ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΙV ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ & ΔΙΑΔΙΚΤΥΩΣΗ

Transcript

1 Τ.Ε.Ι. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΙV ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ & ΔΙΑΔΙΚΤΥΩΣΗ Γ. Τζήμας, Επίκ. Καθηγητής, Δρ. Κ. Παξιμάδης Μάθημα: ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ - ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ

2 Στόχος της Διάλεξης Να αναλυθεί η έννοια της στοίβας πρωτοκόλλων και να παρουσιαστεί πως λειτουργεί το πολυεπίπεδο λογισμικό στα Δίκτυα. Να γίνει μία εισαγωγή στη Διαδικτύωση και να αναλυθούν οι βασικές έννοιες, η αρχιτεκτονική και τα πρωτόκολλα. 2

3 Πρωτόκολλα & Διαστρωμάτωση Διαστρωμάτωση. Στοίβες πρωτοκόλλων. Πολυεπίπεδο λογισμικό. Τεχνικές και σχεδίαση πρωτοκόλλων. 3

4 Μοντέλα Αναφοράς & Πρωτόκολλα 4

5 Διαστρωμάτωση Αρχή της διαστρωμάτωσης: Το λογισμικό επιπέδου Ν του υπολογιστή προορισμού πρέπει να λαμβάνει το ακριβές μήνυμα που στέλνεται από το λογισμικό επιπέδου Ν του υπολογιστή αποστολέα. 5

6 Τεχνικές Πρωτοκόλλων Τα πρωτόκολλα συνδέσμου δεδομένων εντοπίζουν σφάλματα με μια ποικιλία τεχνικών, όπως: το bit ισοτιμίας, το άθροισμα ελέγχου πλαισίου, ή τον έλεγχο κυκλικού πλεονασμού. Εκτός από τον εντοπισμό σφαλμάτων μερικά πρωτόκολλα κάνουν προσπάθεια να επισκευάσουν ή να παρακάμψουν τα προβλήματα. Συγκεκριμένα, τα πρωτόκολλα μεταφοράς χρησιμοποιούν μια ποικιλία εργαλείων για να αντιμετωπίζουν μερικά από τα πιο περίπλοκα προβλήματα επικοινωνίας. 6

7 Καθορισμός Ακολουθίας για Επίδοση Εκτός Σειράς Ένα ασυνδεσμικό δικτυακό σύστημα το οποίο μπορεί να αλλάζει δρομολόγια μπορεί να επιδίδει πακέτα εκτός της σειράς τους. Για να αντιμετωπιστεί αυτό τα πρωτόκολλα μεταφοράς χρησιμοποιούν καθορισμό ακολουθίας (sequencing). Στην πλευρά του αποστολέα, προσαρτάται ένας σειριακός αριθμός σε κάθε πακέτο. Στην πλευρά του παραλήπτη, αποθηκεύεται ο σειριακός αριθμός του τελευταίου πακέτου που παραλήφθηκε με τη σωστή σειρά, καθώς και μια λίστα των πρόσθετων πακέτων που έφτασαν εκτός σειράς. 7

8 Καθορισμός Ακολουθίας για Απαλοιφή Διπλών Πακέτων Δυσλειτουργίες του υλικού μπορεί να προκαλέσουν την επανάληψη πακέτων. Για παράδειγμα, μια δυσλειτουργία πομποδέκτη σε ένα δίκτυο LAN το οποίο χρησιμοποιεί το μηχανισμό CSMA/CD μπορεί να κάνει τον παραλήπτη να ανιχνεύσει μια έγκυρη μετάδοση, ενώ ο αποστολέας ανιχνεύει σύγκρουση. Ο καθορισμός ακολουθίας λύνει το πρόβλημα της επανάληψης. Το λογισμικό του παραλήπτη ελέγχει για επαναλήψεις όταν εξετάζει το σειριακό αριθμό ενός πακέτου που έρχεται. 8

9 Επαναμετάδοση Χαμένων Πακέτων (1/2) Η απώλεια πακέτων είναι ένα θεμελιώδες πρόβλημα στα δίκτυα υπολογιστών. Για να εξασφαλιστεί η αξιόπιστη μεταφορά (δηλαδή, μεταφορά χωρίς απώλειες), τα πρωτόκολλα χρησιμοποιούν θετική επιβεβαίωση με επαναμετάδοση (positive acknowledgement with retransmission). Όταν ένα πλαίσιο φτάνει αναλλοίωτο, το λογισμικό πρωτοκόλλου του παραλήπτη στέλνει πίσω στον αποστολέα ένα μικρό μήνυμα το οποίο αναφέρει την επιτυχημένη λήψη. Το μήνυμα αυτό λέγεται επιβεβαίωση (acknowledgement, ACK). 9

10 Επαναμετάδοση Χαμένων Πακέτων (2/2) Ο αποστολέας παίρνει την ευθύνη να εξασφαλίσει ότι κάθε πακέτο μεταφέρεται με επιτυχία. Όταν στέλνεται ένα πακέτο, το λογισμικό πρωτοκόλλου στην πλευρά του αποστολέα ξεκινά ένα χρονόμετρο. Αν έρθει επιβεβαίωση πριν εξαντληθεί ο χρόνος, το λογισμικό σταματά το χρονόμετρο, αλλιώς επαναμεταδίδει. Η πράξη της αποστολής δεύτερου αντιγράφου λέγεται επαναμετάδοση, και το αντίγραφο λέγεται επίσης επαναμετάδοση. Τα πρωτόκολλα που μεταδίδουν μηνύματα συνήθως θέτουν ένα όριο στο μέγιστο αριθμό επαναμεταδόσεων. Σημειώστε ότι η επαναμετάδοση μπορεί να προκαλέσει διπλά πακέτα. 10

11 Αποφυγή της Επανάληψης Πακέτων Λόγω Υπερβολικής Καθυστέρησης Μια πηγή καθυστέρησης σε ένα σύστημα μεταγωγής πακέτων είναι η χρήση της αποθήκευσης και προώθησης. Αν έχουν έρθει πακέτα γρηγορότερα από ότι μπορεί να τα προωθεί ο μεταγωγέας, η ουρά αναμονής των πακέτων θα είναι μεγάλη, και η καθυστέρηση μπορεί να είναι υπερβολική. Οι εξαιρετικά μεγάλες καθυστερήσεις μπορούν να οδηγήσουν σε σφάλματα επανάληψης πακέτων (replay errors). Για να αποφευχθεί η επανάληψη πακέτων, τα πρωτόκολλα σημαδεύουν κάθε σύνοδο με ένα ειδικό αναγνωριστικό ταυτότητας (π.χ. με την ώρα που εγκαθιδρύθηκε η σύνοδος) και απαιτούν να υπάρχει αυτή η ταυτότητα σε κάθε πακέτο. Για να αποφευχθεί η επανάληψη πακέτων, μια ταυτότητα δεν πρέπει να ξαναχρησιμοποιείται μέχρι να περάσει ένα λογικό χρονικό διάστημα (π.χ. μερικές ώρες). 11

12 Έλεγχος Ροής για την Αποφυγή της Υπέρβασης Δεδομένων (1/3) Όταν ένας υπολογιστής στέλνει δεδομένα μέσω δικτύου γρηγορότερα από ότι μπορεί να τα δέχεται ο προορισμός, παρουσιάζεται υπέρβαση δεδομένων (data overrun). Υπάρχουν πολλές τεχνικές για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος οι οποίες λέγονται μηχανισμοί ελέγχου ροής (flow control). Η απλούστερη μορφή είναι ένα σύστημα στάσης και εκκίνησης (stop-and-go), όπου ο αποστολέας περιμένει μετά τη μετάδοση του κάθε πακέτου μήνυμα ελέγχου από τον παραλήπτη. Το αποτέλεσμα είναι εξαιρετικά χαμηλή απόδοση στη χρήση της χωρητικότητας του δικτύου. Για να επιτύχουν υψηλούς διεκπεραιωτικούς ρυθμούς, τα πρωτόκολλα χρησιμοποιούν μια τεχνικής που λέγεται ολισθαίνον παράθυρο (sliding window). O αποστολέας και ο παραλήπτης είναι προγραμματισμένοι να χρησιμοποιούν ένα σταθερό μέγεθος παραθύρου, το οποίο είναι η μέγιστη ποσότητα δεδομένων που μπορούν να στέλνονται πριν έρθει επιβεβαίωση. 12

13 Έλεγχος Ροής για την Αποφυγή της Υπέρβασης Δεδομένων (2/3) Χρόνος μετάδοσης = 2N+ε 13

14 Έλεγχος Ροής για την Αποφυγή της Υπέρβασης Δεδομένων (3/3) T w = T g x W T w : διεκπαιρεωτική ικανότητα που μπορεί να επιτευχθεί με ένα πρωτόκολλο ολισθαίνοντος παραθύρου. T g : διεκπαιρεωτική ικανότητα που μπορεί να επιτευχθεί με ένα πρωτόκολλο στάσης και εκκίνησης. W: μέγεθος παραθύρου. Λόγω του εύρους ζώνης (Β) του υποκείμενου δικτύου η παραπάνω εξίσωση γίνεται ως εξής: T w = min(b, T g x W) 14

15 Μηχανισμοί για την Αποφυγή Συμφόρησης στο Δίκτυο Η συμφόρηση (congestion) είναι ένα θεμελιώδες πρόβλημα των συστημάτων μεταγωγής πακέτων. Όταν σε ένα μεταγωγέα έρχονται περισσότερα πακέτα από όσα μπορούν να στέλνονται, η ουρά μεγαλώνει και η καθυστέρηση αυξάνεται. Η κατάσταση αυτή ονομάζεται συμφόρηση (congestion). Αν η κατάσταση συνεχιστεί το δίκτυο καταρρέει συμφορητική κατάρρευση (congestion collapse). Λύσεις: Ο μεταγωγέας ενημερώνει τον αποστολέα (ειδικό μήνυμα προς την αφετηρία ή εκχώρηση τιμής 1 σε ένα bit της κεφαλίδας των πακέτων, ώστε ο παραλήπτης να ενημερώσει). Χρησιμοποιείται απώλεια πακέτων αυτό γίνεται σήμερα. Μείωση ρυθμού μετάδοσης μηχανισμός ελέγχου ρυθμού μετάδοσης (rate control). 15

16 Σχεδίαση Πρωτοκόλλων Αν και οι τεχνικές που χρειάζονται για την επίλυση συγκεκριμένων προβλημάτων είναι γνωστές, η σχεδίαση πρωτοκόλλων δεν είναι εύκολη δουλειά, για δύο λόγους. Πρώτον, για να είναι αποδοτική η επικοινωνία, οι λεπτομέρειες πρέπει να επιλεχθούν προσεκτικά μικρά σφάλματα στη σχεδίαση μπορούν να καταλήξουν σε λανθασμένη λειτουργία, περιττά πακέτα, ή καθυστερήσεις. Δεύτερον, οι μηχανισμοί ενός πρωτοκόλλου μπορεί να αλληλεπιδρούν με απροσδόκητους τρόπους. Για παράδειγμα, σκεφτείτε την αλληλεπίδραση μεταξύ των μηχανισμών ελέγχου ροής και ελέγχου συμφόρησης. 16

17 Διαδικτύωση Κίνητρα Διαδικτύωσης Υλικό Αρχιτεκτονική Σημασία της 17

18 Κίνητρα Καμία από τις τεχνολογίες δικτύωσης δεν είναι καλύτερη για όλες τις ανάγκες! 18

19 Οικουμενική Εξυπηρέτηση Ένα σύστημα επικοινωνίας που παρέχει οικουμενική εξυπηρέτηση επιτρέπει σε δύο οποιοσδήποτε υπολογιστές να επικοινωνούν. Η οικουμενική εξυπηρέτηση είναι επιθυμητή, γιατί αυξάνει την παραγωγικότητα των ατόμων. Αν και η οικουμενική εξυπηρέτηση είναι πολύ επιθυμητή, οι ασυμβατότητες μεταξύ του υλικού και της φυσικής διευθυνσιοδότησης των δικτύων δεν επιτρέπουν σε έναν οργανισμό να δημιουργήσει ένα γεφυρωμένο δίκτυο που να περιλαμβάνει οποιεσδήποτε τεχνολογίες. 19

20 Διαδικτύωση Παρά τις ασυμβατότητες μεταξύ των τεχνολογιών των δικτύων, οι ερευνητές έχουν επινοήσει μια μέθοδο για να παρέχεται οικουμενική εξυπηρέτηση μεταξύ ετερογενών δικτύων. Η μέθοδος αυτή, που λέγεται διαδικτύωση (internetworking), χρησιμοποιεί και υλικό και λογισμικό. Πρόσθετα συστήματα υλικού χρησιμοποιούνται για την αλληλοσύνδεση ενός συνόλου φυσικών δικτύων. Στη συνέχεια, λογισμικό σε όλους τους συνδεδεμένους υπολογιστές παρέχει οικουμενική εξυπηρέτηση. Το σύστημα των συνδεδεμένων φυσικών δικτύων που προκύπτει λέγεται διαδίκτυο (internetwork ή internet). Η διαδικτύωση είναι πολύ γενική μέθοδος. Ένα διαδίκτυο δεν έχει περιορισμό μεγέθους. Ο αριθμός των υπολογιστών που είναι συνδεδεμένοι στο κάθε δίκτυο μπορεί να διαφέρει. 20

21 Φυσική Σύνδεση Δικτύων με Δρομολογητές Το βασικό στοιχείο υλικού που χρησιμοποιείται για την σύνδεση ετερογενών δικτύων είναι ο δρομολογητής (router). Από φυσική άποψη, οι δρομολογητές μοιάζουν με τις γέφυρες κάθε δρομολογητής είναι ένας ειδικός υπολογιστής αφιερωμένος στην αλληλοσύνδεση δικτύων. Όπως και μια γέφυρα, ένας δρομολογητής έχει ένα συμβατικό επεξεργαστή και μνήμη, καθώς και μια ξεχωριστή διασύνδεση εισόδου/εξόδου για κάθε δίκτυο το οποίο συνδέει. Το δίκτυο αντιμετωπίζει μια σύνδεση με ένα δρομολογητή με τον ίδιο τρόπο όπως μια σύνδεση με οποιονδήποτε άλλο υπολογιστή. Ένας δρομολογητής μπορεί να αλληλοσυνδέει δίκτυα που χρησιμοποιούν διαφορετικές τεχνολογίες, όπως διαφορετικά μέσα επικοινωνίας, μεθόδους φυσικής διευθυνσιοδότησης, ή μορφές πλαισίων. 21

22 Αρχιτεκτονική Διαδικτύου Οι δρομολογητές επιτρέπουν σε έναν οργανισμό να επιλέξει τεχνολογίες δικτύων κατάλληλες για την κάθε ανάγκη, και να τους χρησιμοποιήσει για να συνδέσει όλα τα δίκτυα σε ένα ενιαίο διαδίκτυο (internet). Ένας οργανισμός σπάνια χρησιμοποιεί ένα μόνο δρομολογητή για τη σύνδεση όλων των δικτύων του. Αυτό γίνεται για δύο λόγους: Επειδή ο δρομολογητής πρέπει να προωθεί το κάθε πακέτο, ο επεξεργαστής ενός δρομολογητή είναι ανεπαρκής για να χειρίζεται την κυκλοφορία που περνά μεταξύ απεριόριστου αριθμού δικτύων. Η υπερεπάρκεια βελτιώνει την αξιοπιστία του διαδικτύου. Οι ακριβείς λεπτομέρειες της τοπολογίας του διαδικτύου συχνά εξαρτώνται από το εύρος ζώνης των φυσικών δικτύων, από την αναμενόμενη κυκλοφορία, από τις απαιτήσεις αξιοπιστίας του οργανισμού, και από το κόστος του διαθέσιμου υλικού των δρομολογητών. 22

23 Επίτευξη της Οικουμενικής Εξυπηρέτησης Ο σκοπός της διαδικτύωσης είναι η οικουμενική εξυπηρέτηση μέσω ετερογενών δικτύων. Για να παρέχεται οικουμενική εξυπηρέτηση μεταξύ όλων των υπολογιστών σε ένα διαδίκτυο, οι δρομολογητές πρέπει να συμφωνήσουν να προωθούν τις πληροφορίες από μια αφετηρία σε ένα δίκτυο προς έναν καθορισμένο προορισμό σε άλλο δίκτυο. Αυτή η δουλειά είναι πολύπλοκη, επειδή οι μορφές πλαισίων και οι μέθοδοι διευθυνσιοδότησης που χρησιμοποιούνται από τα υποκείμενα δίκτυα μπορεί να διαφέρουν. Γι αυτό, στους υπολογιστές και τους δρομολογητές χρειάζεται λογισμικό πρωτοκόλλων που να κάνει εφικτή την οικουμενική εξυπηρέτηση. 23

24 Ένα Εικονικό Δίκτυο (1/2) Γενικά, το λογισμικό διαδικτύου δημιουργεί την αίσθηση ενός ενιαίου, αδιαίρετου συστήματος επικοινωνίας στο οποίο είναι συνδεδεμένοι πολλοί υπολογιστές. Το σύστημα παρέχει οικουμενική εξυπηρέτηση: σε κάθε υπολογιστή αποδίδεται μια διεύθυνση, και οποιοσδήποτε υπολογιστής μπορεί να στείλει ένα πακέτο σε οποιονδήποτε άλλο υπολογιστή. Επίσης, το λογισμικό των πρωτοκόλλων διαδικτύου κρύβει τις λεπτομέρειες των συνδέσεων των φυσικών δικτύων, των φυσικών διευθύνσεων, και των πληροφοριών δρομολόγησηςούτε οι χρήστες ούτε τα προγράμματα-εφαρμογές δεν έχουν επίγνωση των υποκείμενων φυσικών δικτύων ή των δρομολογητών που τα συνδέουν. Ένα διαδίκτυο χαρακτηρίζεται εικονικό δίκτυο (virtual network), επειδή το σύστημα επικοινωνίας είναι μια αφηρημένη έννοια. 24

25 Ένα Εικονικό Δίκτυο (2/2) 25

26 Πρωτόκολλα Διαδικτύωσης Αν και πολλά πρωτόκολλα έχουν προσαρμοστεί για να χρησιμοποιηθούν σε διαδίκτυο, μία οικογένεια πρωτοκόλλων ξεχωρίζει ως η πλέον διαδεδομένη για την διαδικτύωση. Η οικογένεια αυτή επίσημα ονομάζεται πρωτόκολλα διαδικτύου TCP/IP (TCP/IP Internet Protocols), αλλά οι περισσότεροι επαγγελματίες της δικτύωσης την αναφέρουν απλώς ως TCP/IP. Το TCP/IP ήταν το πρώτο σύνολο πρωτοκόλλων που αναπτύχθηκε για να χρησιμοποιηθεί σε διαδίκτυο. Η εργασία στο TCP/IP άρχισε στη δεκαετία του

27 Σπουδαιότητα της Διαδικτύωσης & του TCP/IP Η τεχνολογία TCP/IP έχει κάνει εφικτό ένα παγκόσμιο διαδίκτυο, το Internet, το οποίο φτάνει σε σπίτια, σχολεία, εμπορικούς οργανισμούς και κρατικές ή στρατιωτικές εγκαταστάσεις, σε όλες τις χώρες του κόσμου. 27

28 Διαστρωμάτωση & Πρωτόκολλα TCP/IP (1/2) Το μοντέλο διαστρωμάτωσης TCP/IP (TCP/IP Layering Model), το οποίο λέγεται μοντέλο διαστρωμάτωσης του Internet (Internet Layering Model) ή μοντέλο αναφοράς του Internet (Internet Reference Model), έχει πέντε επίπεδα. Επίπεδο 1: Φυσικό Το Επίπεδο 1 αντιστοιχεί στο βασικό υλικό δικτύου, όπως ακριβώς το Επίπεδο 1 του μοντέλου αναφοράς επτά επιπέδων του ISO. Επίπεδο 2: Διασύνδεση δικτύου Τα πρωτόκολλα του Επιπέδου 2 καθορίζουν το πώς οργανώνονται τα δεδομένα σε πλαίσια και το πώς ένας υπολογιστής μεταδίδει πλαίσια μέσω ενός δικτύου, παρόμοια με τα πρωτόκολλα του Επιπέδου 2 στο μοντέλο αναφοράς του ISO. 28

29 Διαστρωμάτωση & Πρωτόκολλα TCP/IP (2/2) Επίπεδο 3: Διαδίκτυο Τα πρωτόκολλα του Επιπέδου 3 καθορίζουν τη μορφή των πακέτων που στέλνονται μέσω ενός διαδικτύου, καθώς και τους μηχανισμούς που χρησιμοποιούνται για να προωθούνται τα πακέτα από έναν υπολογιστή προς έναν τελικό προορισμό μέσω ενός ή περισσότερων δρομολογητών. Επίπεδο 4: Μεταφορά Τα πρωτόκολλα του Επιπέδου 4, όπως συμβαίνει και με το επίπεδο 4 του μοντέλου του ISO, καθορίζουν το πώς εξασφαλίζεται η αξιόπιστη μεταφορά. Επίπεδο 5: Εφαρμογή Το Επίπεδο 5 αντιστοιχεί στα επίπεδα 6 και 7 του μοντέλου του ISO. Κάθε πρωτόκολλο του Επιπέδου 5 καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο μια εφαρμογή χρησιμοποιεί ένα διαδίκτυο. 29

30 Υπολογιστές Υπηρεσίας, Δρομολογητές & Επίπεδα Πρωτοκόλλων Στο TCP/IP, ο όρος υπολογιστής υπηρεσίας (host computer) ορίζεται ως ένα οποιοδήποτε υπολογιστικό σύστημα που συνδέεται σε ένα διαδίκτυο και εκτελεί εφαρμογές. Τα πρωτόκολλα TCP/IP επιτρέπουν σε δύο οποιουσδήποτε υπολογιστές υπηρεσίας να επικοινωνούν, παρά τις όποιες διαφορές του υλικού. Τόσο οι υπολογιστές υπηρεσίας όσο και οι δρομολογητές χρειάζονται λογισμικό των πρωτοκόλλων TCP/IP. Ωστόσο, οι δρομολογητές δε χρησιμοποιούν πρωτόκολλα όλων των επιπέδων. Συγκεκριμένα, ένας δρομολογητής δε χρειάζεται πρωτόκολλα του Επιπέδου 5 για εφαρμογές όπως η μεταφορά αρχείων, επειδή οι δρομολογητές δεν εκτελούν τέτοιες εφαρμογές. 30

31 Δίκτυα Υπολογιστών ΜΕΡΙΚΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΑΠΟ ΠΙΟ ΚΟΝΤΑ 31

32 Αντιστοίχηση Διευθύνσεων Πρωτοκόλλου - ARP Στη συνέχεια περιγράφονται οι γενικοί μηχανισμοί οι οποίοι χρησιμοποιούνται για την αντιστοίχηση των διευθύνσεων IP (θα τις δούμε αναλυτικά στο επόμενο εργαστήριο) με τις διευθύνσεις υλικού. Περιγράφεται το πρωτόκολλο ARP. 32

33 Διευθύνσεις Πρωτοκόλλου και Επίδοση Πακέτων Οι διευθύνσεις πρωτοκόλλου είναι μια αφηρημένη έννοια που παρέχεται από το λογισμικό το υλικό ενός φυσικού δικτύου δεν ξέρει να εντοπίζει έναν υπολογιστή από τη διεύθυνση πρωτοκόλλου του. Η διεύθυνση πρωτοκόλλου του επόμενου άλματος πρέπει να μεταφράζεται σε μια ισοδύναμη διεύθυνση υλικού πριν μπορέσει να σταλεί ένα πακέτο. 33

34 Αναγωγή Διευθύνσεων Η μετάφραση μιας διεύθυνσης πρωτοκόλλου ενός υπολογιστή σε μια ισοδύναμη διεύθυνση υλικού ονομάζεται αναγωγή διεύθυνσης (address resolution), και λέμε ότι μια διεύθυνση πρωτοκόλλου έχει αναχθεί στην αντίστοιχη διεύθυνση υλικού. Η αναγωγή διευθύνσεων είναι τοπική σε ένα δίκτυο. Ένας υπολογιστής μπορεί να αναγάγει τη διεύθυνση ενός άλλου υπολογιστή μόνο αν και οι δύο υπολογιστές είναι συνδεδεμένοι στο ίδιο φυσικό δίκτυο ένας υπολογιστής ποτέ δεν ανάγει τη διεύθυνση ενός υπολογιστή που βρίσκεται σε ένα μακρινό δίκτυο. 34

35 Τεχνικές Αναγωγής Διευθύνσεων (1/2) Q. Ποιόν αλγόριθμο χρησιμοποιεί το λογισμικό για να μεταφράσει μια διεύθυνση πρωτοκόλλου σε διεύθυνση υλικού; A. Η απάντηση εξαρτάται από τις μεθόδους διευθυνσιοδότησης του πρωτοκόλλου και του υλικού. Επειδή ένας δρομολογητής ή πολυεστιακός υπολογιστής υπηρεσίας μπορεί να συνδέεται με πολλούς τύπους φυσικούς δικτύων, ένας τέτοιος υπολογιστής μπορεί να χρησιμοποιεί περισσότερους από έναν τύπους αναγωγής διευθύνσεων. 35

36 Τεχνικές Αναγωγής Διευθύνσεων (2/2) Οι αλγόριθμοι αναγωγής διευθύνσεων μπορούν να καταταχθούν σε τρεις βασικές κατηγορίες: Αναζήτηση σε πίνακα. Υπάρχουν αποθηκευμένες αντιστοιχίες (bindings ή mappings) σε έναν πίνακα στη μνήμη, στον οποίο ψάχνει το λογισμικό όταν χρειάζεται να αναγάγει μια διεύθυνση. Υπολογισμός κλειστής μορφής. Η διεύθυνση πρωτοκόλλου που αποδίδεται σε έναν υπολογιστή επιλέγεται κατάλληλα, ώστε η διεύθυνση υλικού του υπολογιστή να μπορεί να υπολογιστεί από τη διεύθυνση πρωτοκόλλου με τη χρήση λογικών και αριθμητικών πράξεων. Ανταλλαγή μηνυμάτων. Για την αναγωγή μιας διεύθυνσης, οι υπολογιστές ανταλλάσσουν μηνύματα μέσω ενός δικτύου. Ένας υπολογιστής στέλνει ένα μήνυμα που ζητά μια αντιστοίχηση διεύθυνσης (δηλαδή, μετάφραση), και ένας άλλος υπολογιστής στέλνει μια απάντηση που περιέχει τη ζητούμενη πληροφορία. 36

37 Αναγωγή Διευθύνσεων με Αναζήτηση σε Πίνακα (1/2) Η αναγωγή διευθύνσεων με αναζήτηση σε πίνακα απαιτεί μια δομή δεδομένων που περιέχει πληροφορίες για αντιστοιχίες διευθύνσεων. Κάθε καταχώριση του πίνακα περιέχει ένα ζεύγος τιμών (P, H), όπου P είναι μια διεύθυνση πρωτοκόλλου και H είναι η ισοδύναμη διεύθυνση υλικού. Για κάθε φυσικό δίκτυο χρησιμοποιείται ένας ξεχωριστός πίνακας αντιστοιχιών διευθύνσεων. Έτσι, όλες οι διευθύνσεις IP ενός δεδομένου πίνακα έχουν το ίδιο πρόθεμα. Οι υλοποιήσεις μπορούν να εξοικονομούν χώρο παραλείποντας το πρόθεμα από τις καταχωρίσεις του πίνακα. 37

38 Αναγωγή Διευθύνσεων με Αναζήτηση σε Πίνακα (2/2) Το κύριο πλεονέκτημα της μεθόδου της αναζήτησης σε πίνακα είναι η γενικότητα ένας πίνακας μπορεί να έχει αποθηκευμένες τις αντιστοιχίες διευθύνσεων για ένα οποιοδήποτε σύνολο υπολογιστών ενός δεδομένου δικτύου. Ο αλγόριθμος αναζήτησης σε πίνακα για την αναγωγή διευθύνσεων είναι απλός, και από τους ευκολότερους στον προγραμματισμό. Για τα μεγάλα δίκτυα μια σειριακή αναζήτηση απαιτεί υπερβολικό χρόνο της CPU. Σε τέτοιες περιπτώσεις, το λογισμικό μπορεί να χρησιμοποιήσει μια από τις δύο καθιερωμένες υλοποιήσεις για τη βελτίωση της υπολογιστικής απόδοσης: κατακερματισμός (hashing) ή άμεση ευρετηρίαση (direct indexing). 38

39 Αναγωγή Διευθύνσεων με Υπολογισμό Κλειστής Μορφής Αν και πολλές τεχνολογίες δικτύων χρησιμοποιούν στατικές φυσικές διευθύνσεις, κάποιες άλλες χρησιμοποιούν διευθετήσιμη διευθυνσιοδότηση με την οποία μπορεί να αποδίδεται σε μια διασύνδεση δικτύου μια συγκεκριμένη διεύθυνση υλικού. Σε τέτοια δίκτυα, μπορούν να επιλεχθούν διευθύνσεις που να επιτρέπουν την αναγωγή διευθύνσεων με υπολογισμό κλειστής μορφής. Το λογισμικό αναγωγής διευθύνσεων που χρησιμοποιεί μια μέθοδο κλειστής μορφής υπολογίζει την τιμή μιας μαθηματικής συνάρτησης, η οποία αντιστοιχίζει μια διεύθυνση IP σε μια διεύθυνση υλικού. Αν η σχέση μεταξύ μιας διεύθυνσης IP και της αντίστοιχης διεύθυνσης υλικού είναι απλή, ο υπολογισμός χρειάζεται μόνο μερικές αριθμητικές πράξεις. διεύθυνση_υλικού = διεύθυνση_ip & 0xff 39

40 Αναγωγή Διευθύνσεων με Ανταλλαγή Μηνυμάτων (1/2) Η εναλλακτική μέθοδος, αντί για τον τοπικό υπολογισμό, είναι μια κατανεμημένη αντιμετώπιση με την οποία ένας υπολογιστής που χρειάζεται να αναγάγει μια διεύθυνση στέλνει ένα μήνυμα μέσω δικτύου και παίρνει μια απάντηση. Το μήνυμα μεταφέρει μια αίτηση στην οποία καθορίζεται η διεύθυνση πρωτοκόλλου, και η απάντηση μεταφέρει την αντίστοιχη διεύθυνση υλικού. Τα περισσότερα συστήματα πρωτοκόλλου επιλέγουν έναν από τους δύο πιθανούς σχεδιασμούς: Ένα δίκτυο περιλαμβάνει έναν ή περισσότερους διακομιστές (servers) στους οποίους έχει ανατεθεί το καθήκον να απαντούν στις αιτήσεις αναγωγής διευθύνσεων. Δε χρειάζονται ειδικοί διακομιστές για την αναγωγή διευθύνσεων. Κάθε υπολογιστής του δικτύου συμμετέχει στην αναγωγή διευθύνσεων, συμφωνώντας να απαντά σε ερωτήματα αναγωγής για τη δική του διεύθυνση. 40

41 Αναγωγή Διευθύνσεων με Ανταλλαγή Μηνυμάτων (2/2) Τα κύρια πλεονεκτήματα της πρώτης μεθόδου πηγάζουν από τον κεντρικό έλεγχο. Τα κύρια πλεονεκτήματα της δεύτερης μεθόδου πηγάζουν από τον κατανεμημένο υπολογισμό. 41

42 Πρωτόκολλο Αναγωγής Διευθύνσεων (1/2) Το TCP/IP μπορεί να χρησιμοποιεί οποιαδήποτε από τις τρεις μεθόδους αναγωγής διευθύνσεων. Η μέθοδος που επιλέγεται για ένα συγκεκριμένο δίκτυο εξαρτάται από τη μέθοδο διευθυνσιοδότησης που χρησιμοποιείται από το υποκείμενο υλικό. Η αναζήτηση σε πίνακα χρησιμοποιείται συνήθως για την αναγωγή διευθύνσεων IP σε ένα δίκτυο ευρείας περιοχής (WAN), ο υπολογισμός κλειστής μορφής χρησιμοποιείται στα διευθετήσιμα δίκτυα, και η ανταλλαγή μηνυμάτων χρησιμοποιείται σε υλικό τοπικού δικτύου (LAN) το οποίο έχει στατική διευθυνσιοδότηση. 42

43 Πρωτόκολλο Αναγωγής Διευθύνσεων (2/2) Για να εξασφαλιστεί ότι όλοι οι υπολογιστές συμφωνούν για την ακριβή μορφή και σημασία των μηνυμάτων που χρησιμοποιούνται για την αναγωγή διευθύνσεων, η οικογένεια πρωτοκόλλων TCP/IP περιλαμβάνει ένα πρωτόκολλο αναγωγής διευθύνσεων (Address Resolution Protocol, ARP). Το πρότυπο ARP ορίζει δύο βασικούς τύπους μηνυμάτων: αίτησης και απόκρισης. Ένα μήνυμα αίτησης περιέχει μια διεύθυνση IP και ζητά την αντίστοιχη διεύθυνση υλικού. Μια απόκριση περιέχει και τη διεύθυνση IP που στάλθηκε με την αίτηση και τη διεύθυνση υλικού. 43

44 Επίδοση Μηνυμάτων ARP Το πρωτόκολλο ορίζει ότι ένα μήνυμα αίτησης ARP θα πρέπει να τοποθετείται σε ένα πλαίσιο υλικού (hardware frame) και να εκπέμπεται προς όλους τους υπολογιστές στο δίκτυο. Κάθε υπολογιστής λαμβάνει την αίτηση και εξετάζει τη διεύθυνση IP. Ο υπολογιστής που αναφέρεται στην αίτηση στέλνει μια απόκριση όλοι οι άλλοι υπολογιστές επεξεργάζονται και απορρίπτουν την αίτηση χωρίς να στείλουν απόκριση. Όταν ένας υπολογιστής στέλνει μια απόκριση ARP, η απόκριση αυτή δεν εκπέμπεται. 44

45 Μορφή Μηνυμάτων ARP Αν και η μορφή των μηνυμάτων ARP είναι αρκετά γενική ώστε να είναι κατάλληλη για οποιεσδήποτε διευθύνσεις πρωτοκόλλου και υλικού, το πρωτόκολλο ARP χρησιμοποιείται σχεδόν πάντα για να αντιστοιχίζει μια διεύθυνση IP των 32 bit σε μια διεύθυνση Ethernet των 48 bit. 45

46 Αποστολή Μηνύματος ARP Η τοποθέτηση ενός μηνύματος μέσα σε ένα πλαίσιο για μεταφορά λέγεται ενθυλάκωση (encapsulation). Το μήνυμα ARP είναι άμεσα ενθυλακωμένο σε ένα πλαίσιο υλικού. 46

47 Αναγνώριση Πλαισίων ARP Πώς γνωρίζει ένας υπολογιστής αν ένα εισερχόμενο πλαίσιο περιέχει ένα μήνυμα ARP; Το πεδίο τύπου στην κεφαλίδα του πλαισίου καθορίζει ότι το πλαίσιο περιέχει ένα μήνυμα ARP. 47

48 Αποθήκευση Αποκρίσεων ARP σε Κρυφή Μνήμη Για να μειωθεί η κυκλοφορία στο δίκτυο, το λογισμικό ARP εξάγει και αποθηκεύει τις πληροφορίες από μια απόκριση, ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για επόμενα πακέτα. Το ARP τηρεί ένα μικρό πίνακα αντιστοιχιών διευθύνσεων στη μνήμη. Το ARP διαχειρίζεται αυτόν τον πίνακα ως κρυφή μνήμη (cache) μια καταχώριση αντικαθίσταται όποτε έρχεται μια απόκριση, ενώ η πιο παλιά καταχώριση αφαιρείται όταν ο χώρος του πίνακα εξαντλείται ή όταν μια καταχώριση δεν έχει ενημερωθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα (π.χ. για 20 λεπτά). 48

49 Επεξεργασία Εισερχόμενου Μηνύματος ARP (1/2) Όταν έρχεται ένα μήνυμα ARP, το πρωτόκολλο ορίζει ότι ο παραλήπτης πρέπει να πραγματοποιεί δύο βασικά βήματα. Στο πρώτο βήμα, ο παραλήπτης εξάγει από το μήνυμα την αντιστοιχία διεύθυνσης του αποστολέα και ελέγχει αν η διεύθυνση του αποστολέα υπάρχει στην κρυφή μνήμη. Αν υπάρχει, ο παραλήπτης χρησιμοποιεί την αντιστοιχία διεύθυνσης από το εισερχόμενο μήνυμα ARP για να αντικαταστήσει την προηγούμενη αποθηκευμένη αντιστοιχία διεύθυνσης. Στο δεύτερο βήμα, ο παραλήπτης εξετάζει το πεδίο ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ του μηνύματος για να προσδιορίσει αν το μήνυμα είναι αίτηση ή απόκριση. Αν το μήνυμα είναι απόκριση, αυτό σημαίνει ότι ο παραλήπτης έχει υποβάλει προηγουμένως μια αίτηση, και περιμένει για την αντιστοιχία. Αν το μήνυμα είναι αίτηση, ο παραλήπτης συγκρίνει το πεδίο ΔΙΕΥ. ΠΡΩΤ. ΠΡΟΟΡΙΣΜΟΥ με την τοπική διεύθυνση πρωτοκόλλου. Αν οι δύο τιμές ταυτίζονται, ο υπολογιστής είναι ο προορισμός της αίτησης, και πρέπει να στείλει μια απόκριση ARP. 49

50 Επεξεργασία Εισερχόμενου Μηνύματος ARP (2/2) Το ARP περιέχει μία ακόμα βελτιστοποίηση: αφού ένας υπολογιστής απαντήσει σε μια αίτηση ARP, εξάγει την αντιστοιχία της διεύθυνσης αποστολέα από την αίτηση και την προσθέτει στην κρυφή μνήμη του για μελλοντική χρήση. Οι περισσότερες επικοινωνίες υπολογιστών περιλαμβάνουν αμφίδρομη κυκλοφορία αν ένα μήνυμα ταξιδέψει από έναν υπολογιστή σε έναν άλλο, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα ότι θα επιστραφεί μια απάντηση. Επειδή κάθε αντιστοιχία διεύθυνσης απαιτεί μνήμη, ένας υπολογιστής δεν μπορεί να αποθηκεύει απεριόριστο αριθμό αντιστοιχιών διευθύνσεων. Η βελτιστοποίηση πραγματοποιείται μόνο από τον υπολογιστή ο οποίος είναι ο προορισμός μιας αίτησης ARP. 50

51 Διαστρωμάτωση, Αναγωγή Διευθύνσεων, Διευθύνσεις Πρωτοκόλλου Η αναγωγή διευθύνσεων είναι παράδειγμα μιας λειτουργίας που συνδέεται με το επίπεδο διασύνδεσης δικτύου. Υπάρχει ένα σημαντικό εννοιολογικό όριο μεταξύ του επιπέδου διασύνδεσης δικτύου και όλων των υψηλότερων επιπέδων: οι εφαρμογές, καθώς και τα υψηλότερα επίπεδα του λογισμικού πρωτοκόλλων, δημιουργούνται έτσι ώστε να χρησιμοποιούν μόνο διευθύνσεις πρωτοκόλλου. 51

52 Αυτοδύναμα Πακέτα IP & Προώθησή τους Μορφή πακέτων που στέλνονται μέσω ενός Διαδικτύου. Τρόπος που οι δρομολογητές επεξεργάζονται και προωθούν τα πακέτα. 52

53 Ασυνδεσμική Υπηρεσία Οι σχεδιαστές του TCP/IP επέλεξαν να συμπεριλάβουν πρωτόκολλα και για ασυνδεσμική και για συνδεσμική υπηρεσία. Επέλεξαν να κάνουν τη βασική υπηρεσία επίδοσης πακέτων ασυνδεσμική, και να προσθέσουν μια αξιόπιστη συνδεσμική υπηρεσία που να χρησιμοποιεί την υποκείμενη ασυνδεσμική υπηρεσία. 53

54 Εικονικά Πακέτα Η ασυνδεσμική υπηρεσία διαδικτύου είναι μια επέκταση της μεταγωγής πακέτων η υπηρεσία επιτρέπει σε έναν αποστολέα να μεταδίδει μεμονωμένα πακέτα δεδομένων μέσω ενός διαδικτύου. Κάθε πακέτο ταξιδεύει ανεξάρτητα, και περιέχει πληροφορίες οι οποίες προσδιορίζουν τον τελικό παραλήπτη. Για να ξεπεραστεί η ετερογένεια, το λογισμικό των πρωτοκόλλων διαδικτύου ορίζει μια μορφή πακέτων διαδικτύου η οποία είναι ανεξάρτητη από το υποκείμενο υλικό. Το αποτέλεσμα είναι ένα οικουμενικό, εικονικό πακέτο, το οποίο μπορεί να μεταφέρεται ανέπαφο μέσω του υποκείμενου υλικού. Όπως υπονοεί ο όρος εικονικό (virtual), το λογισμικό πρωτοκόλλων είναι εκείνο που δημιουργεί και χειρίζεται τα πακέτα διαδικτύου. Όπως υπονοεί ο όρος οικουμενικό (universal), κάθε υπολογιστής υπηρεσίας ή δρομολογητής σε ένα διαδίκτυο περιέχει λογισμικό πρωτοκόλλων, το οποίο κατανοεί τα πακέτα διαδικτύου. 54

55 Αυτοδύναμο Πακέτο IP (1/2) Τα πρωτόκολλα TCP/IP ορίζουν ως πακέτο διαδικτύου το λεγόμενο αυτοδύναμο πακέτο IP (IP datagram). Το ενδιαφέρον είναι ότι ένα αυτοδύναμο πακέτο IP έχει την ίδια γενική μορφή με ένα πλαίσιο υλικού: το αυτοδύναμο πακέτο ξεκινάει με μια κεφαλίδα, και συνεχίζεται από μια περιοχή δεδομένων. Το μέγεθος ενός αυτοδύναμου πακέτου καθορίζεται από την εφαρμογή που στέλνει δεδομένα. Η δυνατότητα να ποικίλλει το μέγεθος των αυτοδύναμων πακέτων κάνει το πρωτόκολλο IP προσαρμόσιμο σε ποικιλία εφαρμογών. 55

56 Αυτοδύναμο Πακέτο IP (2/2) Στην τρέχουσα έκδοση του πρωτοκόλλου IP (έκδοση 4), ένα αυτοδύναμο πακέτο μπορεί να περιέχει από μία μόνο οκτάδα δεδομένων μέχρι 64K οκτάδες, μαζί με την κεφαλίδα. Επειδή το μέγεθος της κεφαλίδας των αυτοδύναμων πακέτων είναι σταθερό, η αποστολή μεγάλων αυτοδύναμων έχει ως αποτέλεσμα να μεταφέρονται περισσότερες οκτάδες δεδομένων ανά μονάδα χρόνου (δηλαδή, υψηλότερη διεκπεραιωτική ικανότητα). Όπως και μια κεφαλίδα πλαισίου, μια κεφαλίδα αυτοδύναμου πακέτου περιέχει πληροφορίες για τη δρομολόγηση του αυτοδύναμου πακέτου μέσω του διαδικτύου. Ένα αυτοδύναμο πακέτο περιέχει διευθύνσεις IP, ενώ ένα πλαίσιο περιέχει διευθύνσεις υλικού. 56

57 Προώθηση Αυτοδύναμου Πακέτου IP (1/2) Τα αυτοδύναμα πακέτα (datagrams) διατρέχουν ένα διαδίκτυο ακολουθώντας μια διαδρομή από την αρχική αφετηρία μέχρι τον τελικό προορισμό μέσω δρομολογητών (routers). Κάθε δρομολογητής κατά μήκος της διαδρομής λαμβάνει το αυτοδύναμο πακέτο, εξάγει τη διεύθυνση προορισμού από την κεφαλίδα, και τη χρησιμοποιεί για να προσδιορίσει ένα επόμενο άλμα στο οποίο θα πρέπει να σταλεί το αυτοδύναμο πακέτο. Για να γίνεται με αποδοτικό τρόπο η επιλογή ενός επόμενου άλματος, και για να είναι κατανοητός στους ανθρώπους ο υπολογισμός, κάθε δρομολογητής IP τηρεί κάποιες πληροφορίες σε έναν πίνακα δρομολόγησης (routing table). 57

58 Προώθηση Αυτοδύναμου Πακέτου IP (2/2) Ένας πίνακας δρομολόγησης πρέπει να παίρνει αρχικές τιμές κατά την εκκίνηση του δρομολογητή, και να ενημερώνεται αν αλλάξει η τοπολογία ή αν παρουσιαστεί βλάβη υλικού. Επειδή κάθε προορισμός σε έναν πίνακα δρομολόγησης αντιστοιχεί σε ένα δίκτυο, ο αριθμός των καταχωρίσεων ενός πίνακα δρομολόγησης είναι ανάλογος με τον αριθμό των δικτύων που περιέχει το διαδίκτυο. 58

59 Διευθύνσεις IP & Καταχωρήσεις Πίνακα Δρομολόγησης Το πεδίο Προορισμός της κάθε καταχώρισης περιέχει το πρόθεμα δικτύου του δικτύου προορισμού. Ένα πρόσθετο πεδίο σε κάθε καταχώριση περιέχει μια μάσκα διεύθυνσης (address mask) η οποία καθορίζει ποια bit του προορισμού αντιστοιχούν στο πρόθεμα δικτύου. Όταν το πεδίο Επόμενο άλμα υποδηλώνει ένα δρομολογητή, χρησιμοποιείται μια διεύθυνση IP. 59

60 Πεδίο Μάσκας & Προώθηση Αυτοδύναμου Πακέτου Η διαδικασία της χρήσης ενός πίνακα δρομολόγησης για την επιλογή ενός επόμενου άλματος για ένα δεδομένο αυτοδύναμο πακέτο ονομάζεται δρομολόγηση (routing) ή προώθηση (forwarding). Για να κατανοηθεί πώς χρησιμοποιείται η μάσκα, ας υποθέσουμε ότι έχει δοθεί στο λογισμικό δρομολόγησης ένα αυτοδύναμο πακέτο για να το προωθήσει. Ας υποθέσουμε ότι το αυτοδύναμο πακέτο περιέχει μια διεύθυνση IP προορισμού, έστω D. Το λογισμικό δρομολόγησης πρέπει να βρει μια καταχώριση του πίνακα δρομολόγησης που να καθορίζει ένα επόμενο άλμα για τον προορισμό D. Μια αναπαράσταση με μάσκα από bit κάνει την εξαγωγή αποδοτική υπολογίζεται με λογισμικό το λογικό και μεταξύ της μάσκας και της διεύθυνσης προορισμού D του αυτοδύναμου πακέτου. Έτσι, ο υπολογισμός για την εξέταση της i οστής καταχώρισης του πίνακα μπορεί να παρασταθεί με τον παρακάτω τρόπο: Αν ( (Μάσκα[i] & D) = = Προορισμός[i]) Προώθηση στο Επόμενο_άλμα[i]; 60

61 Διευθύνσεις Προορισμού και Επόμενου Άλματος Η διεύθυνση προορισμού σε μια κεφαλίδα αυτοδύναμου πακέτου αναφέρεται πάντα στον τελικό προορισμό. Όταν ένας δρομολογητής προωθεί το αυτοδύναμο πακέτο σε έναν άλλο δρομολογητή, η διεύθυνση του επόμενου άλματος δεν εμφανίζεται στην επικεφαλίδα του αυτοδύναμου πακέτου. Όλα τα δρομολόγια υπολογίζονται με τη χρήση διευθύνσεων IP. Αφού υπολογίσει την διεύθυνση ενός επόμενου άλματος, Ν, το λογισμικό του πρωτοκόλλου IP χρησιμοποιεί την αντιστοίχιση διευθύνσεων για να μεταφράσει τη διεύθυνση Ν σε μια ισοδύναμη διεύθυνση υλικού για να μεταδώσει το πακέτο. 61

62 Επίδοση με τη Βέλτιστη Προσπάθεια Το πρωτόκολλο διαδικτύου (IP) ορίζει τη σημασιολογία της επικοινωνίας, και χρησιμοποιεί τον όρο βέλτιστη προσπάθεια (besteffort) για να περιγράψει την υπηρεσία που παρέχει. Ουσιαστικά, το πρότυπο ορίζει ότι, αν και το πρωτόκολλο IP κάνει μια βέλτιστη προσπάθεια για να επιδώσει το κάθε αυτοδύναμο πακέτο, δεν εγγυάται ότι θα μπορέσει να αντιμετωπίσει τα παρακάτω προβλήματα: Επανάληψη αυτοδύναμου πακέτου Επίδοση με καθυστέρηση ή εκτός σειράς Αλλοίωση δεδομένων Απώλεια αυτοδύναμου πακέτου Για την αντιμετώπιση του κάθε ενός από αυτά τα σφάλματα, χρειάζονται πρόσθετα επίπεδα λογισμικού πρωτοκόλλων. 62

63 Ενθυλάκωση, Κατάτμηση και Ανασυναρμολόγηση στο IP Περιγραφή της μετάδοσης των αυτοδύναμων πακέτων. Πρόβλημα αποστολής μεγάλων αυτοδύναμων πακέτων. 63

64 Μετάδοση Αυτοδύναμου Πακέτου & Πλαίσια Το υλικό του δικτύου δεν καταλαβαίνει τη μορφή των αυτοδύναμων πακέτων ή τη διευθυνσιοδότηση του Internet. Κάθε τεχνολογία υλικού ορίζει μια μορφή πλαισίων και μια μέθοδο φυσικής διευθυνσιοδότησης. Επειδή ένα διαδίκτυο μπορεί να περιέχει ετερογενείς τεχνολογίες δικτύων, η μορφή πλαισίων που χρειάζεται για τη διέλευση από ένα δίκτυο μπορεί να είναι διαφορετική από τη μορφή πλαισίων που χρειάζεται για τη διέλευση από το προηγούμενο δίκτυο. 64

65 Ενθυλάκωση (1/2) Πώς μπορεί να μεταδοθεί ένα αυτοδύναμο πακέτο μέσω ενός φυσικού δικτύου που δεν καταλαβαίνει τη μορφή των αυτοδύναμων πακέτων; Η απάντηση βρίσκεται σε μια τεχνική που ονομάζεται ενθυλάκωση (encapsulation). Όταν ένα αυτοδύναμο πακέτο IP (IP datagram) ενθυλακώνεται σε ένα πλαίσιο (frame), ολόκληρο το αυτοδύναμο πακέτο τοποθετείται μέσα στην περιοχή δεδομένων του πλαισίου. Το υλικό του δικτύου αντιμετωπίζει ένα πλαίσιο που περιέχει ένα αυτοδύναμο πακέτο ακριβώς όπως οποιοδήποτε άλλο πλαίσιο. Πώς γνωρίζει ένας παραλήπτης αν η περιοχή δεδομένων ενός εισερχόμενου πλαισίου περιέχει ένα αυτοδύναμο πακέτο IP ή άλλα δεδομένα; Ο αποστολέας και ο παραλήπτης πρέπει να συμφωνούν για την τιμή που χρησιμοποιείται στο πεδίο τύπου του πλαισίου. 65

66 Ενθυλάκωση (2/2) Όταν ο αποστολέας τοποθετεί ένα αυτοδύναμο πακέτο μέσα σε ένα πλαίσιο, αποδίδει στο πεδίο τύπου του πλαισίου την ειδική τιμή η οποία είναι δεσμευμένη για το IP. Η ενθυλάκωση απαιτεί να παρέχει ο αποστολέας τη φυσική διεύθυνση του επόμενου υπολογιστή στον οποίο θα πρέπει να σταλεί το αυτοδύναμο πακέτο. Για να υπολογιστεί η κατάλληλη διεύθυνση, το λογισμικό στον υπολογιστή-αποστολέα πρέπει να πραγματοποιήσει αντιστοίχιση διευθύνσεων. 66

67 Μετάδοση Μέσω Διαδικτύου Όταν ένα αυτοδύναμο πακέτο φτάνει τοποθετημένο μέσα σε ένα πλαίσιο δικτύου, ο παραλήπτης το εξάγει από την περιοχή δεδομένων του πλαισίου και αποβάλλει την κεφαλίδα του πλαισίου. 67

68 MTU, Μέγεθος Αυτοδύναμου Πακέτου & Ενθυλάκωση (1/2) Κάθε τεχνολογία υλικού καθορίζει τη μέγιστη ποσότητα δεδομένων που μπορεί να μεταφέρει ένα πλαίσιο. Το όριο αυτό λέγεται μέγιστη μονάδα μεταφοράς (maximum transmission unit, MTU). Σε ένα διαδίκτυο που περιέχει ετερογενή δίκτυα, ο περιορισμός της μέγιστης μονάδας μεταφοράς μπορεί να προκαλέσει πρόβλημα. Συγκεκριμένα, επειδή ένας δρομολογητής μπορεί να συνδέει δίκτυα με διαφορετικές τιμές MTU, είναι δυνατό να λάβει μέσω ενός δικτύου ένα αυτοδύναμο πακέτο το οποίο δεν μπορεί να σταλεί μέσω ενός άλλου. Οι δρομολογητές IP χρησιμοποιούν μια τεχνική που λέγεται κατάτμηση (fragmentation) για την επίλυση του προβλήματος των ετερογενών MTU. Όταν ένα αυτοδύναμο πακέτο είναι μεγαλύτερο από την τιμή MTU του δικτύου μέσω του οποίου πρέπει να σταλεί, ο δρομολογητής διαιρεί το αυτοδύναμο πακέτο σε μικρότερα κομμάτια τα οποία λέγονται τμήματα (fragments), και στέλνει κάθε τμήμα ανεξάρτητα. 68

69 MTU, Μέγεθος Αυτοδύναμου Πακέτου & Ενθυλάκωση (2/2) Το ενδιαφέρον είναι ότι ένα τμήμα έχει την ίδια μορφή με τα άλλα αυτοδύναμα πακέτα ένα bit στο πεδίο ΣΗΜΑΙΕΣ της κεφαλίδας δείχνει αν ένα αυτοδύναμο πακέτο είναι τμήμα ή ολόκληρο αυτοδύναμο πακέτο. Σε άλλα πεδία της κεφαλίδας, τοποθετούνται πληροφορίες οι οποίες χρησιμοποιούνται για να ανασυναρμολογηθούν τα τμήματα ώστε να ξαναδημιουργηθεί το αρχικό αυτοδύναμο πακέτο. Συγκεκριμένα, το πεδίο ΣΧΕΤΙΚΗ ΘΕΣΗ ΤΜΗΜΑΤΟΣ στην κεφαλίδα ενός τμήματος καθορίζει σε ποια θέση του αρχικού αυτοδύναμου πακέτου ανήκει το τμήμα. Ο δρομολογητής αρχίζει τοποθετώντας στην αρχή του κάθε τμήματος ένα αντίγραφο της αρχικής κεφαλίδας, και μετά τροποποιεί μεμονωμένα πεδία των κεφαλίδων. Για παράδειγμα, ο δρομολογητής δίνει τιμές στα κατάλληλα bit του πεδίου ΣΗΜΑΙΕΣ ώστε να δείχνουν ότι το αυτοδύναμο πακέτο είναι ένα τμήμα. Τέλος, ο δρομολογητής αντιγράφει τα κατάλληλα δεδομένα από το αρχικό αυτοδύναμο πακέτο στο τμήμα, και μεταδίδει το αποτέλεσμα που προκύπτει. 69

70 Ανασυναρμολόγηση Η διαδικασία της δημιουργίας ενός αντιγράφου του αρχικού αυτοδύναμου πακέτου από τα τμήματα λέγεται ανασυναρμολόγηση (reassembly). Επειδή κάθε τμήμα έχει στην αρχή του ένα αντίγραφο της κεφαλίδας του αρχικού αυτοδύναμου πακέτου, όλα τα τμήματα έχουν την ίδια διεύθυνση προορισμού με το αρχικό αυτοδύναμο πακέτο από το οποίο προήλθαν. Ακόμα, στο τμήμα που μεταφέρει το τελευταίο μέρος των δεδομένων, έχει δοθεί τιμή σε ένα επιπλέον bit της κεφαλίδας. Έτσι, ένας παραλήπτης που κάνει ανασυναρμολόγηση μπορεί να διαπιστώσει αν έχουν φτάσει όλα τα τμήματα με επιτυχία. Το ενδιαφέρον είναι ότι το πρωτόκολλο διαδικτύου (IP) ορίζει ότι τα τμήματα πρέπει να τα ανασυναρμολογεί ο υπολογιστής υπηρεσίας του τελικού προορισμού. Η απαίτηση να ανασυναρμολογεί τα τμήματα ο τελικός προορισμός έχει δύο κύρια πλεονεκτήματα: Μειώνει την ποσότητα των πληροφοριών κατάστασης στους δρομολογητές Επιτρέπει να αλλάζουν τα δρομολόγια δυναμικά 70

71 Αναγνώριση Αυτοδύναμου Πακέτου Το πρωτόκολλο IP δεν εγγυάται την επίδοση. Κάποια μεμονωμένα τμήματα μπορεί να χαθούν ή να φτάσουν εκτός σειράς. Αν από μια αφετηρία σταλούν πολλά αυτοδύναμα πακέτα σε ένα δεδομένο προορισμό, τα τμήματα των αυτοδύναμων πακέτων μπορεί να φτάσουν με τυχαία σειρά. Ο αποστολέας τοποθετεί ένα μοναδικό αριθμό ταυτότητας στο πεδίο ΤΑΥΤΟΤΗΤΑ του κάθε εξερχόμενου αυτοδύναμου πακέτου. Όταν ένας δρομολογητής κατατέμνει το αυτοδύναμο πακέτο, ο δρομολογητής αντιγράφει τον αριθμό ταυτότητας σε κάθε τμήμα. Ο παραλήπτης χρησιμοποιεί τον αριθμό ταυτότητας και τη διεύθυνση IP αφετηρίας ενός εισερχόμενου τμήματος για να προσδιορίσει το αυτοδύναμο πακέτο στο οποίο ανήκει το τμήμα. Επίσης, το πεδίο ΣΧΕΤΙΚΗ ΘΕΣΗ ΤΜΗΜΑΤΟΣ πληροφορεί τον παραλήπτη με ποια διάταξη πρέπει να τοποθετήσει τα τμήματα μέσα σε ένα δεδομένο αυτοδύναμο πακέτο. 71

72 Απώλεια Τμημάτων Ένας παραλήπτης δεν μπορεί να κρατά τμήματα για απεριόριστο χρόνο, επειδή αυτά καταλαμβάνουν χώρο στη μνήμη του. Για να αποφεύγεται η εξάντληση της μνήμης το πρωτόκολλο IP ορίζει ένα μέγιστο χρόνο διατήρησης των τμημάτων. Το αποτέλεσμα του χρονομέτρου ανασυναρμολόγησης του πρωτοκόλλου IP είναι μια πολιτική όλα ή τίποτα : ή φτάνουν όλα τα τμήματα και το IP ανασυναρμολογεί το αυτοδύναμο πακέτο, ή το IP αποβάλλει ολόκληρο το αυτοδύναμο πακέτο. Δεν υπάρχει μηχανισμός που να επιτρέπει σε έναν παραλήπτη να ειδοποιήσει τον αποστολέα για το ποια τμήματα έχουν φτάσει, καθώς ο αποστολέας δεν γνωρίζει τίποτα για την κατάτμηση. 72

73 Κατάτμηση Τμήματος Ο μηχανισμός κατάτμησης έχει σχεδιαστεί προσεκτικά ώστε να επιτρέπει την περαιτέρω κατάτμηση ενός τμήματος όταν ένα δίκτυο έχει μικρότερο MTU. Το πρωτόκολλο IP δεν κάνει διάκριση μεταξύ των αρχικών τμημάτων και των υποτμημάτων. Ο παραλήπτης μπορεί να πραγματοποιήσει την ανασυναρμολόγηση του αρχικού αυτοδύναμου πακέτου χωρίς να ανασυναρμολογήσει πρώτα τα υποτμήματα. 73

74 Μηχανισμός Αναφοράς Σφαλμάτων - ICMP Βασικά σφάλματα τα οποία μπορούν να αναφέρονται. Τρόπος με τον οποίο στέλνονται τα σχετικά μηνύματα. 74

75 Η Έννοια της Βέλτιστης Προσπάθειας & Ανίχνευση Σφαλμάτων Μπορεί να φαίνεται ότι μια υπηρεσία βέλτιστης προσπάθειας δε χρειάζεται ανίχνευση σφαλμάτων. Αλλά μια τέτοια υπηρεσία δεν είναι αδιάφορη το πρωτόκολλο IP προσπαθεί να αποφύγει τα σφάλματα και να αναφέρει τα προβλήματα όταν εμφανίζονται. Ένα παράδειγμα ανίχνευσης σφαλμάτων στο IP είναι το άθροισμα ελέγχου (checksum) της κεφαλίδας, το οποίο χρησιμοποιείται για την ανίχνευση σφαλμάτων μετάδοσης. Για να επαληθεύσει ο παραλήπτης το άθροισμα ελέγχου, το υπολογίζει ξανά, συμπεριλαμβανομένης της τιμής που υπάρχει στο πεδίο του αθροίσματος ελέγχου. Μετά από αλλαγές που κάνει ένας δρομολογητής σε τιμές πεδίων της κεφαλίδας (π.χ. μετά τη μείωση του πεδίου ΧΡΟΝΟΣ ΖΩΗΣ), ο δρομολογητής πρέπει να υπολογίσει ξανά το άθροισμα ελέγχου πριν προωθήσει το αυτοδύναμο πακέτο στο επόμενο άλμα του. Η ενέργεια που πραγματοποιείται ως απόκριση σε ένα σφάλμα αθροίσματος ελέγχου είναι απλή: το αυτοδύναμο πακέτο πρέπει να αποβληθεί αμέσως, χωρίς καμία άλλη επεξεργασία. 75

76 Πρωτόκολλο Μηνυμάτων Ελέγχου Διαδικτύου (1/3) Η οικογένεια πρωτοκόλλων TCP/IP περιλαμβάνει ένα πρωτόκολλο το οποίο χρησιμοποιεί το IP για να στέλνει μηνύματα σφαλμάτων όταν προκύπτουν συνθήκες όπως βλάβες δικτύου: το πρωτόκολλο μηνυμάτων ελέγχου διαδικτύου (Internet Control Message Protocol, ICMP). Το πρωτόκολλο αυτό είναι απαραίτητο για μια τυπική υλοποίηση του πρωτοκόλλου IP. Τα δύο πρωτόκολλα είναι αλληλοεξαρτώμενα. Παραδείγματα μηνυμάτων σφαλμάτων του ICMP: Συγκράτηση αφετηρίας (Source Quench). Ένας δρομολογητής στέλνει ένα μήνυμα συγκράτησης αφετηρίας όταν έχει λάβει τόσα πολλά αυτοδύναμα πακέτα που δεν έχει άλλο διαθέσιμο χώρο προσωρινής αποθήκευσης. Όταν ένας υπολογιστής υπηρεσίας λάβει ένα μήνυμα συγκράτησης αφετηρίας, πρέπει να μειώσει το ρυθμό με τον οποίο μεταδίδει. Υπέρβαση χρόνου (Time Exceeded). Ένα μήνυμα υπέρβασης χρόνου στέλνεται σε δύο περιπτώσεις: όταν ένας δρομολογητής μειώσει το πεδίο ΧΡΟΝΟΣ ΖΩΗΣ ενός αυτοδύναμου πακέτου στο μηδέν, ο δρομολογητής αποβάλλει το αυτοδύναμο πακέτο και στέλνει ένα μήνυμα υπέρβασης χρόνου. Επίσης, ένα μήνυμα υπέρβασης χρόνου στέλνεται από έναν υπολογιστή υπηρεσίας αν εξαντληθεί ο χρόνος στο χρονόμετρο της ανασυναρμολόγησης πριν φτάσουν όλα τα τμήματα ενός δεδομένου αυτοδύναμου πακέτου. 76

77 Πρωτόκολλο Μηνυμάτων Ελέγχου Διαδικτύου (2/3) Προορισμός απροσπέλαστος (Destination Unreachable). Όταν ένας δρομολογητής διαπιστώσει ότι ένα αυτοδύναμο πακέτο δεν μπορεί να επιδοθεί στον τελικό του προορισμό, στέλνει ένα μήνυμα απροσπέλαστου προορισμού στον υπολογιστή υπηρεσίας που δημιούργησε το αυτοδύναμο πακέτο. Το μήνυμα καθορίζει αν ο συγκεκριμένος υπολογιστής υπηρεσίας προορισμού είναι απροσπέλαστος ή αν το δίκτυο στο οποίο είναι συνδεδεμένος ο προορισμός είναι απροσπέλαστο. Ανακατεύθυνση (Redirect). Όταν ένας υπολογιστής υπηρεσίας δημιουργεί ένα αυτοδύναμο πακέτο που προορίζεται για ένα μακρινό δίκτυο, το στέλνει σε ένα δρομολογητή, ο οποίος προωθεί το αυτοδύναμο πακέτο στον προορισμό του. Αν ένας δρομολογητής διαπιστώσει ότι ένας υπολογιστής υπηρεσίας έχει λανθασμένα στείλει ένα αυτοδύναμο πακέτο το οποίο θα έπρεπε να σταλεί σε άλλο δρομολογητή, χρησιμοποιεί ένα μήνυμα ανακατεύθυνσης για να κάνει τον υπολογιστή υπηρεσίας να αλλάξει δρομολόγιο. Πρόβλημα παραμέτρου (Parameter Problem). Μία από τις παραμέτρους που έχουν καθοριστεί σε ένα αυτοδύναμο πακέτο είναι λανθασμένη. 77

78 Πρωτόκολλο Μηνυμάτων Ελέγχου Διαδικτύου (3/3) Εκτός από τα μηνύματα σφαλμάτων, το ICMP ορίζει και πληροφοριακά μηνύματα, μεταξύ των οποίων είναι τα παρακάτω: Αίτηση ή απάντηση αντήχησης (Echo Request/Reply). Ένα μήνυμα αίτησης αντήχησης μπορεί να σταλεί στο λογισμικό του πρωτοκόλλου ICMP σε οποιονδήποτε υπολογιστή. Ως απόκριση σε ένα εισερχόμενο μήνυμα αντήχησης, το λογισμικό του ICMP πρέπει να στείλει ένα μήνυμα απάντησης αντήχησης του ICMP. Η απάντηση περιέχει τα ίδια δεδομένα με την αίτηση. Αίτηση ή απάντηση μάσκας διεύθυνσης (Address Mask Request/Reply). Ένας υπολογιστής υπηρεσίας εκπέμπει μια αίτηση μάσκας διεύθυνσης κατά την εκκίνησή του, και οι δρομολογητές που λαμβάνουν την αίτηση στέλνουν μια απάντηση μάσκας διεύθυνσης η οποία περιέχει τη σωστή μάσκα υποδικτύου των 32 bit που χρησιμοποιείται στο δίκτυο. 78

79 Μεταφορά μηνυμάτων του ICMP Το ICMP χρησιμοποιεί το πρωτόκολλο IP για τη μεταφορά κάθε μηνύματος σφάλματος. Όταν ένας δρομολογητής έχει να στείλει ένα μήνυμα του πρωτοκόλλου ICMP, δημιουργεί ένα αυτοδύναμο πακέτο IP, και ενθυλακώνει το μήνυμα του ICMP στο αυτοδύναμο πακέτο. Έπειτα, το αυτοδύναμο πακέτο προωθείται όπως συνήθως, ενθυλακωμένο ολόκληρο σε ένα πλαίσιο για μετάδοση. Τα μηνύματα του ICMP δημιουργούνται πάντα ως απόκριση σε ένα αυτοδύναμο πακέτο. Στέλνονται πίσω στην αφετηρία. Αν ένα αυτοδύναμο πακέτο που μεταφέρει ένα μήνυμα σφάλματος του ICMP προκαλέσει σφάλμα, δε στέλνεται κανένα μήνυμα σφάλματος. 79

80 Χρήση Μηνυμάτων του ICMP για Δοκιμή της Προσπελασιμότητας Το ping χρησιμοποιεί τα μηνύματα αίτησης αντήχησης (echo request) και απάντησης αντήχησης (echo reply) του ICMP. Δοκιμάζει αν ένας προορισμός μπορεί να προσπελαστεί. Όταν κληθεί, το ping στέλνει ένα αυτοδύναμο πακέτο IP το οποίο περιέχει ένα μήνυμα αίτησης αντήχησης ICMP προς τον καθορισμένο προορισμό. Αφού στείλει την αίτηση, περιμένει για ένα σύντομο χρονικό διάστημα για την απάντηση. Αν δεν έρθει απάντηση, το ping επαναμεταδίδει την αίτηση. Αν δεν έρθει απάντηση ούτε για τις επαναμεταδόσεις (ή αν ληφθεί ένα μήνυμα απροσπέλαστου προορισμού του ICMP), το ping χαρακτηρίζει το μακρινό υπολογιστή μη προσπελάσιμο. 80

81 Χρήση του ICMP για Παρακολούθηση Δρομολογίου Τα μηνύματα του πρωτοκόλλου ICMP χρησιμοποιούνται από το εργαλείο παρακολούθησης δρομολογίου traceroute, όταν αυτό κατασκευάζει μια λίστα όλων των δρομολογητών κατά μήκος μιας διαδρομής προς ένα δεδομένο προορισμό. Το traceroute στέλνει απλώς μια σειρά από αυτοδύναμα πακέτα και περιμένει μια απόκριση για το κάθε ένα. Το traceroute θέτει την τιμή 1 στο πεδίο ΧΡΟΝΟΣ ΖΩΗΣ του πρώτου αυτοδύναμου πακέτου πριν το στείλει. Αφού βρέθει ο πρώτος δρομολογητής αυξάνει την τιμή και επαναλαμβάνει τη διαδικασία. Το traceroute πρέπει να είναι προετοιμασμένο να χειρίζεται τις διπλές αποκρίσεις και να επαναμεταδίδει τα αυτοδύναμα πακέτα που χάθηκαν. Τα δρομολόγια αλλάζουν δυναμικά. Αν τα δρομολόγια αλλάξουν ανάμεσα σε δύο βολιδοσκοπήσεις, η δεύτερη βολιδοσκόπηση μπορεί να ακολουθήσει μια μεγαλύτερη ή μικρότερη διαδρομή από την πρώτη. Η ακολουθία των δρομολογητών που θα βρει το traceroute μπορεί να μην αντιστοιχούν σε μια έγκυρη διαδρομή μέσω του διαδικτύου. 81

82 Η Τελευταία Διεύθυνση που Εμφανίζει το traceroute Τι γίνεται όταν η τιμή του πεδίου ΧΡΟΝΟΣ ΖΩΗΣ είναι αρκετά μεγάλη ώστε το αυτοδύναμο πακέτο να φτάσει στον προορισμό του; Για να εξασφαλίσει ότι θα λάβει απάντηση, το traceroute στέλνει ένα αυτοδύναμο πακέτο στο οποίο ο υπολογιστής υπηρεσίας προορισμού πρέπει να αποκριθεί. Υπάρχουν δύο προσεγγίσεις σε ευρεία χρήση: Να σταλεί ένα μήνυμα αίτησης αντήχησης (echo request) του ICMP. Ο υπολογιστής υπηρεσίας προορισμού θα στείλει μια απάντηση αντήχησης (echo reply) του ICMP. Να σταλεί ένα αυτοδύναμο πακέτο σε μια ανύπαρκτη εφαρμογή. Ο υπολογιστής υπηρεσίας προορισμού θα στείλει ένα μήνυμα απροσπέλαστου προορισμού (destination unreachable) του ICMP. Η υλοποίηση του traceroute από τη Microsoft (το tracert) ακολουθεί τον πρώτο τρόπο, στέλνοντας ένα μήνυμα αίτησης αντήχησης του ICMP. Οι περισσότερες εκδόσεις του traceroute για το Unix χρησιμοποιούν το δεύτερο τρόπο. Στέλνουν ένα μήνυμα του πρωτοκόλλου αυτοδύναμων πακέτων χρήστη (User Datagram Protocol, UDP), επειδή τα μηνύματα του UDP επιδίδονται σε προγράμματα-εφαρμογές. Το traceroute στέλνει το μήνυμα του UDP σε ένα ανύπαρκτο πρόγραμμα στον υπολογιστή προορισμού. 82

83 Χρήση του ICMP για Ανεύρεση MTU Διαδρομής Σε μερικές εφαρμογές, η κατάτμηση μπορεί να αποφευχθεί αν ο αρχικός αποστολέας επιλέξει μικρότερο μέγεθος αυτοδύναμου πακέτου. Στην τεχνική ορολογία, η μικρότερη τιμή MTU κατά μήκος μιας διαδρομής από μια αφετηρία σε έναν προορισμό λέγεται MTU διαδρομής (path MTU). Ποιους μηχανισμούς μπορεί να χρησιμοποιήσει ένας υπολογιστής υπηρεσίας για να προσδιορίσει την MTU διαδρομής; Η απάντηση είναι ένα μήνυμα σφάλματος του ICMP, και μια βολιδοσκόπηση η οποία θα προκαλέσει την αποστολή του μηνύματος σφάλματος. Το μήνυμα σφάλματος αποτελείται από ένα μήνυμα του ICMP το οποίο αναφέρει ότι χρειάζεται κατάτμηση η οποία δεν επιτρέπεται, ενώ η τεχνική για να ζητηθεί αυτό είναι ένα bit στο πεδίο ΣΗΜΑΙΕΣ (FLAGS) της κεφαλίδας IP το οποίο καθορίζει ότι το αυτοδύναμο πακέτο δεν πρέπει να κατατμηθεί. Για να προσδιοριστεί η μέγιστη μονάδα μεταφοράς της διαδρομής (MTU διαδρομής), το λογισμικό IP ενός υπολογιστή υπηρεσίας στέλνει μια ακολουθία βολιδοσκοπήσεων, κάθε μία από τις οποίες αποτελείται από ένα αυτοδύναμο πακέτο το οποίο έχει τιμή 1 στο bit της κεφαλίδας που απαγορεύει την κατάτμηση. 83

84 UDP: Υπηρεσία Μεταφοράς Αυτοδύναμων Πακέτων User Datagram Protocol Μορφή Πακέτου UDP Τρόποι χρήσης Θύρες Πρωτοκόλλου 84

85 Γιατί Χρειάζονται τα Πρωτόκολλα Μεταφοράς από Άκρο σε Άκρο Το IP, παρά την ικανότητά του να μεταβιβάζει κυκλοφορία μέσω του Internet, έχει μια σημαντική έλλειψη: δεν μπορεί να διακρίνει μεταξύ πολλών προγραμμάτων εφαρμογών που εκτελούνται στον ίδιο υπολογιστή. Τα πεδία στην κεφαλίδα του αυτοδύναμου πακέτου που προσδιορίζουν τα ακραία σημεία (end-points) της επικοινωνίας αναφέρονται σε υπολογιστές, και όχι σε εφαρμογές που βρίσκονται σε αυτούς τους υπολογιστές. Ένα πρωτόκολλο το οποίο επιτρέπει σε ένα συγκεκριμένο πρόγραμμα εφαρμογής να λειτουργεί ως ακραίο σημείο επικοινωνίας ονομάζεται πρωτόκολλο από άκρο σε άκρο (end-toend protocol), ή πρωτόκολλο μεταφοράς (transport protocol). 85

86 Πρωτόκολλο Αυτοδύναμων Πακέτων Χρήστη - UDP Το UDP δεν παρέχει το επίπεδο υπηρεσιών που περιμένει μια τυπική εφαρμογή. Το UDP χαρακτηρίζεται ως: Από άκρο σε άκρο. Το UDP είναι ένα πρωτόκολλο μεταφοράς που μπορεί να διακρίνει διαφορετικά προγράμματα εφαρμογής τα οποία εκτελούνται στον ίδιο υπολογιστή. Ασυνδεσμικό. Η διασύνδεση που παρέχει το UDP στις εφαρμογές ακολουθεί το ασυνδεσμικό πρότυπο. Μηνυματοστρεφές. Μια εφαρμογή που χρησιμοποιεί UDP στέλνει και λαμβάνει μεμονωμένα μηνύματα. Βέλτιστης προσπάθειας. Το UDP προσφέρει στις εφαρμογές εννοιολογικά την ίδια βέλτιστη προσπάθεια επίδοσης όπως το IP. Πολυεπίπεδης αλληλεπίδρασης. Το UDP επιτρέπει σε μια εφαρμογή να στέλνει μηνύματα σε πολλές άλλες εφαρμογές, να λαμβάνει μηνύματα από πολλές άλλες εφαρμογές, ή να επικοινωνεί αποκλειστικά με μία εφαρμογή. Ανεξάρτητο λειτουργικού συστήματος. Το UDP παρέχει τρόπους προσδιορισμού των προγραμμάτων εφαρμογών, οι οποίοι είναι ανεξάρτητοι από τα αναγνωριστικά που χρησιμοποιούνται από τα τοπικά λειτουργικά συστήματα. 86

87 Το Ασυνδεσμικό Πρότυπο Επικοινωνίας Το UDP χρησιμοποιεί ένα ασυνδεσμικό (connectionless) πρότυπο επικοινωνίας. Το UDP επιτρέπει σε μια εφαρμογή να επιμηκύνει όσο θέλει το χρονικό διάστημα μεταξύ της αποστολής δύο μηνυμάτων. Αν δύο εφαρμογές σταματήσουν να μεταδίδουν δεδομένα, δεν θα υπάρχει καμία άλλη ανταλλαγή πακέτων. Το UDP δε χρησιμοποιεί καθόλου μηνύματα ελέγχου. Επιφέρει εξαιρετικά μικρή επιβάρυνση στην επικοινωνία. 87

88 Μηνυματοστρεφής Διασύνδεση Το UDP παρέχει στα προγράμματα εφαρμογών μια μηνυματοστρεφή (messageoriented) διασύνδεση. Δε διαιρεί τα μηνύματα σε πακέτα προς μετάδοση, και δε συνδυάζει μηνύματα προς επίδοση. Κάθε μήνυμα που στέλνεται από μια εφαρμογή, μεταφέρεται μέσω του Internet και παραδίδεται στον παραλήπτη του. Στα πλεονεκτήματα συγκαταλέγεται ότι μια εφαρμογή που χρησιμοποιεί UDP μπορεί να βασίζεται στο πρωτόκολλο για τη διατήρηση των ορίων των δεδομένων της. Στα μειονεκτήματα συγκαταλέγεται ότι κάθε μήνυμα UDP πρέπει να χωράει σε ένα αυτοδύναμο πακέτο IP. Έτσι, το μέγεθος του αυτοδύναμου πακέτου IP αποτελεί ένα απόλυτο όριο για το μέγεθος ενός μηνύματος UDP. Το μέγεθος ενός μηνύματος UDP μπορεί να οδηγήσει σε μη αποδοτική χρήση του υποκείμενου δικτύου. Στην περίπτωση του UDP, η αποστολή μηνυμάτων μεγάλου μεγέθους οδηγεί σε μειωμένη απόδοση, επειδή τα μεγάλα μηνύματα προκαλούν κατάτμηση. 88

89 Σημασιολογία της Επικοινωνίας UDP Το UDP παρέχει την ίδια σημασιολογία βέλτιστης προσπάθειας στην επίδοση των μηνυμάτων όπως το IP, και έτσι τα μηνύματα του UDP μπορούν να χαθούν, να διπλομεταδοθούν, ή να αλλοιωθούν κατά τη μεταφορά. Επομένως, το UDP είναι κατάλληλο μόνο για εφαρμογές όπως η μεταφορά φωνής και εικόνας, οι οποίες έχουν κάποια ανοχή σε σφάλματα κατά την επίδοση. 89

90 Πολυεπίπεδη Αλληλεπίδραση Το UDP επιτρέπει τέσσερις τύπους αλληλεπίδρασης: Αμφιμονοσήμαντη (1-προς-1) Μονοσήμαντη 1-προς-πολλά Μονοσήμαντη πολλά-προς-1 Πολυσήμαντη (πολλά-προς-πολλά) 90

91 Υποστήριξη για Μονοεκπομπή, Πολυεκπομπή & Εκπομπή Αντί να υποχρεώνει μια εφαρμογή να στέλνει κατ επανάληψη το ίδιο μήνυμα σε πολλούς αποδέκτες, το UDP της επιτρέπει να μεταδίδει το μήνυμα χρησιμοποιώντας τους μηχανισμούς πολυεκπομπής (multicast) ή εκπομπής (broadcast) του IP. Για να γίνει αυτό, ο αποστολέας χρησιμοποιεί ως διεύθυνση προορισμού μια διεύθυνση εκπομπής του IP. Για παράδειγμα, τοπική εκπομπή μπορεί να καθοριστεί με τη χρήση της διεύθυνσης IP Η επίδοση με εκπομπή ή πολυεκπομπή είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για δίκτυα Ethernet, επειδή το υποκείμενο υλικό υποστηρίζει και τους δύο τύπους αποδοτικά. 91

92 Προσδιορισμός Ακραίων Σημείων με Χρήση Αριθμών Θυρών Πρωτοκόλλου Το UDP ορίζει ένα αφηρημένο σύνολο από αναγνωριστικά που ονομάζονται αριθμοί θυρών πρωτοκόλλου (protocol port numbers), τα οποία είναι ανεξάρτητα από το λειτουργικό σύστημα του υπολογιστή. Κάθε υπολογιστής που υλοποιεί UDP θα πρέπει να παρέχει μια αντιστοίχιση μεταξύ των αριθμών θυρών πρωτοκόλλου και των αναγνωριστικών προγραμμάτων που χρησιμοποιεί το λειτουργικό του σύστημα. Για μια εφαρμογή αντήχησης (echo),για παράδειγμα, το πρότυπο του UDP ορίζει ως αριθμό θύρας πρωτοκόλλου το 7, ενώ για μια εφαρμογή διακομιστή ώρας (time server) ορίζει ως αριθμό θύρας το 35. Ο τύπος της επικοινωνίας καθορίζεται από τις προδιαγραφές που δίνει μια εφαρμογή για τις διευθύνσεις και τις θύρες πρωτοκόλλου. Το UDP επιτρέπει μόνο σε μία εφαρμογή να καθορίσει ένα δεδομένο ζεύγος ακραίων σημείων μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή. 92

93 Μορφή Αυτοδύναμου Πακέτου UDP Κάθε μήνυμα UDP ονομάζεται Αυτοδύναμο Πακέτο Χρήστη (User Datagram) και αποτελείται από δύο μέρη: μία μικρή κεφαλίδα που καθορίζει τις εφαρμογές αποστολής και λήψης, και ένα ωφέλιμο φορτίο το οποίο φιλοξενεί τα δεδομένα προς αποστολή. 93