Το ιαδίκτυο και το πρωτόκολλο TCP/IP -- N. Μήτρου. ίκτυα Επικοινωνιών: Το ιαδίκτυο και το πρωτόκολλο ΤCP/IP

Transcript

1 ίκτυα Επικοινωνιών: Το ιαδίκτυο και το πρωτόκολλο ΤCP/IP 1

2 Ορολογία - Ορισµοί (Ι) ίκτυο Τηλεπικοινωνιών: κατανεµηµένο σύνολο συσκευών επεξεργασίας/παροχής πληροφορίας, διασυνδεδεµένων µε τηλεπικοινωνιακές γραµµές ιαδικτύωση (internetworking): διασύνδεση δύο ή περισσοτέρων δικτύων διαδίκτυο (internet) network II IS network I INTERNET: το καθολικό διαδίκτυο, συνιστάµενο από όλαταδιασυνδεδεµέναδίκτυαστονκόσµο ΙS: Intermediate System (Gateway -- Router, Bridge, Repeater) 2

3 Ορολογία - Ορισµοί (ΙΙ) Στοίβα πρωτοκόλλων: διαστρωµατωµένο (layered) σύνολο κανόνων, που διέπει την επικοινωνία δύο µερών, ως προς το ποιές µονάδες πληροφορίας (Protocol Data Units - PDUs), µπορούν να ανταλλάξουν, πότε και µε ποιά σηµασία. Αρχιτεκτονική OSI (Open System Interconnection): στοίβα πρωτοκόλλων 7 στρωµάτων για επικοινωνία µεταξύ ανοικτών, κατανεµηµένων συστηµάτων. Εχει ορισθεί από την ISO (International Organization for Standardization) TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol): τα πρωτόκολλα στα στρώµατα Μεταφοράς και ικτύου στο ιαδίκτυο 3

4 Τυποποίηση του TCP/IP Προγενέστερη του OSI αλλά συνεχιζόµενη Μέσω των RFC (Request For Comments) Υπεύθυνο το Internet Architecture Board, κύρια πηγή το Internet Engineering Task Force (IETF) Κατάσταση ενός πρωτοκόλλου: Standard (STD) Draft standard Proposed standard Experimental Informational Historic Χρήση πρωτοκόλλου: Required Recommended Elective Limited use Not recommended 4

5 Τοπολογία ιαδικτύου ιαδίκτυο (Ιnternet): το παγκόσµιο δίκτυο που προκύπτει από τη διασύνδεση όλων των (υπο) δικτύων hub hub 5

6 Τοπολογία ιαδικτύου (συνέχεια) Τ1 ροµολογητής Φύλλο ροµολογητής Κορµού Τ3 Κόµβος MPLS Ακραίος ροµολογητής Τ2 WDM ΑΤΜ SDH Frame Relay ίκτυο Στέλεχος ίκτυο Στέλεχος Τηλεφωνικό ίκτυο ή ISDN Τ4... Τ5 Τ6 ίκτυο Κορµού * Τ: ικτυακός Τοµέας (έναδίκτυοτοοποίοελέγχεταιαπόµια συγκεκριµένη διαχειριστική οντότητα) 6

7 ροµολογητές Ιnternet - IP Routers Ηδροµολόγηση γίνεται στο στρώµα IP, ανεξάρτητα από το υποκείµενοφυσικόδίκ Host A Router APPL TCP IP IEEE IP datagram frame message segment IP IEEE Frame Relay IP datagram frame APPL TCP IP Frame Relay Host B Ethernet network Frame Relay Network 7

8 H στοίβα πρωτοκόλλων TCP/IP *** ** * APPL TCP UDP IP Net. Interface Host network I Application Protocol (π.χ. FTP) TCP/UDP Protocol Net. I/f IP Net. I/f Router network II APPL UDP TCP IP Net. Interface Host *** ** * * Τα σηµεία πρόσβασης υπηρεσίας (SAPs) µεταξύ IP και ιεπαφών ικτύου (Network Interfaces) χαρακτηρίζονται από τις ιευθύνσεις ΙΡ ** Τα σηµεία πρόσβασης υπηρεσίας (SAPs) µεταξύ TCP/UDP και ΙP χαρακτηρίζονται από το Transport Protocol ID (TCP UDP) *** Τα σηµεία πρόσβασης υπηρεσίας (SAPs) µεταξύ Εφαρµογών και TCP /UDP ονοµάζονται sockets: Socket = <IP-address, Transport Protocol ID, Port number> 8

9 H στοίβα πρωτοκόλλων TCP/IP (συνέχεια) Gopher Kerb Xwin Telnet Web browser MIME SMTP IP NFS HTTP FTP DNS TFTP RPC RTP SNMP TCP UDP Ping Trace Route ICMP ARP RARP Ethernet, Token-Ring, Frame Relay, Wireless, ATM, SDH, WDM,... ATM: Asynchronous Transfer Mode SDH: Synchronous Digital Hierarchy WDM: Wavelength Divisision Multiplexing ARP: Address Resolution Protocol RARP: Reverse ARP ICMP: Internet Control Message Protocol TCP: Transmission Control Protocol UDP: User Datagram Protocol HTTP: HyperText Transfer Protocol FTP: File Transfer Protocol TFTP: Trivial FFTP SMTP: Simple Mail Protocol SNMP: Simple Network Management Protocol DNS: Domain Name System MIME: Multi-purpose Internet Mail Extensions 9

10 Eνθυλάκωση εδοµένων (Data encapsulation) εδοµένα εφαρµογής Επικεφαλίδα ΤCP/UDP εδοµένα εφαρµογής Επικεφαλίδα IP Επικεφαλίδα ΤCP/UDP εδοµένα εφαρµογής Επικεφαλίδα Ethernet Επικεφαλίδα IP Επικεφαλίδα ΤCP/UDP εδοµένα εφαρµογής 10

11 ΗΟργάνωσητουΛογισµικού TCP/IP Εφαρµογή Εφαρµογή Εφαρµογή IGMP ARP RARP TCP IP UDP Ping Trace Route ICMP Λογισµικό-Οδηγός (Driver) ιεπαφής ικτύου Λογισµικό-Οδηγός (Driver) ιεπαφής ικτύου Λογισµικό-Οδηγός (Driver) ιεπαφής ικτύου 11

12 ιευθυνσιοδότηση (Addressing) IP διευθύνσεις των 32 bits, δίνονται συνήθως σε αριθµητική (δεκαδική) µορφή µε τελείες, π.χ , ή συµβολική µορφή, π.χ. pyrros.cs.ntua.gr H αντιστοιχία µεταξύ αριθµητικών και συµβολικών διευθύνσεων γίνεται µε τη βοήθεια του Domain Name System (DNS). IP address = <network number><host number> 12

13 Ονόµατα διευθύνσεις ΙΡ Host (1) (2) Local name server (8) (3) edu com gr (4) (5) (1): pyrros.cs.ntua.gr (2): ntua.gr? (3): ntua.gr = a (4): cs.ntua.gr? (5): cs.ntua.gr = b (6): pyrros.cs.ntua.gr? (7): pyrros.cs.ntua.gr = c (7) (6) cs ntua DNS IP=a DNS IP=b pyrros IP=c 13

14 Κατηγορίες διευθύνσεων Ιnternet Class A ( ) Class B ( ) 0 network host number 1 0 network host number Class C ( ) network host number Class D ( ) Class E ( ) multicast group ID reserved for future use 14

15 Υποδίκτυα (subnets) Για τον έξω κόσµο IP class network subnet host address: Subnet mask: Παράδειγµα υποδικτύωσης: Router 1 Όλα τα άλλα δίκτυα. Βλέπουν Subnet mask: Ενα Class B Network Ενα Logical IP Subnet (LIS) Subnet mask: Router Subnet mask:

16 ροµολόγηση στο ιαδίκτυο router ίκτυο Eth1 hub b d router d 2 d,d d 2,D 2 B Η e e ίκτυο Eth2 hub d 2 e e, Ε d 2 e e 2, Ε 2 Eth address: b Net address: B ARP table Eth1 A: a B: b IP routing B: Β, Eth1 E: Ε, Eth2 H: E, Eth2 E E, Eth2 ARP table Eth2 E: e F: f Eth address: f Net address: F 16

17 Πίνακες δροµολόγησης D Άµεσες διαδροµές (direct routes), για προσκείµενα δίκτυα Έµµεσες διαδροµές (indirect routes), για µη προσκείµενα δίκτυα Πάγια διαδροµή (default route) για όλα τα άλλα δίκτυα Παράδειγµα: C (διεύθυνση C στο ) E (διεύθυνση F στο 129.7) F G Πίνακας δροµολόγησης κόµβου Ε Destin. Next Hop I/f NetMask άµεση eth0 ff.ff άµεση eth1 ff.ff eth1 ff.ff.0.0 default eth0 ff.ff.0.0 A B (διεύθυνση F στο ) 17

18 ροµολόγηση µε υποδικτύωση bitwise_and(destin. IP address, subnet nask) = bitwise_and(my IP address, subnet mask) Yes No Send IP datagram on local network Send IP datagram to gateway corresponding to the destin. IP (sub)network address 18

19 Αλγόριθµος δροµολόγησης IP Packet arrived RoutePacket (Packet, RoutingTable) Extract Destination IP Address, D, from Packet if D = IP-Address-of-a-Local-Interface then forward packet to upper layers; exit for each Direct Routing Entry E compute Network Prefix N := AND(D, E.NetMask) if N = E.Destination then for each Indirect Routing Entry E deliver Packet to destination D through E.Interface; exit find the Longest Network Prefix N := AND(D, E.NetMask) for which N = E.Destination if exists such N then forward Packet to E.NextHop through E.Interface; exit If RoutingTable contains a default entry E then forward Packet to E.NextHop through E.Interface; exit 19

20 οµή πακέτουip (IP datagram) VERS LEN Type Of Service Total Length Identification Flags Fragment Offset min: 20 bytes Time To Live Protocol Header Checksum Source IP Address Destination IP Address Options padding Data 20

21 οµή πακέτουip (IP datagram) (συνέχεια) όπου VERS H έκδοση (version) του πρωτοκόλλου (σήµερα η 4. ΙPng 6) LEN Tο µήκος της επικεφαλίδας ΙΡ σε πεδία των 32-bits Type Of Service Ένδειξη της ποιότητας υπηρεσίας (QoS) για το ΙΡ datagram Precedence TOS 0 Total Length Το συνολικό µήκος του πακέτου ΙΡ (επικεφ. + data), σε bytes Identification Αριθµός ταυτοποίησης του πακέτου (για την επανένωση των τµηµάτων σε περίπτωση κατάτµησης) Flags 3 bits-σηµαίες: 0, DF=Don t Fragment, MF: More Fragments Fragment Offset µετράει (σε οκτάδες bytes) τη σχετική θέση του τµήµατος στην αρχική µονάδα δεδοµένων Time To Live Ο χρόνος, σε sec, που επιτρέπεται να «ζήσει» το πακέτο Protocol Number Καθορίζει το πρωτόκολλο ανώτερου στρώµατος (π.χ. 6 για TCP) Header Checksum checksum για την επικεφαλίδα µόνο (1 s compl. of the sum of the 1 s compl. of all 16-bit header fields with checksum =0) Source IP Address, Destination IP Address: Οι ΙΡ διευθύνσεις πηγής & προορισµού Options Πεδίο µεταβλητού µήκους µε επιλογές 21

22 Κατάτµηση ΙΡ datagrams Κάθε φυσικό δίκτυο έχει ένα Maximum Transmission Unit (MTU) Το ΙΡ απαιτεί ΜTU >= 68 bytes (=max IP header + 8 bytes data) Όλες οι υλοποιήσεις ΙΡ µπορούν να διαχειρίζονται ακατάτµητες µονάδες δεδοµένων µεγέθους 576 bytes Μήκος τµηµάτων = ακ. πολλαπλ. των 8 bytes (πλήν τελευταίου) Όλατατµήµατα ενθυλακώνονται σε IP datagrams µε την ίδια επικεφαλίδα, πλην µικρών τροποποιήσεων, όπως Το MF flag σηκώνεται Το πεδίο Fragment Offset µετράει (σε οκτάδες bytes) τη σχετική θέση του τµήµατος στην αρχική µονάδα δεδοµένων, κλπ. Κάθε τµήµα προωθείται αυτόνοµα σαν κάθε ΙΡ datagram H επανένωση στον προορισµό γίνεταιµε βάση τον (κοινό) αριθµό ταυτοποίησης των πακέτων-τµηµάτων και του fragment offset 22

23 Internet Control Message Protocol (ICMP) Standard protocol (RFCs 792, 950), κυρίως για γνωστοποίηση λαθών Μέρος του ΙΡ. Ωστόσο το χρησιµοποιεί σα να ήταν υψηλότερο στρώµα Type Mήνυµα 0 Echo reply 3 Destin. unreachable Source quench Τype Code Checksum 5 Redirect 8 Echo ICMP data (depending on the type of message) 9 Router advertisement 10 Router solicitation 11 Time exceeded 12 Parameter problem οµή µηνύµατος ICMP 13 Timestamp request 14 Timestamp reply 17 Address mask request 18 Address mask reply 23

24 Ping και Trace Route Εφαρµογές που εδράζονται στο ICMP PING: Packet InterNet Groper Χρησιµοποιεί τα Echo και Echo Reply µηνύµατα του ICMP Συνήθης χρήση: για έλεγχο συνδεσιµότητας ping loopback (ελέγχει την εγκατάσταση του βασικού λογισµικού) ping my-ip-address (ελέγχει την ύπαρξη κάρτας δικτύου) ping a-remote-ip-address ping a-remote-host-name Trace Route: Στέλνει ΙΡ datagrams µε σταδιακά αυξανόµενο TTL (1,2, ) που εκπνέουν στους αντίστοιχους δροµολογητές. Οι τελευταίοι απαντούν µε µηνύµατα Time Exceeded που αποκωδικοποιούνται κατάλληλα. 24

25 User Datagram Protocol (UDP) STD 6, RFC 768, status recommended Είναι κατα βάση ένα application interface του ΙP Υποστηρίζει απλά πολυπλεξία/απο-πολυπλεξία πακέτων χρήστη µέσω των ports ΕΝ παρέχει αξιόπιστη µεταφορά ή έλεγχο ροής Process 1 Process 2 Process n Port Port a Port Port b UDP --Port multiplexing Port Port z ΙP ΙP 25

26 οµή πακέτουudp (UDP datagram) Προσδιορίζουν συγκεκριµένα τελικά σηµεία επικοινωνίας στις µηχανές πηγής και προορισµού Eπιτρέπει τον έλεγχο ορθότητας των δεδοµένων Τα δεδοµένα της εφαρµογής Source port Dest. port Length Check sum Data µήκος (σε bytes) µεταβλητό Μήκος πεδίου δεδοµένων, σε bytes 26

27 Transmission Control Protocol (TCP) STD 7, RFC 793, status recommended Connection-oriented Αξιόπιστη, αµφίδροµη & ελεγχόµενη µεταφορά δεδοµένων (byte-wise) Process 1 Process 2 Port Port m TCP Αξιόπιστη σύνδεση TCP Port Port n TCP ΙP ΙP Αναξιόπιστη µεταφορά ΙP datagrams ΙP ΙP 27

28 οµή πακέτου TCP (TCP segment) Προσδιορίζουν συγκεκριµένα τελικά σηµεία επικοινωνίας στις µηχανές πηγής και προορισµού Επιβεβαιώνει τη λήψη δεδοµένων (αριθµός πρώτου αναµενόµενου byte) Eπιτρέπει τον έλεγχο ορθότητας των δεδοµένων Τα δεδοµένα της εφαρµογής Source port Dest. port Sequence number Acknowledge number Flags Wind. size Check sum Urgent pointer Options Data µήκος (σε bytes) µεταβλ. µεταβλ. Αριθµεί ακολουθιακά τα αποστελλόµενα δεδοµένα (αριθµός πρώτου byte αυτού του πακέτου, στη ροή) Επιβάλλει έλεγχο ροής µε τον περιορισµό των ανεπιβεβαίωτων πακέτων 28

29 ΈλεγχοςΡοήςστοTCP Με το µηχανισµό «ολισθαίνοντος παραθύρου»: Ο έκτης, πέραντηςεπιβεβαίωσηςτωνορθώς ληφθέντων τµηµάτων (µε τοπεδίοack number), προσδιορίζει και το µέγεθος παραθύρου (µε το πεδίο Wind. size), δηλ. τον αριθµό τωνbytes που µπορεί να λάβει επί πλέον αυτών που επιβεβαιώνει. 29

30 Ο µηχανισµός Παραθύρου Μέγεθος (bytes) πακέτα Ολισθαίνον παράθυρο Η τελευταία επιβεβαίωση δείχνει εδώ 30

31 Παράδειγµα επιβεβαίωσης/επανεκποµπής Seq. number 1000 (data bytes) ACK. number Window 1500 (data bytes) (data) 2000 (data bytes) (εξάντληση παραθύρου) (data) (εξάντληση χρονιστή) 1500 (data bytes) (data) 31

32 Εγκατάσταση σύνδεσης TCP Τριπλή χειραψία (three-way handshake) Process 1 (client) Active OPEN Process 2 (server) Passive OPEN, σε αναµονή αιτήσεων send Seq=n SYN=1 Seq=m SYN=1 ACK n+1 ACK m+1 Connection established 32

33 οµή διαδικασιών εξόδου TCP & IP Εφαρµογές UDP ports TCP ports Λειτουργικό TCP output process Timer IP process... Output queues Device dr. for net n Device dr. for net 2 Device dr. for net 1 Λειτουργικό Network H/w Hardware for net n... Hardware for net 2 Hardware for net 1 33

34 To µοντέλο πελάτη - εξυπηρετητή (client-server model) client ΙΚΤΥΟ Server (π.χ. FTP, Web, DBMS) Για κατανεµηµένες εφαρµογές που επικοινωνούν µε ένα σύνολο καλά ορισµένων µηνυµάτων (συνήθως µέσω δικτύου) O client αποστέλλει αιτήσεις που απαντώνται από τον server Ο server είναι ένας εξειδικευµένος παροχέας υπηρεσιών O server µπορεί εν γένει να εξυπηρετήσει πολλούς clients 34

35 To µοντέλο πελάτη εξυπηρετητή (συνέχεια)) client request response request response server database client 35

36 Το πρωτόκολλο ΗΤΤΡ HTTP: HyperText Transfer Protocol Πρωτόκολλο στρώµατος εφαρµογής, που εντοπίζει & µεταφέρει πληροφορία hypermedia, µε χρήση του πρωτοκόλλου TCP/IP (socket στην πόρτα 80). Κύρια χαρακτηριστικά του είναι: ένα καθολικό σχήµα διευθυνσιοδότησης µε χρήσηurls ανοικτό και επεκτάσιµοσχήµα παράστασης δεδοµένων (MIME συµβάσεις) δεν ενθυµείται κατάσταση σύνδεσης (stateless) 36

37 HTTP client-server model HTTP request HTTP client HTTP response HTTP server File system µέρος των Web browsers 37

38 οµή τωνweb browsers GUI driver HTML Interpreter Optional Interpreter Controller or Dispatcher HTTP Client FTP Client Mail Client Transport layer 38

39 Uniform Resource Locators είκτες σε αρχεία πληροφορίας στο ιαδίκτυο ftp://pyrros.cs.ntua.gr/ diktya-semfe/parousiaseis/diktya1.pdf protocol IP-address path-to-file 39

40 HTTP request & response HTTP request: Method Request-URI Protocol e.g. GET /index.html HTTP/1.0 Keyword: Value Accept: */* Keyword: Value Host: Keyword: Value User-Agent: Generic \r\n\r\n HTTP response: Protocol Status-code Description e.g. HTTP/ OK Keyword: Value Date: Fri, 14 May :30:26 GMT Keyword: Value Server: Apache/1.3.6 (Unix) Keyword: Value Content-Length: 8038 Keyword: Value Content-Type: text/html; character=.. \r\n <file requested> \r\n\r\n 40

41 Real-Time Transfer Protocol (RTP) video audio video audio (V) (A) (V) (A) RTP RTP RTP RTP UDP UDP IP IP payload payload RTP RTP UDP UDP IP IP V A V UDP UDP IP IP 41