Δίκτυα Υπολογιστών. Ενότητα 6: Δημιουργία δικτύων και υποδικτύων σε περιβάλλον πρωτοκόλλου ΙΡ

Transcript

1 Δίκτυα Υπολογιστών ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ενότητα 6: Δημιουργία δικτύων και υποδικτύων σε περιβάλλον πρωτοκόλλου ΙΡ Δρ. Χαράλαμπος Ζ. Πατρικάκης Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε Κάντε κλικ για να ξεκινήσετε

2 Βιβλιογραφία James F. Kurose - Keith W. Ross, Δικτύωση Υπολογιστών, εκδ. Γκιούρδας. Tanenbaum, Wetherall, Δίκτυα Υπολογιστών, Εκδ. Κλειδάριθμος. Douglas E. Comer, Δίκτυα και διαδίκτυα υπολογιστών και εφαρμογές τους στο Internet, Κλειδάριθμος. Monteiro, J. M., Cruz, R. S., Patrikakis, C. Z., Papaoulakis, N. C., Calafate, C. T., & Nunes, M. S. (2013). Peer-to-Peer Video Streaming. In R. Farrugia, & C. Debono (Eds.), Multimedia Networking and Coding (pp ). Hershey, PA: Information Science Reference. doi: / ch010. Charalampos Z. Patrikakis, Angelos- Christos Anadiotis, Penetrating with DDoS Attacks, (διαθέσιμο στο διαδίκτυο: PenTest Magazine, vol2 no 5, Aug 2012, pp [16-22]. Pendegraft, N. (2003). The TCP/IP Game. In T. McGill (Ed.), Current Issues in IT Education (pp ). Hershey, PA: IRM Press. doi: / ch009. Τμήμα των σημειώσεων είναι βασισμένο σε συνοδευτικό υλικό του βιβλίου των James F. Kurose - Keith W. Ross, Computer Networking, Pearson publications 2

3 Περιεχόμενα 6.1 Διευθυνσιοδότηση σε Δίκτυα ΙΡ. 6.2 Το Πρωτόκολλο DHCP. 6.3 Πρωτόκολλο ΙΡ και δρομολόγηση από άκρο σε άκρο. 3

4 Προσδοκώμενα Αποτελέσματα Στην ενότητα αυτή θα μάθετε για: Τη διευθυνσιοδότηση των δικτύων, τις μάσκες και τα υποδίκτυα, Οργάνωση υπολογιστών σε δίκτυα και υποδίκτυα, Πρωτόκολλα IPv4, IPv6,NAT. 4

5 6.1 Διευθυνσιοδότηση σε Δίκτυα ΙΡ Δίκτυα, Υποδίκτυα και μάσκες 5

6 Διευθυνσιοδότηση IP : Εισαγωγή Διεύθυνση IP: αναγνωριστικό μήκους 32-bit για τον υπολογιστή υπηρεσίας, τη διεπαφή του δρομολογητή. διεπαφή: σύνδεση μεταξύ ΗΥ υπηρεσίας/δρομολογητή και φυσικής ζεύξης. Οι δρομολογητές τυπικά,έχουν πολλαπλές διεπαφές. Ο ΗΥ υπηρεσίας τυπικά, έχει μία διεπαφή. Σε κάθε διεπαφή αντιστοιχίζονται διευθύνσεις IP =

7 Υποδίκτυα Διεύθυνση IP : Τμήμα δικτύου (bits υψηλής τάξης). Τμήμα τερματικού υπολογιστή (bits χαμηλής τάξης). Τί είναι ένα υποδίκτυο? Αποτελείται από τις διεπαφές των συσκευών με το ίδιο τμήμα δικτύου της διεύθυνσης IP. Κάθε κόμβος μπορεί να επικοινωνήσει φυσικά(όχι λογικά) με τους άλλους χωρίς τη μεσολάβηση δρομολογητή. Δίκτυο που αποτελείται από 3 υποδίκτυα 7

8 Υποδίκτυα Κάθε διεπαφή (interface) του δρομολογητή, ανήκει και σε ένα υποδίκτυο, το οποίο είναι τμήμα του μεγαλύτερου αρχικού δικτύου. Μάσκα υποδικτύου: /24 8

9 Υποδίκτυα Μπορείτε να βρείτε πόσα υποδίκτυα έχουμε στο διπλανό σχήμα;

10 Διευθύνσεις IP Διεύθυνση επιπέδου 3 (δικτύου) για οποιαδήποτε τερματική ή δικτυακή συσκευή (PCs, printers routers ) Μήκος 32 bits. Μόνο για λόγους εύκολης απομνημόνευσης και κατανόησης χωρίζονται σε 4 οκτάδες οι οποίες διαχωρίζονται από μία τελεία. Κάθε οκτάδα έχει έναν αριθμό από το 0 έως το 255. Το IP χρησιμοποιεί ένα ιεραρχικό σύστημα διευθυνσιοδότησης. 10

11 Διευθύνσεις IP και κλάσεις 5 κλάσεις διευθύνσεων IP. Α: πολύ μεγάλα δίκτυα (16Μ). Β: μεσαία δίκτυα (64Κ). C: μικρά δίκτυα (256). D: πολυεκπομπή. E: δεσμευμένο για «μελλοντική χρήση». Μας ενδιαφέρουν μόνο οι A,B,C. 11

12 Διευθύνσεις IP Όρια κλάσεων Α : 0ΝΝΝΝΝΝΝ.ΗΗΗΗΗΗΗΗ.ΗΗΗΗΗΗΗΗ.ΗΗΗΗΗΗΗΗ Β : 10ΝΝΝΝΝΝ.ΝΝΝΝΝΝΝΝ.ΗΗΗΗΗΗΗΗ.ΗΗΗΗΗΗΗΗ C : 110ΝΝΝΝΝ.ΝΝΝΝΝΝΝΝ.ΝΝΝΝΝΝΝΝ.ΗΗΗΗΗΗΗΗ Άρα: Οι διευθύνσεις κλάσης Α, ξεκινούν από 1 και πάνε μέχρι (loopback) Οι διευθύνσεις κλάσης Β, ξεκινούν από 128 και πάνε μέχρι 191. Οι διευθύνσεις κλάσης C, ξεκινούν από 192 και πάνε μέχρι

13 Υποδίκτυα μάσκες (Subnet Masks) Ας θεωρήσουμε τη διεύθυνση κλάσης Α Η μάσκα υποδικτύου για την κλάση Α είναι Αντίστοιχα για τις υπόλοιπες κλάσεις. Και η διεύθυνση IP, και η μάσκα υποδικτύου ορίζονται στον υπολογιστή μας 13

14 Δημιουργία υποδικτύων σε ένα δίκτυο κλάσης C Έστω ένα δίκτυο Class C, με: διεύθυνση Άρα μάσκα δικτύου Το σπάμε σε 4 ισοδύναμα υποδίκτυα, άρα θέλουμε 2 επιπλέον bits (2 2 >= 4) για το υποδίκτυο. Τα επιπλέον bits θα τα πάρουμε από το τμήμα του host στην IP. Έτσι, για την τελευταία οκτάδα bits, θα έχουμε: Για το υποδίκτυο 0: (=0) IP subn0 = Για το υποδίκτυο 1: (=64) IP subn0 = Για το υποδίκτυο 2: (=128) IP subn2 = Internet Δίκτυο κλάσης C Έως 254 τερματικά Για το υποδίκτυο 3: (=192) IP subn3 = Μάσκα υποδικτύου Έως 62 τερματικά Έως 62 τερματικά Έως 62 τερματικά Έως 62 τερματικά 14

15 Ερωτήσεις πάνω στη δημιουργία υποδικτύων Αν η διεύθυνση δικτύου είναι /25: Ποια είναι η πρώτη διαθέσιμη διεύθυνση υπολογιστή (host address); Ποια η διεύθυνση εκπομπής (Broadcast address); Ποια είναι η τελευταία διαθέσιμη διεύθυνση υπολογιστή (host address); Ποια είναι η μάσκα του υποδικτύου; Πόσους υπολογιστές μπορούμε να συνδέσουμε; 15

16 Διευθυνσιοδότηση IP: CIDR Αταξική Διατομεακή Δρομολόγηση CIDR: Classless Inter Domain Routing Τμήμα του υποδικτύου της διεύθυνσης είναι οποιουδήποτε μήκους. Μορφή διεύθυνσης: a.b.c.d/x, όπου το x είναι το πλήθος των bits στο τμήμα του υποδικτύου της διεύθυνσης. τμήμα υποδικτύου τμήμα τερματικού /23 16

17 6.2 Το Πρωτόκολλο DHCP Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) 18

18 Πως μπορώ να αποκτήσω μία διεύθυνση IP; Πρώτος τρόπος (χειρωνακτικά): Άμεση ανάθεση μέσω αρχείου ή επιλογών ρυθμίσεων δικτύου. Windows: control-panel->network->configuration->tcp/ip->properties UNIX: /etc/rc.config Δεύτερος τρόπος (αυτόματα): DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol Δυναμική ανάθεση από έναν ειδικό εξυπηρετητή. Δυνατότητα εξυπηρέτησης πολλών περισσότερων χρηστών από το πλήθος των διαθέσιμων διευθύνσεων (με τον περιορισμό ότι κάθε φορά στο σύστημα είναι συνδεδεμένος αριθμός χρηστών ο οποίος δεν υπερβαίνει τον μέγιστο αριθμό διαθέσιμων διευθύνσεων). Δυνατότητα κράτησης μιας διεύθυνσης για περιορισμένο χρονικό διάστημα εφόσον δεν υπάρξει η ανάγκη για επαναχρησιμοποιήσή της. Αυτόματη ρύθμιση παραμέτρων δικτύου (όπως gateway, DNS server, μάσκας δικτύου). Αυτόματη ενεργοποίηση και λειτουργία, χωρίς την ανάγκη παρέμβασης του χρήστη, ή ρυθμίσεις από την πλευρά του. 19

19 DHCP: Βασικά μηνύματα και βήματα για διάθεση διεύθυνσης Ο υπολογιστής που θέλει να πάρει μία διεύθυνση στέλνει (μέσω εκπομπής) ένα μήνυμα DHCP discover message στην πόρτα 67. Ο DHCP server απαντά πάλι μέσω εκπομπής με broadcast, στέλνοντας ένα μήνυμα DHCP offer message, μαζί με ένα χρόνο «μίσθωσης» της διεύθυνσης, ο οποίος μπορεί να είναι ώρες ή ημέρες. Ο υπολογιστής που θέλει να πάρει μία διεύθυνση στέλνει πάλι με broadcast, ένα μήνυμα DHCP request message, προς τον DHCP serverαπό τον οποίο επέλεξε να εξυπηρετηθεί. Τέλος, ο DHCP server στέλνει την διεύθυνση στον υπολογιστή μέσω ενός μηνύματος το οποίο γίνεται και αυτό broadcast: DHCP ack message. H μίσθωση μίας διεύθυνσης, μπορεί να διαρκέσει και πλέον του χρόνου μίσθωσης, μέσω της δυνατότητας ανανέωσης που υποστηρίζει το DHCP. 20

20 DHCP Discover Νέος υπολογιστής Internet DHCP server ( ) Source : : 68 Destination : :67 Yiaddr : Transaction ID:

21 DHCP Offer Νέος υπολογιστής Internet DHCP server Source : : 67 Destination : : 68 Yiaddrr : Transaction ID: Lifetime: 3600 secs

22 DHCP Request Νέος υπολογιστής Internet DHCP server ( ) Source : : 68 Destination : : 67 Yiaddrr : transaction ID: Lifetime: 3600 secs

23 DHCP Ack Νέος υπολογιστής Internet DHCP server Source : :67 Destination : : 68 Yiaddrr : transaction ID: Lifetime: 3600 secs

24 6.3 Πρωτόκολλο IP και δρομολόγηση από άκρο σε άκρο 26

25 Το επίπεδο δικτύου στο Διαδίκτυο Επίπεδο μεταφοράς: TCP, UDP Επίπεδο δικτύου Πρωτόκολλα δρομολ. Επιλογή μονοπατιού RIP, OSPF, BGP Πίνακας προώθησης Πρωτόκολλο IP Συμβάσεις διευθυνσιοδότησης Δομή δεδομενογράμματος Συμβάσεις χειρισμού πακέτων Πρωτόκολλο ICMP Αναφορά σφαλμάτων σηματοδοσία δρομολογητή Επίπεδο ζεύξης Φυσικό επίπεδο 27

26 Δομή IP datagram Πηγή: 28

27 Κατακερματισμός και Επανασύνδεση στο IP (IP Fragmentation & Reassembly) Οι συνδέσεις δικτύου έχουν μέγιστη μονάδα μεταφοράς MTU (Max Transfer Unit) που ορίζει το μέγιστο μήκος πλαισίου σε επίπεδο διασύνδεσης δεδομένων. Διαφορετικά είδη ζεύξεων σημαίνει διαφορετικά MTUs Tα μεγάλα IP datagrams μπορεί να τεμαχιστούν στο δίκτυο σε μικρότερα Ένα datagram σπάει σε πολλά Επανασυνδέονται μόνο στον τελικό προορισμό τους Ορισμένα bits της IP επικεφαλίδας χρησιμοποιούνται για να καθορίσουν τη σειρά των τμημάτων κατακερματισμός: είσοδος: ένα μεγάλο datagram έξοδος: 3 μικρότερα datagrams επανασύνδεση... L = L1 + L2 + L3 29

28 Κατακερματισμός και Επανασύνδεση στο IP Παράδειγμα r r Datagram μήκους 4000 byte MTU = 1500 bytes length =4000 ID =x fragflag =0 offset =0 Ένα μεγάλο datagram μετατρέπεται σε αρκετά μικρότερα datagrams 1480 bytes στο πεδίο δεδομένων offset = 1480/8 length =1500 length =1500 length =1040 ID =x ID =x ID =x fragflag =1 fragflag =1 fragflag =0 offset =0 offset =185 offset =370 30

29 NAT: Network Address Translation Δημόσιο Internet Τοπικό δίκτυο / Internet Όλα τα datagrams τα οποία φεύγουν από το τοπικό δίκτυο, έχουν την ίδια διεύθυνση δικτύου: IP address: , αλλά διαφορετικά source port numbers Τα Datagrams με προορισμό ή αφετηρία αυτό το δίκτυο, έχουν τη Χ/24 address δικτύου ως αφετηρία/προορισμό 31

30 NAT: Network Address Translation Κίνητρο: Το τοπικό δίκτυο χρησιμοποιεί μόνο μία διεύθυνση IP address όσον αφορά τον έξω κόσμο: Δεν υπάρχει ανάγκη για πολλές διευθύνσεις σε κάθε συνδρομητή. Οι αλλαγές εσωτερικά του τοπικού δικτύου του συνδρομητή δε χρειάζεται να ανακοινωθούν στον έξω κόσμο. Εύκολη αλλαγή παρόχου χωρίς να επηρεαστεί το τοπικό δίκτυο του συνδρομητή. Οι συσκευές μέσα στο τοπικό δίκτυο δεν μπορούν να «στοχευτούν» απευθείας από το υπόλοιπο Internet, το οποίο δίνει ένα επιπλέον επίπεδο ασφάλειας. 32

31 Λειτουργία ενός NAT Για τα εξερχόμενα datagrams Αντικαθιστά source IP address, port # σε κάθε εξερχόμενο datagram με NAT IP address, new port #. Αποθηκεύει στον πίνακα NAT translation table κάθε ζεύγος (source IP address, port #) - (NAT IP address, new port #). Οι απομακρυσμένοι εξυπηρετητές/πελάτες θα απαντήσουν χρησιμοποιώντας (NAT IP address, new port #) ως διευθύνσεις προορισμού. Για τα εισερχόμενα datagrams Αντικαθιστά τα NAT IP address, new port # στα πεδία προορισμού κάθε εισερχόμενου datagram με τα αντίστοιχα source IP address, port # που είναι αποθηκευμένα στο NAT table. 33

32 Λειτουργία ενός NAT NAT translation table WAN side addr LAN side addr : : 3345 Ο στέλνει ένα datagram στον : Internet 2 Ο NAT router αλλάζει το datagram source addr από :3345 σε :5001, και ενημερώνει τον πίνακα S: : 5001 D: : S: : 80 D: : Έρχεται η απάντηση με dest. address: : S: : 3345 D: : 80 1 S: : 80 D: : Ο NAT router αλλάζει το dest addr από :5001 σε :

33 Αντιστοίχιση πόρτας με διεύθυνση Πεδίο 16-bit port-number field: Δυνατότητα για 60,000 περίπου παράλληλες συνδέσεις πάνω από μία μοναδική διεύθυνση ΝΑΤ. Η έννοια του NAT είναι καταχρηστική: Οι δρομολογητές κανονικά πρέπει να επεξεργάζονται μέχρι το επίπεδο δικτύου (layer 3). Παραβιάζει το νόημα της επικοινωνίας από άκρη σε άκρη. Η ύπαρξη NAT πρέπει να λαμβάνεται υπόψη από τους σχεδιαστές εφαρμογών π.χ.p2p εφαρμογές. Κανονικά το πρόβλημα των διευθύνσεων πρέπει να λυθεί μέσα από το IPv6. 35

34 Το πρόβλημα του NAT traversal Ένας πελάτης θέλει να συνδεθεί στον εξυπηρετητή με διεύθυνση Η διεύθυνση του εξυπηρετητή είναι τοπική οπότε δεν μπορεί να τη χρησιμοποιήσει ο πελάτης. Μόνο η είναι ορατή από το δίκτυο έξω από το NAT Router Internet

35 Το πρόβλημα του NAT traversal Λύση 1: Στατική ρύθμιση του NAT ώστε να δρομολογεί τις εισερχόμενες συνδέσεις σε μία συγκεκριμένη πόρτα, στον εξυπηρετητή. Π.χ., (η :2500) δρομολογείται πάντα στο :80. Λύση 2: Universal Plug and Play (UPnP) Internet Gateway Device (IGD) Protocol. Επιτρέπει στον υπολογιστή πίσω από το NAT να : Μάθει τη δημόσια διεύθυνση ( ). Προσθέσει και να αφαιρέσει αντιστοιχίσεις (με χρήση χρόνων lease times). Λύση 3: μεταγωγή - relaying (χρησιμοποιείται από το Skype) Ο πελάτης πίσω από το NAT συνδέεται σε έναν μεταγωγέα, εκτός NAT. Ο εξωτερικός πελάτης συνδέεται και αυτός στο μεταγωγέα. Ο μεταγωγέας συνδέει τις δύο άκρες. 37

36 ICMP: Internet Control Message Protocol (Πρωτόκολλο Ελέγχου Μηνυμάτων Διαδικτύου) Χρησιμοποιείται από τερματικούς υπολογιστές και δρομολογητές για να επικοινωνήσουν πληροφορία επιπέδου δικτύου. Αναφορά σφαλμάτων: π.χ. τερματικός υπολογιστής μη προσιτός, Αίτηση/απόκριση ηχούς (echo request/reply) (χρησιμοποιείται από την εντολή ping). Επίπεδο δικτύου πάνω από IP: Τα μηνύματα ICMP μεταφέρονται σε datagrams IP. Μήνυμα ICMP : τύπος, κωδικός και τα πρώτα 8 bytes του IP datagram που προκάλεσε το σφάλμα. 38

37 Επικεφαλίδα ICMP Πηγή: 39

38 Traceroute και ICMP Η πηγή στέλνει σειρές από UDP segments στον προορισμό Το πρώτο έχει TTL=1. Το δεύτερο έχει TTL=2, κλπ. Όταν το n-στο δεδομενόγραμμα φτάνει στον n-στο δρομολογητή: Ο δρομολογητής απορρίπτει το δεδομενόγραμμα. Και στέλνει στην πηγή ένα μήνυμα ICMP (τύπος 11, κωδικός 0). Το μήνυμα περιλαμβάνει το όνομα του δρομολογητή και τη διεύθυνση IP. Όταν φτάνει το μήνυμα ICMP, η πηγή υπολογίζει το RTT. Κριτήριο τερματισμού Το UDP segment τελικά φτάνει στον ΗΥ υπηρεσίας του προορισμού. Ο προορισμός επιστρέφει ένα πακέτο ICMP host unreachable (τύπος 3, κωδικός 3). Όταν η πηγή παίρνει τέτοιο μήνυμα ICMP, σταματά. 40

39 IP Version 6 Αρχικό κίνητρο: ο χώρος των διευθύνσεων μήκους 32-bit είχε σχεδόν εξαντληθεί. Πρόσθετο κίνητρο: Η μορφή της κεφαλίδας βοηθά στην επιτάχυνση επεξεργασίας/προώθησης. Η κεφαλίδα αλλάζει ώστε να διευκολύνει την ποιότητα υπηρεσίας (QoS). Μορφή δεδομενογράμματος IPv6 : Κεφαλίδα σταθερού μήκους 40 byte. Δεν επιτρέπεται κατακερματισμός. 41

40 Επικεφαλίδα IPv6 Traffic Class: καθορίζει την προτεραιότητα ανάμεσα στα datagrams της ροής. Flow label: καθορίζει datagrams στην ίδια ροή. Next header: καθορίζει το πρωτόκολλο στο οποίο θα παραδοθούν τα περιεχόμενα του datagram. Πηγή: 42

41 Άλλες αλλαγές σε σχέση με το IPv4 Άθροισμα ελέγχου(checksum): αφαιρείται εντελώς για να μειωθεί ο χρόνος επεξεργασίας σε κάθε βήμα. Επιλογές (Options): επιτρέπονται, αλλά εκτός κεφαλίδας, υποδεικνυόμενες από το πεδίο Επόμενη κεφαλίδα. ICMPv6: νέα έκδοση του ICMP Επιπρόσθετοι τύποι μηνυμάτων, π.χ. Packet Too Big. Λειτουργίες διαχείρισης ομάδας πολυ-εκπομπής. 43

42 Μετάβαση από IPv4 σε IPv6 Δεν μπορούν ταυτόχρονα όλοι οι δρομολογητές να αναβαθμιστούν Δεν υπάρχουν ημερομηνίες μετάβασης Πώς θα λειτουργήσει το δίκτυο με ανακατεμένους IPv4 και IPv6 δρομολογητές? Tunneling: IPv6 μεταφέρεται ως ωφέλιμο φορτίο στο δεδομενόγραμμα IPv4 ανάμεσα στους δρομολογητές IPv4. 44

43 Tunneling IPv6 routing Λογική Tunnel αφαίρεση IPv6 IPv6 IPv6 IPv6 IPv6 routing IPv4 routing IPv6 routing Πραγματική κατάσταση... IPv6 IPv6/IPv4 IPv4 IPv4 IPv6/IPv4 IPv6 45

44 Tunneling IPv6 routing IPv4 routing IPv6 routing Πραγματική κατάσταση IPv6 IPv6/IPv4 IPv4... IPv4 IPv6/IPv4 IPv6 IPv6 IPv6 IPv4 IPv4 IPv6 IPv6 Ροή : X Πηγή: A Προορ: F δεδομένα Πηγή:B Προορ:E Ροή : X Πηγή : A Προορ: F Πηγή:B Προορ:E Ροή : X Πηγή : A Προορ: F Ροή : X Πηγή : A Προορ: F δεδομένα δεδομένα δεδομένα A-προς-B: IPv6 B- προς -C: IPv6 μέσα σε IPv4 B- προς -C: IPv6 μέσα σε IPv4 E- προς -F: IPv6 46

45 Σε αυτή την ενότητα μιλήσαμε για: 6.1 Διευθυνσιοδότηση σε Δίκτυα ΙΡ. 6.2 Το Πρωτόκολλο DHCP. 6.3 Πρωτόκολλο ΙΡ και δρομολόγηση από άκρο σε άκρο. 48

46 Δίκτυα Υπολογιστών ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ενότητα 6: Δημιουργία δικτύων και υποδικτύων σε περιβάλλον πρωτοκόλλου ΙΡ Δρ. Χαράλαμπος Ζ. Πατρικάκης Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε