Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies Введение к курсу Презентации к курсам "Сети ЭВМ и телекоммуникации", "Сетевые. - презентация

1 Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies Введение к курсу Презентации к курсам "Сети ЭВМ и телекоммуникации", "Сетевые технологии (на англ. языке)" выложены на Литература для самостоятельного освоения: Rev / Мощевикин Алексей Петрович к.ф.-м.н., доцент кафедры информационно-измерительных систем и физической электроники (ФТФ ПетрГУ)

2 Модель взаимодействия Простейшая вертикальная модель взаимодействия объектов в компьютерной архитектуре может быть описана так (сверху-вниз): прикладное программное обеспечение (ПО) пользователя; операционная система; драйверы; аппаратура. Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

3 Модель OSI/RM APPLICATION PRESENTATION SESSION TRANSPORT NETWORK DATA LINK PHYSICAL Layer 7 Layer 6 Layer 5 Layer 4 Layer 3 Layer 2 Layer 1 OSI/RM ПРИКЛАДНОЙ ПРЕДСТАВИТ. СЕАНСОВЫЙ ТРАНСПОРТНЫЙ СЕТЕВОЙ КАНАЛЬНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ 1984 г. OSI/RM метод описания сетевых сред и открытых архитектур. Цель: стандартизация и простота написания драйверов определенного уровня, возможность организации стеков протоколов. Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

4 Уровни в модели OSI/RM прикладнойОбщий доступ к сети, поток данных, Ex: telnet. представления данных Определяет формат для обмена данными (переводчик), перевод данных свыше в общепринятый стандарт, шифрование, смена кодовой таблицы, сжатие данных. сеансовыйУстановление, использование и завершение сеанса связи, распознавание имен и защита, расстановка checkpoints, чтоб в случае неудачной передачи начинать с плохого места, некорректное завершение сеанса. транспортныйГарантирует доставку пакетов без ошибок, в той же последовательности, без потерь и дублирования. Переупаковка пакетов: длинные разбиваются, короткие объединяются. Сигнал подтверждения приема. Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

5 Уровни в модели OSI/RM сетевойАдресация и маршрутизация в глобальных сетях. На основании конкретных сетевых условий, приоритета услуги определяется маршрут пакета. Коммутация пакетов, маршрутизация, перегрузки. Деление на более мелкие пакеты, если адаптер компьютера не может передавать пакеты поступившей длины. Принимающая сторона их обратно соберет. канальныйПередача кадров с сетевого в среду передачи (паралл. в послед. и наоборот), иногда спец. кодирование. Кадр содержит: адреса получателя и отправителя, управляющую инфу (данные о верхнем уровне), данные и CRC поле. Сетевой уровень считает передачу данных безошибочной. физическийСырой поток битов. Электрический, оптический, механический (разъемы) и функциональный (способ передачи данных) интерфейсы сетевой платы с кабелем. Устанавливается длительность передачи каждого бита и правила перевода его в эл.- и опти- сигналы. Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

6 OSI и IEEE Project 802 В соответствие с расширением OSI/RM канальный уровень делится на два подуровня: LLC - Logical Link Control (подуровень управления логической связью) MAC - Medium Access Control (контроль доступа к среде передачи) Различия у сетевых архитектур находятся на канальном (MAC- подуровень) и физическом уровнях. Project 802 разрабатывался для канального и физического уровней. LLC: 802.2, MAC: (CSMA/CD), (шинная сеть с передачей маркера), (кольцо с передачей маркера), (по приоритету доступа). Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

7 OSI и архитектура компьютеров ПРИКЛАДНОЙ ПРЕДСТАВИТ. СЕАНСОВЫЙ ТРАНСПОРТНЫЙ СЕТЕВОЙ КАНАЛЬНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ Пользователь Операционная система Аппаратура Драйверы Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

8 Структура пакетов (кадров) Название порций данных для различных уровней: прикладной - поток байт (бит), транспортный - сегмент данных, сетевой - пакет, канальный - кадр. Перед подачей в сеть все данные разбиваются на пакеты. На каждом уровне к пакету добавляется доп. форматирующая или адресная информация. На принимающей стороне по мере поднимания пакета по уровням эта информация отсекается. Сетевая карта обеспечивает формирование пакетов ( > пакет > пакет > пакет >), их передачу и сбор с контролем ошибок. Основные компоненты пакета: адрес источника, адрес места назначения, передаваемые данные, инструкции о дальнейшем маршруте, информация по сбору фрагментированного пакета из кадров, информация для коррекции ошибок передачи. Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

9 Структура пакетов (кадров) Разделы: заголовок (сигнал о самом факте передачи пакета, адреса источника и получателя, инфа, синхронизующая передачу), данные (от 512 байт до 4кб), трейлер (CRC поле, после получения также вычисляется контрольная сумма и сравнивается с исходной). Преамбула кадра Заголовки шести уровней ДанныеТрейлер канального уровня Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

10 Передача данных по сети Виртуальная связь между соответствующими уровнями для удаленных машин (прозрачное взаимодействие на нижних уровнях). ПРИКЛАДНОЙ ПРЕДСТАВИТ. СЕАНСОВЫЙ ТРАНСПОРТНЫЙ СЕТЕВОЙ КАНАЛЬНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ПРИКЛАДНОЙ ПРЕДСТАВИТ. СЕАНСОВЫЙ ТРАНСПОРТНЫЙ СЕТЕВОЙ КАНАЛЬНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ Формирование пакета происходит последовательно на всех уровнях, при получении пакета отсечение. Среда передачи Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

11 Передача данных по сети ПРИКЛАДНОЙ ПРЕДСТАВИТ. СЕАНСОВЫЙ ТРАНСПОРТНЫЙ СЕТЕВОЙ КАНАЛЬНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ AB устройства сетевого уровня Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

12 OSI/RM и TCP/IP Стек TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol, протокол управления передачей/межсетевой протокол) в отличие от OSI/RM содержит всего 4 уровня: I – прикладной, II – транспортный, III – межсетевой, IV – физический (физического интерфейса). Все они в той или степени соответствуют уровням идеальной модели, т. е. выполняют похожие функции. Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

13 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 Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

14 Мультиплексирование Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

15 Ethernet Ethernet – технология (сетевая архитектура) локальных вычислительных сетей, описанная стандартами физического и канального уровней модели OSI/RM. Скорость передачи данных – 10 Мбит/с, 100 Мбит/с (Fast Ethernet), 1 Гбит/с (Gigabit Ethernet), 10 Гбит/с (10 Gigabit Ethernet). Внутри каждой спецификации существует еще несколько подвидов (например, 100Base- TX, 100Base-FX для Fast Ethernet), характеризуемых разными видами подключения к среде передачи (оптоволокно, витая пара, коаксиальный кабель), а также методами кодирования сигнала и включением/выключением тех или иных коммуникационных опций. Как уже было сказано, на канальном уровне все устройства имеют свой адрес, обычно определенный аппаратно. В технологии Ethernet в качестве адреса используется 6-байтовый идентификатор МАС (medium access control, например, 00:00:C0:5E:83:0E). Различают широковещательные (broadcast), уникальные (unicast) MAC- адреса и МАС-адреса групповой рассылки (multicast). Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

16 Формат кадра Ethernet DA – адрес назначения (destination address, 6 байтов); SA – адрес источника (source address, 6 байтов); L/T – длина или тип кадра (Length/Type, 2 байта); Data – данные верхнего уровня (например, IP уровня, 46–1500 байтов); CRC – поле контрольной суммы (Cyclical Redundancy Check, 4 байта). Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

17 Режим promiscuous В обычном режиме функционирования сетевого интерфейса при получении кадра данные (46–1500 байтов) будут переданы обработчику верхнего уровня только в случаях, если адрес назначения, установленный в поле DA, широковещательный, либо он совпадет с уникальным МАС- адресом принимающей станции. Однако каждый адаптер Ethernet может быть переведен в режим, в котором будут обрабатываться все кадры, поступающие из среды передачи. На английском языке такой режим носит название "promiscuous", что переводится как "безразличный" или "неразборчивый". Этим свойством сетевых адаптеров можно пользоваться, например, для создания программных анализаторов сетевого трафика (tcpdump). Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

18 Классы IP адресов IP адреса записываются в десятично-точечной нотации, каждый байт (значения в диапазоне 0-255) отделяется от соседнего точкой. Всего в Интернете возможно существование менее 2 32 хостов (сетевых интерфейсов). Выделение хоста в сети позволяет придерживаться четкой двухуровневой иерархической структуры. На данный момент существует бесклассовая система адресации (Classless Internet Domain Routing), характеризуемая любой длиной номера сети и хоста в пределах 32 бит. КлассСтруктура 32-битного IP адресаДиапазон сетей Класс А0 сети хоста Класс В10 сети хоста Класс С110 сети хоста Класс D1110 групповой адрес Класс Е11110 зарезервирован Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

19 Соглашение о спец. IP адресах Весь адрес состоит из 0 ( ) - адрес данного узла, разрешается только при загрузке системы, не может быть адресом назначения. Поле адреса сети = 0 (например, ) - узел 134 принадлежит данной сети. Весь адрес состоит из 1 ( ) - ограниченное в пределах локальной сети (на канальном уровне, до первого маршрутизатора) широковещание (не может быть адресом отправителя). В поле хоста все 1 (например, для сети класса В) - то широковещание в конкретной сети (не может быть адресом отправителя). 127.хх.хх.хх (например, ) - localhost, loopback, обратная связь (никогда не передается в сеть, используется для тестирования стека TCP/IP на данном компьютере). Закрытые сети (синонимы: частная сеть, сеть интранет, нереальные IP адреса, серые IP адреса, нетранслируемые в Интернет IP адреса) - для соответствующих классов сетей IP адреса в следующих диапазонах: Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

20 Маска IP адреса Назначение маски IP адреса - отделять часть, отвечающую за номер сети от части, идентифицирующей номер хоста в данной сети. Использование: маршрутизация и ограниченное широковещание. Маска IP - это неразрывный последовательный бинарный ряд логических 1, оканчивающийся неразрывным рядом 0 общей длиной 32 бита. Например, маска IP адреса класса А: маска IP адреса класса В: маска IP адреса класса С: маска длиной в 22 бита: Иногда значение маски пишется справа после IP адреса через слеш и обозначает битовую длину части адреса, отвечающего за IP сеть, например: /25. Выделением IP адресов в глобальном адресном пространстве ведает InterNIC (Network Information Center), в России - РосНИИРОС (Российский научно-исследовательский институт развития общественных сетей). Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

21 Использование маски Как определить номер узла в сети, номер сети, а также адрес ограниченного в пределах данной сети широковещания? Для этого необходимо наложить побитно маску сети на заданный IP адрес и проделать некоторые арифметические действия. Пример 1. Дано: IP адрес , сеть класса С (маска в 24 бита). Найти: номер сети, номер узла в сети, а также адрес ограниченного в пределах данной сети широковещания. IP адрес маска ( ) номер сети ( ) номер хоста ( ) адрес широковещ ( ) Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

22 Использование маски Пример 2. IP адрес , сеть с маской в 23 бита. IP адрес маска ( ) номер сети ( ) номер хоста ( ) адрес широковещ ( ) Пример 3. IP адрес , сеть с маской в 29 бит. IP адрес маска ( ) номер сети ( ) номер хоста ( ) адрес широковещ ( ) Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

23 ARP, RARP Отображение физических адресов на IP-адреса осуществляется при помощи протоколов ARP (Address Resolution Protocol) и RARP (Reversed ARP). Сетевой IP адрес не связан с МАС адресом, как это сделано в IPX. ARP: широковещательный запрос требуемого МАС адреса по известному IP адресу. ARP таблица (arp -a). RARP используется при старте бездисковых станций. Формат ARP/RARP пакета (инкапсулируется в кадр канального уровня) Тип сети (1 для Eth)Тип протокола (0080h) Длина лок. адресаДлина сетев. адресаОперация (ARP=1, RARP=2) Локальный адрес отправителя (байты 0-3) Локальный адрес отправителя (4-5)IP адрес отправителя (0-1) IP адрес отправителя (2-3)Искомый локальный адрес (0-1) Искомый локальный адрес (байты 2-5) Искомый IP адрес (байты 0-3) При ARP запросе поле "искомый MAC адрес" оставляют незаполненным. Значение этого поля заполняется узлом, опознавшим свой IP. Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

24 Формат IP пакета IP (Internet Protocol) пакет инкапсулируется в кадр канального уровня, чаще всего его заголовки являются вложенными в кадр IEEE версиядлинатип сервисаобщая длина пакета в байтах идентификация (для всех фрагментов одинаковое) флаги (3 бита) смещение фрагмента время жизнипротоколFCS заголовка IP адрес отправителя IP адрес получателя опции IP (если есть)поле заполнения до 32 бит данные верхних уровней Версия (IPv4) длина заголовка в 32 бит. словах тип сервиса (для интеллектуальных маршрутизаторов, PPPDTRхх, P - приоритет (для будущего), D,T,R - запрашиваются мин. задержки, макс. пропускная способность, макс. надежность) Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

25 Поля IP пакета Флаги Do not Fragment - DF, More Fragments - MF - еще фрагменты. (Использование - для определения MTU - Maximal Transfer Unit). Time to live – время жизни пакета в секундах. Это время уменьшается на количество секунд задержки на каждом маршрутизаторе или на 1 при любом переходе через маршрутизатор. Поле TTL введено для устранения бесконечного блуждания пакетов по Сети (например, в случае неправильной конфигурации маршрутизаторов и возникновения логических колец). Опции IP (если есть) - для тестирования или отладки сети (например, запись маршрута или обязательное прохождение по маршруту). Минимальный размер заголовков IP уровня - 20 байт. Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

26 UDP Заголовки и данные UDP (User Datagram Protocol) уровня инкапсулируются в поле данных IP уровня. UDP - протокол негарантированной доставки данных (транспортный и сеансовый уровни модели OSI/RM). UDP используется для отсылки данных некритичных к потере информации приложений (DNS запросы-ответы, ICQ, TFTP, игровые сервисы типа Quake). Также UDP почти всегда используется для рассылки групповых IP датаграмм. Некоторые IP адреса класса D статически закреплены за разными сервисами, например означает "все системы в этой подсети", а "все маршрутизаторы в этой подсети". Групповой адрес предназначен для сетевого протокола времени (NTP - Network Time Protocol), а для RIP- 2. В случае групповой рассылки датаграмм с использованием адресации класса D три младшие байта IP адреса также записываются в три младшие байта адреса назначения кадра групповой рассылки канального уровня (для Ethernet). Заголовок IP ( 20 байт) Заголовок UDP (8 байт)Данные UDP Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

27 Формат UDP заголовка Количество портов источника и назначения ограничены 16-ю битами (всего портов). Порты разделяют на именованные (закрепленные соответствующими RFC за определенными сервисами) и неименованные. Т.к. контрольная сумма в заголовках IP уровня охватывает только заголовок, на TCP и UDP уровнях необходимо контролировать качество самих переданных данных. Номер порта источника (16 бит)Номер порта назначения (16 бит) Длина UDP пакета (16 бит)Контрольная сумма UDP (16 бит) Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

28 IP фрагментация Приложениям, которые пользуются UDP для отправки данных, нет необходимости заботиться о размере получившейся в результате IP датаграммы (лишь бы она не выходила за пределы 64кб, максимального размера). Если она по размеру больше, чем MTU для данной сети, IP датаграмма будет фрагментирована. На рисунке приведен пример фрагментации поверх Ethernet. Заголовок IP Заголовок UDP Данные UDP (1473 байта) Заголовок IP Заголовок UDP Данные UDP (1472 байта)Заголовок IP UDP 1 байт пакет 1пакет 2 Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

29 TCP Заголовки и данные TCP (Transmission Control Protocol) уровня инкапсулируются в поле данных IP уровня, т.е. в IP датаграмму. TCP - протокол гарантированной доставки данных по предустановленному виртуальному соединению (транспортный и сеансовый уровни модели OSI/RM). Единицей данных протокола TCP является сегмент. Оба участника соединения должны договориться о максимальном размере сегмента, который они будут использовать. Этот размер выбирается таким образом, чтобы при упаковке сегмента в IP-пакет он помещался туда целиком, то есть максимальный размер сегмента не должен превосходить максимального размера поля данных IP- пакета. Максимальный размер сегмента не должен превышать минимальное значение на множестве всех MTU промежуточных IP сетей. TCP строит пакеты, упаковывая их в сегменты, устанавливает тайм-ауты в момент отправки, подтверждает принятые данные, меняет их порядок в случае хаотического прибытия (вследствие различных путей датаграмм), отбрасывает дублированные данные, осуществляет контроль потока данных, рассчитывает и проверяет контрольную сумму. Заголовок IP ( 20 байт)Заголовок TCP ( 20 байт) Данные TCP Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

30 Формат TCP заголовков номер порта источника (16 бит)номер порта назначения (16 бит) номер последовательности (32 бита) номер подтверждения (32 бита) 4 бита длина заголовка резерв 6 бит URGURG ACKACK PSHPSH RSTRST SYNSYN FINFIN размер окна (16 бит) контрольная сумма (16 бит)указатель срочности (16 бит) опции (если есть) данные (если есть) Номер последовательности (sequence number) идентифицирует количество байт в переданном потоке в одном направлении. При установлении нового соединения значения этого поля содержит исходный номер последовательности (выбирается псевдослучайным образом). Поле номер подтверждения содержит номер последнего успешно принятого байта +1. Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

31 Формат TCP заголовков Длина заголовка выражается в 4х байтовых словах (максимальная длина TCP заголовка - 60 байт). Битовые флаги: URG - флаг срочности (запрет ожидания заполнения исходящего буфера при передаче), используется совместно с указателем срочности (смещением, складываемым с номером последовательности). Флаг используется, например, при нажатии CTRL+C в режиме telnet. ACK - указатель подтверждения приема PSH - получатель должен передать данные приложению как можно быстрее (используется очень часто для уменьшения времени передачи информации). RST - сброс соединения. SYN - сигнал установления соединения. FIN - отправитель заканчивает отсылку данных. Контроль потока данных на каждой стороне TCP соединения производится с использованием окна ( байт). Это количество байт, начинающееся с указанного в поле номера подтверждения, которое приложение собирается принять. Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

32 Установление TCP соединения svr > bsdi.discard: S : (0) win (0.0024) bsdi.discard > svr4.1037: S : (0) ack win (0.0048) svr > bsdi.discard:. ack win (4.1482) svr > bsdi.discard: F : (0) ack win (0.0013) bsdi.discard > svr4.1037:. ack win (0.0014) bsdi.discard > svr4.1037: F : (0) ack win (0.0225) svr > bsdi.discard:. ack win 4096 Выше представлен дамп трафика (7 пакетов), сгенеренный программой tcpdump. Первые три пакета передаются для установления соединения с битом SYN, размер окна 4096 байт, значение максимальной длины сегмента (связана с MTU) передается в поле опций (только в первых пакетах). Для последовательного двустороннего разрыва TCP соединения необходимо переслать по сети 4 пакета с битами FIN и ответом на них ACK. Т.к. TCP соединение носит полнодуплексный характер (данные могут передвигаться в каждом направлении независимо от другого), каждое направление может быть закрыто независимо от другого. (Точка на месте флагов указывает на отсутствие флагов SYN, FIN, RST, PSH). Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

33 Мультиплексирование Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

34 Датаграммы Если у компьютера 1 возникает необходимость отправить датаграмму сетевого уровня компьютеру 2, то ему необходимо ее подготовить, инкапсулировать в кадр канального уровня и отправить его в среду передачи через свой единственный физический интерфейс. Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

35 Перехват трафика Для того, чтобы иметь возможность перехватить сетевой трафик, необходимо иметь устройство, функционирующее на физическом уровне. Благодаря переключению сетевого адаптера в режим promiscuous возможно создать программный анализатор трафика (или, например, программу перехвата паролей). Hub Switch Router Hub – репитер Switch – коммутатор Router - маршрутизатор Hub Switch Возможный контроль трафика Сетевой уровень OSI/RM Канальный уровень OSI/RM Физический уровень OSI/RM Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies

36 Контроль трафика Router / Firewall / Proxy / Logger – устройство, отвечающее за безопасность внутренних сетей предприятия (Intranet). Hub Switch Router Hub Switch Router/ Firewall/ Proxy/ Logger Internet Сетевой уровень OSI/RM Канальный уровень OSI/RM Физический уровень OSI/RM Петрозаводский гос. университет, Алексей Мощевикин, 2008Net Technologies