ошибки код ошибки (специфичный для ICMP-приложения)
CHECKSUM – содержит контрольную сумму по ICMP-сообщению, начиная с поля тип и включая данные, которые могут следовать за заголовком сообщения
Поддерживаемые типы сообщений:
17: Address mask request
18: Address mask reply
30: Traceroute
31: Datagram conversion error
32: Mobile host redirect
33: IPv6 Where-Are-You
34: IPv6 I-Am-Here
35: Mobile registration request
36: Mobile registration reply
37: Domain name request
38: Domain name reply
39: SKIP
40: Photuris
0: Echo reply
3: Destination unreachable
4: Source quench
5: Redirect
8: Echo
9: Router advertisement
10: Router solicitation
11: Time exceeded
12: Parameter problem
13: Timestamp request
14: Timestamp reply
15: Information request (устарел)
16: Information reply (устарел)

© 2009-2010 TATU
Важнейшие ICMP-приложения
Ping – диагностика связи с хостом
Traceroute – трассировка пути к удаленному хосту
Usage: ping [-t] [-a] [-n count] [-l size] [-f] [-i TTL] [-v TOS]
[-r count] [-s count] [[-j host-list] | [-k host-list]]
[-w timeout] destination-list
Options:
-t Ping the specified host until stopped.
To see statistics and continue - type Control-Break;
To stop - type Control-C.
-a Resolve addresses to hostnames.
-n count Number of echo requests to send.
-l size Send buffer size.
-f Set Don't Fragment flag in packet.
-i TTL Time To Live.
-v TOS Type Of Service.
-r count Record route for count hops.
-s count Timestamp for count hops.
-j host-list Loose source route along host-list.
-k host-list Strict source route along host-list.
-w timeout Timeout in milliseconds to wait for each reply.
Usage: tracert [-d] [-h maximum_hops] [-j host-list] [-w timeout] target_name
Options:
-d Do not resolve addresses to hostnames.
-h maximum_hops Maximum number of hops to search for target.
-j host-list Loose source route along host-list.
-w timeout Wait timeout milliseconds for each reply.

Транспортные протоколы:
сервис

© 2009-2010 TATU
Сервис транспортного уровня
Приложения не формируют IP-пакеты
для этого разработчикам приложений пришлось бы разбираться с неспецифичными для них сетевыми задачами и приложения стали бы зависимы от типа сети
Транспортный уровень принимает потоки данных или сообщения, «упаковывает» данные приложений в IP-пакеты и передает в сеть
сервис негарантированной доставки единичных сообщений обеспечивает транспортный протокол UDP
потоковый транспортный сервис с надежной доставкой обеспечивает протокол TCP
Internetworking
Transport
Application

© 2009-2010 TATU
Идентификация приложений
Транспортный уровень принимает из сети пакеты для множества приложений, возникает проблема разобраться – где чьи данные
Сетевые приложения идентифицируются 16-разрядным числом – портом (port)
одно приложение может использовать несколько портов
сетевое соединение (между приложениями) однозначно определяется набором параметров:
(T-protocol, SRC-IP, SRC-port, DST-IP, DST-port)

© 2009-2010 TATU
Немного о портах
Порты транспортных протоколов бывают предписанные (well-known) и динамически назначаемые
номера предписанных портов лежат в диапазоне от 1 до 1023
распределением (предписанием) well-known портов занимается специальная организационная структура Интернет – IANA
well-known порты приписываются серверам известных (широко распространенных) приложений; клиенты обычно используют эфемеридные, динамически назначаемые порты
динамически назначаемые порты используются либо известными приложениями для установления временных соединений, либо нераспространенными приложениями
когда нераспространенному приложению необходимо получить номер порта, либо когда возникает конфликт использования номеров портов (например, когда на сервере работают два однотипных известных приложения), приложения запрашивают динамический номер порта у TCP/IP-стека

© 2009-2010 TATU
Прикладной интерфейс socket
Наиболее распространенным прикладным интерфейсом для передачи данных по сети является предложенный в BSD Unix интерфейс socket
socket описывает сетевое соединение, как файл ввода-вывода
окончание соединения socket идентифицируется триадой
(T-protocol, IP-address, process port),
которую также называют транспортным адресом
(socket или transport address)

Транспортные протоколы:
UDP

© 2009-2010 TATU
Сервис протокола UDP
User Datagram Protocol, UDP (RFC 768) обеспечивает обмен единичными сообщениями между приложениями
UDP очень прост, это прямая ретрансляция сервиса протокола IP приложениям
UDP - дейтаграммный протокол, не гарантирующий доставку (может как терять, так и дуплицировать сообщения) и не сохраняющий порядка следования сообщений
Сообщение протокола UDP называют пользовательской дейтаграммой (user datagram)

© 2009-2010 TATU
Дейтаграмма UDP
UDP SOURCE PORT и UDP DESTINATION PORT – порты процесса-отправителя и процесса-получателя
source port имеет ненулевое заполнение, если процесс-отправитель должен получить ответное сообщение
UDP MESSAGE LENGTH – полная длина заголовка и сегмента данных
UDP CHECKSUM – контрольная сумма

© 2009-2010 TATU
Контрольная сумма Т-протоколов
Расчет контрольной суммы в TCP обязателен, а в UDP опционален: заполнение поля СHECKSUM нулями означает в UDP отказ от расчета контрольной суммы
при отказе от расчета контрольной суммы в UDP следует иметь ввиду, что сохранность блока данных не гарантирована ничем, кроме канального протокола
Расчет контрольной суммы производится по трем структурам данных:
псевдозаголовку
транспортному заголовку
сегменту данных транспортного сообщения
Пространство расчета контрольной суммы
Структура псевдозаголовка

Транспортные протоколы:
TCP
ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИИ TCP/IP
Декомпозиция управления
Архитектура TCP/IP
Протокол IP
Транспортные протоколы
- сервис
- UDP
- TCP
Литература

© 2009-2010 TATU
Сервис протокола TCP
Transfer Control Protocol, TCP (RFC793)
обеспечивает транспорт потоков (stream) т.е. приложение, передающее данные, не заботится о том, чтобы передавать транспортному протоколу информацию порциями
обрабатывает неструктурированные потоки данных, т.е. не накладывает никаких ограничений на состав потока и взаимосвязи между его элементами
буферизует данные, передаваемые в сеть
организует т.н. виртуальные соединения посредством предварительной согласовательной процедуры
обеспечивает полнодуплексное соединение при этом обеспечивается
управление потоком (в зависимости от пропускной способности и загрузки сети)
обеспечивает целостность потока и гарантирует доставку данных

© 2009-2010 TATU
Сегмент TCP
ТСР передает данные порциями (сегментами), каждый из которых включается затем в IP пакет
Заголовок сегмента (транспортный заголовок ТСР) обеспечивает возможность для передачи управляющей информации протокола вместе с трафиком (piggybacking)

© 2009-2010 TATU
Поля заголовка TCP
SOURCE PORT, DESTINATION PORT – номера портов отправителя и получателя сообщения
SEQUENCE, ACKNOLEDGEMENT NUMBER, WINDOW, URGENT POINTER – поля для управления потоком
DATA OFFSET – указатель на конец заголовка (начало блока данных)
CHECKSUM – контрольная сумма по сегменту данных
OPTIONS – варианты
PADDING - заполнение

© 2009-2010 TATU
Биты управления
URG, urgent – срочная передача данных
ACK, acknowledgement – подтверждение приема
PSH, push – очистка буфера
RST, reset – переустановление соединения
SYN, synchronize – синхронизация потоков
FIN, finish – окончание потока данных

© 2009-2010 TATU
Конечный автомат протокола TCP
Работу протокола TCP удобно пояснить на основе конечного автомата; состояния:
CLOSE – холостое состояние, отсутствие соединения
LISTEN, SYN RECVD, SYN SENT – промежуточные состояния фазы установления соединения
ESTABLISHED – соединение установлено, передача данных
CLOSE WAIT, LAST ACK, FIN WAIT 1,2, CLOSING, TIMED WAIT – промежуточные состояния фазы завершения соединения

© 2009-2010 TATU
Установление TCP-соединения
Результаты:
стороны готовы к приему/передаче и уведомили друг друга об этом
счетчики потоков установлены в начальные состояния

© 2009-2010 TATU
ESTABLISHED
ESTABLISHED
Передача данных. Квитирование
Отправитель берет из выходного буфера очередную порцию данных, формирует TCP-сегмент, рассчитывает контрольную сумму (см. «Контрольная сумма Т-протоколов»), высылает сегмент, устанавливает тайм-аут на ожидание квитанции
Получатель получает сегмент, сверяет контрольную сумму, выдает квитанцию
если контрольная сумма сошлась – ACK SQNC=X+L+1 (ожидание порции потока со следующего байта)
если сумма не сошлась – квитанция не высылается
Получив квитанцию, отправитель перемещает счетчик переданного потока в позицию, соответствующую ACK SQNC

© 2009-2010 TATU
Настройка тайм-аута (очень упрощенно)
Если сегмент (или квитанция) потеряны – отправитель по истечении тайм-аута повторяет передачу сегмента
Длительность тайм-аута должна быть настроена для пары отправитель-получатель
если оба в одной локальной сети – тайм-аут м.б. несколько миллисекунд
если на разных концах земли – требуется тайм-аут 1-10 с
ТСР производит измерение времени до прихода квитанции (round trip time, RTT)
Результаты измерений RTT усредняются с убывающим для более ранних измерений весом
Длительность тайм-аута выбирается пропорциональной усредненному (с убывающим во времени весом) времени двойного прохода

© 2009-2010 TATU
Оконное управление потоком
Если отправлять сегменты только после поступления квитанций (верхний рисунок), пропускная способность линии сильно падает из-за больших времен ожидания квитанций
Эффективность можно существенно поднять, если позволить отправителю высылать N сегментов до поручения квитанции на 1й сегмент из серии N (нижний рисунок)
число N называется [скользящим] окном, а этот механизм – оконным управлением потоком

© 2009-2010 TATU
Оконное управление потоком
Изменение размера окна позволяет эффективно управлять интенсивностью потока данных
при N=1 реализуется последовательная передача сегмент-квитанция
при больших N реализуется практически непрерывный дуплексный поток сегментов и квитанций
Механизм оконного управления потоком используется в TCP/IP для управления загрузкой сети (при перегрузке производится уменьшение окон передающих трафик узлов)
Отправитель
Получатель
Сегмент 1
Квитанция 1
Квитанция 2
Квитанция 3
Сегмент 2
Сегмент 3
Сегмент 1
Квитанция 1
.
.
.
Квитанция 10
Сегмент 10
Окно = 1
Окно = 10
.
.
.

© 2009-2010 TATU
Управление перегрузкой сети (упрощенно)
Перегрузка на промежуточном устройстве диагностируется по увеличению задержки передачи пакетов (дополнительно – по ICMP-сообщениям от промежуточных маршрутизаторов)
Методы управления перегрузкой:
на оконечных устройствах:
мультипликативное уменьшение окна (всякий раз вдвое, вплоть до 1) и увеличение тайм-аута
медленный старт: после восстановления работоспособности сети (устранение перегрузки) – увеличение окна вдвое (на 1 сегмент) по всякому факту подтверждения приема до размера окна получателя
на промежуточных устройствах:
усечение (сброс) хвоста очереди или, более поздний и оптимальный механизм – произвольный ранний сброс хвоста очереди

© 2009-2010 TATU
Принудительная передача данных
Отправитель накапливает данные во входном буфере
иногда, например, после набора команды в терминальном режиме, требуется передать данные срочно, не ожидая наполнения буфера
для этого:
в прикладном интерфейсе TCP используется команда push, «выталкивающая» данные из выходного буфера в сеть
бит PSH устанавливается в значение 1, чтобы принимающий трафик узел немедленно произвел прием данных

© 2009-2010 TATU
Передача вне [приемной] очереди
В случае необходимости передать данные срочно, вне очереди (out of band), например, для передачи запроса на перезагрузку удаленного компьютера нужно указать получателю на подлежащие срочному приему данные:
бит URG=1
указатель срочных данных указывает на позицию срочных данных в сегменте
Получатель примет данные, игнорируя необработанную входную очередь

© 2009-2010 TATU
Завершение TCP-соединения

© 2009-2010 TATU
Сброс ТСР-соединения
Когда следует прекратить связь, а штатное завершение ТСР-соединения по каким-либо причинам невозможно, используется аварийный механизм сброса соединения
инициатор высылает сегмент с установленным битом RST
получатель немедленно разрывает соединение