Сетевой уровень. Сети TCP/IP

Содержание лекции
Обзор сетевого уровня
Функции сетевого уровня
Общие вопросы маршрутизации
Типы маршрутизации
Алгоритмы динамической маршрутизации
Сетевой уровень сетей TCP/IP
Адресация в TCP/IP-сетях
Типы адресов
Преобразование адресов
Протокол ARP
Служба DNS
Назначение IP-адресов
Протокол DHCP
Протокол IPv4
Формат IP-пакета
Маршрутизация в IP-сетях
Таблица маршрутизации и протоколы динамической маршрутизации
Диагностика сети
Протокол ICMP

Функции сетевого уровня
Сеcсия
Физический
Прикладной
Представи
тельский
Транспортный
Сетевой
Звено данных
Базовые функции
Адресация
Маршрутизация
Управление потоком
Дополнительные функции
Фрагментация
Диагностика сети

Маршрутизатор
Сеcсия
Звено данных
Ф
Физический
Физический
Прикладной
Представи
тельский
Транспортный
Сетевой
Звено данных
ЗД
С
T
С
П
Прикладной
ЗД
Ф
Протокольное взаимодействие
Интерфейсное взаимодействие
Router
1
2
3
4
5
6
7
С
Сетевой
Router
Маршрутизатор (Router)
ЗД
Ф
Switch
Router 1
Router 2
Switch
Сколько здесь сетей?

Маршрутизация (routing)
Процессы:
выбор маршрута до узла назначения при пересылке пакета (forwarding)
распространение информации о существующих в сети маршрутах (route information exchange)

Типы маршрутизации
Статическая
Квазистатическая
Лавинная
Динамическая
Распределенный алгоритм Беллмана-Форда
Алгоритм Дейкстры Shortest Path First (SPF)

Пример сети
Задача: найти путь от A к B который
минимизирует стоимость пути.
R7
R6
R4
R2
R1
1
1
4
2
4
2
2
3
2
3
R8
A
B
R5
R3
Пример стоимости:
расстояние, скорость передачи, цена, задержка, …

Пример сети
R7
R6
R4
R2
R1
1
1
4
2
4
2
2
3
2
3
R8
A
B
R5
R3
Решение

Статическая маршрутизация
Зная оптимальный маршрут заранее,
настроим маршрутизаторы так,
чтобы пакеты шли только по этому маршруту
R7
R6
R4
R2
R1
1
1
4
2
4
2
2
3
2
3
R8
A
B
R5
R3
Пакеты для B через R2
Пакеты для B через R5
Пакеты для B через R8

А как быть с такой сетью...!?
Internet в 1999

Лавинный алгоритм
Преимущества:
простота;
любой узел сети доступен.
Недостатки:
пакеты могут приходить на промежуточные узлы несколько раз;
может быть зацикливание;
загрузка сети.
Пакеты передаются во все направления, кроме тех,
откуда пришли.

Динамическая маршрутизация
Идея: маршрутизаторы должны «рассказать» друг другу о том как лучше доставить пакет
R7
R6
R4
R2
R1
1
1
4
2
4
2
2
3
2
3
R8
A
B
R5
R3
Сеть с B подключена прямо ко мне
R8: «Пакеты B через меня!»
R6: «…»
Найден оптимальный путь
«Сеть с B достижима!»
Что может «рассказать» R6 и другие узлы?

Распределенный DV алгоритм Bellman-Ford
Маршрутизаторы периодически обмениваются информацией о стоимости лучшего известного им пути к сети (узлу) назначения. Если таких сетей несколько – получается вектор расстояний (Distance Vector, DV)
Алгоритм для узла i:
Dii = 0; Dij = ∞;
Dii = min {dik + Dkj}, i ≠ j,
k подключен к i
dij
Djk
i
j
k
Получено от k в векторе расстояний (DV):
{Dk1, Dk2, …, Dkn}
Периодически повторяется
dij – стоимость передачи по линии связи между узлами i и j
dii = 0
dij = ∞, если узлы не связаны
Dij – стоимость пути между узлами i и j

Пример сети
R7
R6
R4
R2
R1
1
1
4
2
4
2
2
3
2
3
R8
A
B
R5
R3
D88 = 0
D28 = 4
D38 = 4
D18 = 5
D48 = 6
D48 = 5

Проблема алгоритма Bellman-Ford
R4
R3
R2
R1
1
1
1
Рассмотрим как будет вычисляться расстояние до R4:
Решение:
Установить предел расстояния (небольшое значение 16) после которого связь считается разорванной.

Алгоритм Дейкстры Shortest Path First (SPF)
* отсюда и название семейства протоколов “Link State”
Алгоритм SPF:
предполагает знание топологии сети: узлы, наличие связей между ними и состояние этих связей (Link State*, LS);
строит покрывающее сеть дерево таким образом, чтобы стоимость путей от корня до листовых вершин была минимальной.
Алгоритм для узла i:
1. Dii = 0;
S = { i }, C = N \ { i }.
Dij = dij , j ∈ C;
2. Найти k ∈ C, такое что Dik = min m∈ C Dim ;
S = S ∪ { k };
C = C \ { k };
Закончить, если C пусто.
3. Для j ∈ Nk ∩ C пересчитать D:
Dij = min { Dij , Dik + dkm }
Перейти к шагу 2.
dij – стоимость передачи по линии связи между узлами i и j
dii = 0
dij = ∞, если узлы не связаны
Dij – стоимость пути между узлами i и j
N – все узлы сети
Nk – узлы сети, соседние с k
S – узлы, включенные в дерево
C – узлы-кандидаты на включение в дерево
dij
Djk
i
j
k

Пример работы SPF
R2
R1
1
2
R3
R4
R5
1
2
2
3
R2
R1
1
2
R3
R4
R5
1
2
2
3
R8
6
4
R2
R1
1
2
R3
R4
R5
1 (2)
2
3
R8
6
4
R6
R7
4
3
8
5
R2
R1
1
2
R3
R4
R5
1 (2)
2 (3)
R8
6
4
R6
R7
4
3
5
8
2
5
R2
R1
1
2
R3
R4
R5
1 (2)
2 (3)
R8
6
4
R6
R7
4
3 (5)
8
2
5
3
8
R2
R1
1
2
R3
R4
R5
1 (2)
2 (3)
R8
4
R6
R7
4
3 (5)
8
2 (7)
3
2

Пример работы SPF
R2
R1
1
2
R3
R4
R5
1 (2)
2 (3)
R8
4
R6
R7
4 (12)
3 (5)
2 (5)
3
2
Покрывающее дерево, полученное в результате работы SPF на узле R1.

LS-протоколы маршрутизации
Описать работу LS-протокола маршрутизации можно так:
каждый маршрутизатор самостоятельно вычисляет кратчайший путь до остальных узлов сети (машрутизаторов и сетей), используя SPF;
необходимую SPF информацию о топологии сети маршрутизатор накапливает в процессе обмена с другими маршрутизаторами LS-сообщениями;
все сообщения LS рассылаются по сети неизменными;
маршрутизаторы хранят последние версии сообщений LS.

Сравнение алгоритмов Беллмана-Форда и Дейкстры
Bellman-Ford:
(+) простой в реализации
(-) долго реагирует на
изменения в сети
(-) проблема счёта до
бесконечности
Dijkstra’s SPF:
(+) быстро реагирует на
изменения в сети
(-) более ресурсоёмок
(память для хранения
топологической информации)
(-) сложный алгоритм

Адресация в TCP/IP-сетях
Три типа адресов
Локальные (аппаратные) адреса узлов в пределах одной из подсетей, объединяемых IP-сетью
уникальны в пределах одной такой подсети
Пример: MAC-адрес 00-1C-F0-63-16-04
Сетевые адреса узлов IP-сети
уникальны в пределах всей сети
Пример: IP-адрес 195.54.14.135
Символьные адреса
используются как удобная для пользователя форма сетевого адреса
Пример: доменное имя iit.uio.csu.ru

IP-адресация
Иерархическая организация адресного пространства
Длина адреса IPv4 4 байта (32 бита)
старшие биты – номер сети
младшие биты – номер узлы внутри сети
Имеются зарезервированные специальные адреса
Для удобства адреса принято записывать побайтно через точку, например 195.54.2.1
Сеть (Net)
Узел (Host)
4 байта
Граница между сетевой и хостовой частью определялась сначала классом, затем – маской

Соглашения о специальных адресах
{ <номер сети>, <номер узла> }
{ 0, 0} - обозначает данный узел (ex. 0.0.0.0)
{ 0, <номер узла> } - узел в данной локальной IP-сети
{ <номер сети>, 0 } - данная IP-сеть (ex. 194.28.0.0)
{ <номер сети>, -1 } - все узлы в указанной IP-сети (ex. 194.28.0.255)
{ -1, -1 } - все узлы в данной локальной сети (ex. 255.255.255.255)
{ 127, <любое число> } – локальная петля (ex. 127.0.0.1)
RFC 1122

IP-адрес
Первоначально 5 классов:
Класс “A”
1
7
0
Net ID
Host-ID
Класс “B”
10
Net ID
Host-ID
24
2
14
16
Класс “C”
110
Net ID
Host-ID
3
21
8
Класс “D”
1110
Multicast Group ID
4
28
Класс “E”
11110
Reserved
5
27
A
B
C
D
0
232-1

Проблема исчерпания адресов IP v4
Варианты решения:
более эффективно перераспределить существующие
как «распилить» классовые сети?
позволить организациям использовать одни и те же адреса
как маршрутизировать?
изобрести новый протокол (с более длинным адресом)

Дальнейшее развитие IP-протокола
(IPv6)
Решение проблемы исчерпания адресов IPv4!
Повышение производительности коммуникационного оборудования
Появление новых приложений и мультимедиа
Новые стратегии администрирования
RFC-1752
RFC-1826
RFC-1827
RFC-1883
RFC-1885
RFC-1887
* * *
Причины развития:

Структура адреса IPv6
010
Идентификатор
регистратора
Идентификатор
провайдера
абонент
провайдера
0
3
8
n
63
Пространство структурируемое абонентом
127
64

Соглашения о приватных адресах
Приватные («серые») адреса
10.0.0.0 - 10.255.255.255
172.16.0.0 – 172.31.0.0 192.168.0.0 – 192.168.255.0
Не маршрутизируются в Internet
RFC 1918

Разбиение на подсети (Subnetting)
Классовые сети делятся на подсети (subnets)
Для отделения сетевой части адреса от части хоста используется маска
RFC 950
Сеть класса B
10
Net ID
Host-ID
2
14
16
10
Net ID
Host-ID
2
14
16
0000
Номер подсети (20)
Узел
подсети (12)
10
Net ID
Host-ID
2
14
16
1111
10
Net ID
Host-ID
2
14
16
000000
10
Net ID
Host-ID
2
14
16
1111011011
Номер подсети (22)
Узел
подсети (10)
Номер подсети (20)
Узел
подсети (12)
Номер подсети (26)
Узел
подсети (6)

Маска подсети
Позволяет отделить часть адреса с номером сети от части адреса с номером узла
Является битовой маской для операций
выделения части сети
Net = Address & Mask
выделения части хоста
Host = Address & ~Mask
Записывается в одном из двух форматах:
побайтно, аналогично IP-адресу
255.255.255.0
число единиц, начиная от старшего разряда
/24

Classless Interdomain Routing (CIDR)
Пространство адресов IP разделяется на линейные сегменты
Каждый линейный сегмент описывается префиксом
Префикс имеет вид x/y где x указывает на все адреса линейного сегмента, а y указывает на длину сегмента
Пример:
префикс 128.9.0.0/16 определяет линейный сегмент с адресами в диапазоне: 128.9.0.0 … 128.9.255.255

Classless Interdomain Routing (CIDR)
Агрегация префикса:
Если провайдер обслуживает две организации, он может агрегировать их адреса с помощью более короткого префикса.
Маршрутизаторы могут ссылаться на этот префикс, сокращая размер их таблиц маршрутизации.
Пример:
При обслуживании 128.9.14.0/24 и 128.9.15.0/24, можно сообщить другим организациям об обслуживании префикса 128.9.14.0/23

Проблема исчерпания адресов IP v4
Варианты решения:
более эффективно перераспределить существующие
как «распилить» классовые сети? ? Subnetting
… и не захлебнуться в обилии маршрутов ? CIDR
позволить организациям использовать одни и те же адреса
как маршрутизировать? ? не маршрутизировать
… как предоставлять сервисы Internet? ? NAT (чуть позже)
изобрести новый протокол (с более длинным адресом) ? IP v6

Преобразование адресов
Служба DNS
Служба DNS
Протокол RARP
Протокол ARP

Протокол ARP
(отображения IP-адресов в MAC- адреса)
Предназначен для установления соответствия между IP- и МАС-адресами для передачи пакетов на уровне звена данных
Таблица ARP храниться на каждом хосте
Записи в таблице могут быть статические и динамические
Статические arp -s
Динамические существуют определенное время (устаревают)

Протокол отображения IP-адресов в
Ethernet-адреса (ARP)
RFC-826
RFC-903
RFC-1027
Ethernet-заголовок
Данные протокола ARP

Порядок работы ARP
Производится попытка преобразования при помощи ARP таблицы
При отрицательном результате по сети посылается широковещательный запрос
Все узлы сети принимают запрос и производят сверку своего IP-адреса с IP-адресом указанным в запросе
Соответствующий узел посылает на MAC-адрес отправителя ответ, указывая свой MAC-адрес

Служба DNS
Представляет собой универсальное средство разрешения имен
Является распределенной базой данных
Позволяет разделить полномочия администраторов DNS
RFC 1034
RFC 1035

Структура DNS

Компоненты DNS
Пространства имен домена и записи базы данных (зоны DNS)
Серверы имен
Обслуживают зоны DNS, предоставляют их содержимое другим серверам и программам разрешения имён
Обслуживает обращения в итеративном или рекурсивном режиме
Клиентская служба разрешения имен
Часть операционной системы узла, предоставляющая другим программам возможность разрешения имён, реализуя взаимодействие с серверами имён

Примеры адресов разных уровней OSI
L1-адрес
Номер кабеля («прямой»)
Частота несущей
Сеcсия
Физический
Прикладной
Представи
тельский
Транспортный
Сетевой
Звено данных
L2-адрес
MAC-адрес
номер канала (LLC)
L3-адрес
IP-адрес
L4-адрес
идентификатор точки входа в вычислительный процесс (srcip,srcport,dstip,dstport)

Назначение адресов
IP-адреса могут назначаться узлам
Статически
Динамически (протокол DHCP)

Протокол DHCP
Позволяет удаленно настраивать большое число рабочих станций для работы в IP-сетях
Является средством централизованного
хранения информации о конфигурации TCP/IP
предоставления её узлам сети в виде DHCP-опций (options)
Состоит из двух компонентов
DHCP-сервер
DHCP-клиент
RFC-1531
RFC-1541

Протокол IP
Выполняет две основные функции:
Адресация
Фрагментация дейтаграмм
Взаимодействует непосредственно с протоколами канального уровня
Определяет маршрутизацию данных по сети до точки назначения или промежуточного шлюза
Обрабатывает каждую дейтаграмму как независимую от других единицу данных
Не гарантирует доставку, достоверность данных

Формат заголовка IP-пакета
Version
IHL
T of S
Total length
(maxrec<=576bytes)
Identification
Flags
Fragment offset
Time to live
Protocol
Header checksum
Source address
Destination address
Options
Padding
RFC-791

Поле Type of service
D - Минимальная задержка
T - Высокая пропускная способность
R - Высокая надежность
C - Низкая стоимость
0 - Обычный уровень
1 - Приоритетный
2 - Немедленный
3 - Срочный
4 - Экстренный
5 - CEITIC/ECP
6 – межсетевое
управление
7 - сетевое управление
RFC 1349

Поле Flags
=0 : можно фрагментировать
=1 : не фрагментировать
=0 : последний фрагмент
=1 : есть следующий фрагмент

Маршрутизация в IP-сетях
Применяемые типы маршрутизации
Статическая
Динамическая с использованием различных протоколов маршрутизации

Протоколы маршрутизации
Определяют:
используемый алгоритм маршрутизации;
способы и правила представления и обмена информацией, необходимой для работы алгоритма маршрутизации.
R4
R3
R5
R2
R1
1
1
1
1
1
1
Как маршрутизатору реагировать на происходящие в сети изменения?

Виды протоколов маршрутизации.
Примеры реализаций
Дистанционно-векторные (Distance Vector, DV)
на основе распределённого варианта алгоритма Беллмана-Форда
RIP v1 и v2 (IETF)
По состоянию связи (Link State, LS)
на основе распределённого варианта алгоритма Дейкстры
IS-IS (ISO)
OSPF (IETF)
«Гибридные» aka Loop-free DV
на основе алгоритма DUAL
EIGRP (Cisco)
По вектору пути (Path Vector, PV)
разновидность DV, передающие не только стоимость пути, но и сам путь
BGP (IETF)

Таблица маршрутизации
Является источником информации для выбора направления дальнейшей пересылки пакета
Может заполняться
вручную
динамически
Процесс OSPF
Файл конфигурации
Процесс BGP
Маршрутизатор
Префикс

Пример таблицы маршрутизации