Informatika: Počítačové Siete (1)

Sieťová vrstva v TCP/IP

• Protokol IP je connection-less a unreliable.
• Prenos IP paketov prebieha medzi ľubovoľnými dvoma počítačmi (zariadeniami).
• Fragmentácia paketov je možná.
• Adresy sú 4B čísla (napr. 1.2.3.4).
• Časť adresy určuje sieť a druhá časť konkrétny uzol (host, počítač, zariadenie).

Módy adresácie

• Unicast: jeden cieľ.
• Multicast: skupina.
• Broadcast: všetci v sieti.
• Anycast: jeden z množiny.

Triedy IP adries

• Trieda A: 1.x.x.x – 126.x.x.x, 7 bitov pre sieť, 24 bitov pre host.
• Trieda B: 128.x.x.x – 191.x.x.x, 14 bitov pre sieť, 16 bitov pre host.
• Trieda C: 192.x.x.x – 223.x.x.x, 21 bitov pre sieť, 8 bitov pre host.
• Trieda D: 224.x.x.x – 239.x.x.x, multicast.
• Trieda E: 240.x.x.x – 255.x.x.x, vyhradené.

Classless Inter-domain Routing (CIDR)

• Rieši zapĺňanie adresného priestoru a neefektívne prideľovanie adries A/B/C.
• Maska určuje, ktoré bity tvoria adresu siete (súvislý blok 1, súvislý blok 0).
• Príklady masiek: 255.255.0.0 = 16 bitov, 255.255.255.128 = 25 bitov, 255.192.0.0 = 10 bitov.

Špeciálne IP adresy

• Adresa siete má host časť 0...0 a slúži ako identifikátor siete, ide o „neznámu“ adresu.
• Broadcast adresa má host časť 1...1 a je broadcast pre danú sieť.
• 127.0.0.0/255.0.0.0 je loopback, lokálny počítač.
• 192.168.0.0/16, 172.16.0.0/12, 10.0.0.0/8 sú pre súkromné siete a nesmú sa dostať do internetu.
• 255.255.255.255 je broadcast na lokálnej sieti.
• 0.0.0.0 je "neznáma" adresa (napr. zdroj pri BOOTP/DHCP).

Príklady IP adries

• 158.195.18.0/255.255.255.0 (24): adresy 158.195.18.1 – 158.195.18.254, broadcast 158.195.18.255.
• 158.195.16.0/255.255.254.0 (23): adresy 158.195.16.1 – 158.195.17.254, broadcast 158.195.17.255.
• 158.195.22.0/255.255.255.128 (25): adresy 158.195.22.1 – 158.195.22.126, broadcast 158.195.22.127.

IP paket

• Má hlavičku veľkú 20 až 60 B (adresa odosielateľa a cieľa, dĺžka paketu, transportný protokol, time to live, fragmentačné údaje a kontrolný súčet hlavičky).
• Maximálna veľkosť je teoreticky 65536 B.
• Každé IP zariadenie musí byť schopné spracovať aspoň 576 B IP paket.
• Umožňuje fragmentáciu paketov.

Routovanie IP

• Router je počítač alebo špeciálny HW s aspoň dvoma sieťovými interfejsmi/linkami.
• Pre každý sieťový interfejs je definovaná IP adresa a maska siete.
• Routovacia tabuľka obsahuje adresu, masku, ďalší router a sieťový interfejs/linka.
• Vyberá sa vždy najšpecifickejšia položka z routovacej tabuľky.

Príklad routovacej tabuľky

• IP: 158.195.18.222, maska: 255.255.255.0, záznamy pre 158.195.18.0/255.255.255.0 (eth0), 127.0.0.0/255.0.0.0 (lo) a 0.0.0.0/0.0.0.0 158.195.18.209 (eth0).
• Router: IP1: 158.195.18.209, maska: 255.255.255.0, IP2: 158.195.17.163, maska: 255.255.254.0, záznamy pre 158.195.18.0/255.255.255.0 (eth0), 158.195.16.0/255.255.254.0 (eth1), 127.0.0.0/255.0.0.0 (lo) a 0.0.0.0/0.0.0.0 158.195.16.208 (eth1).

Address Resolution Protocol (ARP)

• IP pracuje s IP paketmi a IP adresami.
• Linková vrstva pri broadcast médiu potrebuje často iné adresy (napr. Ethernet).
• ARP rieši preklad IP adresy na fyzickú (linkovú) adresu.
• Vyšle broadcast "Kto má IP a.b.c.d?".
• Zariadenie s IP a.b.c.d odpovie: “IP a.b.c.d má zariadenie x:y:z:p:q:s".

Multicast / broadcast cez Ethernet

• Broadcast do lokálnej siete (255.255.255.255) je špecifický broadcast pre vlastnú sieť.
• MAC adresa pre broadcast je FF:FF:FF:FF:FF:FF.
• Multicast má formát MAC adresy 01:00:5E:X:Y:Z, kde X:Y:Z = spodných 23 bitov z IP adresy (01:00:5E:00:00:00 – 01:00:5E:7F:FF:FF).

Internet Control Message Protocol (ICMP)

• Slúži na diagnostiku a spracovanie chýb.
• Príklady: ping, destination unreachable, redirect, TTL exceeded.

Transportná vrstva TCP/IP

• Používa protokoly TCP (Transmission Control Protocol) a UDP (User Datagram Protocol).
• TCP je connection-oriented a reliable.
• UDP je connection-less a unreliable.
• Poskytuje služby aplikačnej vrstve.
• Adresy pozostávajú z IP adresy a čísla portu.
• Jednoznačná identifikácia spojenia = IP adresa + port jednej strany a IP adresa + port druhej strany.

User Datagram Protocol (UDP)

• Unreliable, connection-less služba.
• Hlavička obsahuje zdrojový a cieľový port, veľkosť a kontrolný súčet (hlavička aj dáta).

Transmission Control Protocol (TCP)

• Reliable, connection-oriented služba.
• Hlavička obsahuje zdrojový a cieľový port, sekvenčné číslo, potvrdzovacie číslo a veľkosť okna, príznaky a kontrolný súčet.
• Každý paket sa potvrdzuje.
• Ak nepríde potvrdenie, paket sa pošle znova.

Transmission Control Protocol (TCP) - Vytvorenie Spojenia

• A pošle B paket s príznakom SYN.
• B pošle A paket s príznakmi SYN a ACK.
• A pošle B paket s príznakom ACK.

Transmission Control Protocol (TCP) - Ukončenie Spojenia

• A pošle B paket s príznakmi FIN a ACK.
• B pošle A paket s príznakmi FIN a ACK.
• A pošle B paket s príznakom ACK.

TCP – Sliding Window

• Príklad s oknom veľkosti 1000:
  • A pošle B paket s SYN a sekvenčným číslom 0. (okno=1-1000)
  • B pošle A paket s SYN+ACK, sekvenčným číslom 0 a potvrdzovacím číslom 1.
  • A pošle B paket s ACK a sekvenčným číslom 1.
  • A pošle B paket s ACK a sekvenčným číslom 1 a 500B dát.
  • B pošle A paket s ACK a potvrdzovacím číslom 501. (okno=501-1500)
  • A pošle B paket s ACK, sekvenčným číslom 501 a 500B dát.
  • A pošle B paket s ACK, sekvenčným číslom 1001 a 500B dát. (vyčerpali sme okno)
  • B pošle A paket s ACK a potvrdzovacím číslom 1501 a veľkosťou okna zmenšenou na 500. (okno=1501-2000)
  • A pošle B paket s ACK, sekvenčným číslom 1501 a 500B dát.
  • B pošle A paket s ACK a potvrdzovacím číslom 2001 a veľkosťou okna zmenšenou na 0. (prázdne okno – stop)
  • A pošle B paket s ACK a sekvenčným číslom 2001 a 1B dát. ( pokus)
  • B pošle A paket s ACK a potvrdzovacím číslom 2001 a veľkosťou okna zmenšenou na 0. (prázdne okno – stop)

Network Address Translation (NAT)

• Umožňuje komunikáciu zo siete so súkromnými adresami.

Source NAT (SNAT)

• Zdroj spojenia má súkromnú adresu.

Destination NAT (DNAT)

• Cieľ spojenia má súkromnú adresu.
• Používa sa na sprístupnenie služby poskytovanej serverom so súkromnou adresou.
• Router si udržiava tabuľku „spojení“ (adresa a port zdroja a cieľa, protokol, preložená (vlastná) adresa a port).
• Pri odosielaní prvého paketu spojenia von: prepíše adresu zdroja na preloženú, prepíše port zdroja na vlastný (voľný) a zapíše spojenie do tabuľky.
• Pri odosielaní ďalšieho paketu spojenia von: nájde spojenie v tabuľke a prepíše adresu a port zdroja podľa tabuľky.
• Pri prijatí paketu zvonku: nájde spojenie v tabuľke a prepíše adresu a port cieľa podľa tabuľky.

DNAT - Postup

• Pri prijatí paketu zvonka na určenú verejnú adresu a port:
  • Ak je spojenie v tabuľke, prepíše cieľ podľa tabuľky.
  • Inak prepíše cieľ podľa konfigurácie a spojenie zapíše do tabuľky.
• Pri odosielaní paketu von: nájde spojenie v tabuľke a prepíše zdroj podľa tabuľky.

NAT - Trvanie Spojenia

• TCP: dá sa využiť sledovanie stavu spojenia.
• UDP: timeout (väčší timeout pre prúd UDP prúd (stream)).

NAT – Problémy

• Problémy s aplikačnými protokolmi, ak aplikačný protokol používa IP adresy a čísla portov.
• Je potreba podporných modulov pre udržiavanie tabuľky spojení a prípadne prepisovanie dát aplikačnej vrstvy (napr. FTP).

Aplikačná vrstva TCP/IP

• Rôzne aplikačné protokoly využívajúce TCP alebo UDP.
• WWW: HTTP – TCP/80, HTTPS – TCP/443.
• FTP – TCP/21, TCP/20.
• Telnet – TCP/23.
• SSH – TCP/22.
• Odosielanie e-mailov: SMTP – TCP/25.
• Čítanie e-mailov: POP3 – TCP/110, IMAP - TCP/143.
• DNS – UDP/53, TCP/53.