Programowanie sieciowe

Transkrypt

1 Programowanie sieciowe Wykład 3: TCP/IP mgr Marcin Raniszewski mgr inŝ. Paweł Kośla Łódź,

2 Plan wykładu Wprowadzenie Cechy TCP/IP Model DoD Enkapsulacja/dekapsulacja danych WaŜniejsze protokoły TCP/IP Adresy IP Protokoły, porty i gniazda Typy przesyłania komunikatów 2

3 Literatura dodatkowa TCP/IP administracja sieci Craig Hunt, wyd. Read Me (RM), 2003 (wydanie 3) TCP/IP. Biblia Rob Scrimger, Paul LaSalle, Clay Leitzke, Mridula Parihar, Meeta Gupta, wyd. Helion,

4 Wprowadzenie protokół Protokół - sformalizowane zasady postępowania. Przykład: W relacjach międzynarodowych protokoły dyplomatyczne pozwalają na minimalizację problemów, które mogłyby wystąpić na skutek róŝnic kulturowych. Protokół umoŝliwia więc uniknięcie nieporozumień - niezaleŝnie od zwyczajów poszczególnych narodów, kaŝdy wie jak się zachować i jak zinterpretować zachowanie innych ludzi. Kiedy porozumiewają się dwa systemy naleŝy zdefiniować zestaw reguł rządzących wymianą informacji między nimi. 4

5 Wprowadzenie - RFC Większość informacji o TCP/IP publikowana jest w formie dokumentów RFC (Request For Comments). W RFC moŝna znaleźć ostatnie wersje specyfikacji wszystkich standardowych protokołów TCP/IP. KaŜdy administrator sieci powinien zapoznać się z dokumentami RFC. Niektóre z nich zawierają łatwe do zrozumienia praktyczne rady i wskazówki. Niektóre jednak zawierają specyfikację implementacji protokołu i napisane są hermetycznym językiem, charakterystycznym dla protokołu wymiany danych. 5

6 Wprowadzenie - TCP/IP Nazwa TCP/IP odnosi się do całego zestawu protokołów komunikacyjnych. Zestaw wziął swoją nazwę od dwóch z nich: protokołu kontroli transmisji (Transmission Control Protocol, TCP) protokołu internetowego (Internet Protocol, IP) Choć w zestawie znajduje się więcej protokołów te dwa powyŝsze są najwaŝniejsze. TCP/IP udostępnia metody transmisji informacji pomiędzy poszczególnymi hostami w sieci, obsługując pojawiające się błędy oraz tworząc wymagane do transmisji informacje dodatkowe. 6

7 Cechy TCP/IP Otwarty standard protokołu, dostępny bezpłatnie i stworzony niezaleŝnie od platformy sprzętowej czy programowej. Idealny standard do łączenia wielu róŝnych komputerów i systemów operacyjnych, NiezaleŜność od fizycznej, sprzętowej warstwy sieci, słuŝy do integracji róŝnych sieci, Jednolity system adresowania, pozwalający w identyczny sposób, zaadresować kaŝde urządzenie w sieci, nawet tak duŝej jak ogólnoświatowy Internet, Standaryzowany protokół wysokiego poziomu, implementujący wspólne i ogólnodostępne usługi sieciowe. 7

8 Model DoD a model OSI 8

9 Model DoD - enkapsulacja Dane wysyłane przez aplikację do sieci zaczynają wędrować w dół stosu protokołów. Protokół kaŝdej warstwy zostawia po sobie ślad w wędrującej wzdłuŝ stosu paczce przesyłanych danych. Te informacje kontrolne, nazywane nagłówkami (poniewaŝ dodawane są na początku danych), zapewniają poprawność dostarczenia paczki. KaŜda warstwa traktuje jako dane wszystkie informacje otrzymane z warstwy wyŝszej i umieszcza na ich początku swój nagłówek. Takie dodawanie nagłówków przez kolejne warstwy nazywa się enkapsulacją, czyli opakowywaniem. 9

10 Model DoD - dekapsulacja Po odebraniu danych przez host docelowy, odbywają one drogę w górę stosu. KaŜda z warstw odcina swój nagłówek zanim przekaŝe paczkę do warstwy wyŝszej. Informacja wędrująca do góry stosu, odebrana z niŝszej warstwy traktowana jest jako nagłówek i dane. Takie usuwanie nagłówków przez kolejne warstwy nazywa się dekapsulacją, czyli rozpakowywaniem. 10

11 Podstawowe rodziny protokołów WyróŜniamy trzy podstawowe rodziny protokołów sieciowych: NetBEUI opracowany w 1985 r. przez firmę IBM. UŜywany w małych, odizolowanych sieciach LAN typu peer-to-peer. IPX/SPX opracowany w latach 70-tych przez firmę Novell. Jest protokołem routowalnym, dlatego moŝe być wykorzystywany do budowy złoŝonych sieci. TCP/IP najczęściej stosowany zestaw protokołów sieciowych. Łączą komputery pracujące na róŝnych platformach sprzętowosystemowych. 11

12 Podstawowe rodziny protokołów TCP/IP IPX/SPX NetBEUI aplikacji transportowa sieciowa FTP Telnet HTTP TCP POP3 SMTP IP TFTP UDP IGMP ICMP DHCP NCP IPX SAP SPX SMB NetBIOS NetBEUI dostępu do sieci Ethernet ARP RARP PPP NDIS/NIC NDIS/NIC PPP - Point to Point Protocol (R)ARP (Reverse) address resolution protocol ICMP - Internet control message protocol IGMP - Internet Group Management Protocol SMPT - Simple Mail Transfer Protocol POP3 - Post Office Protocol TFTP - Trivial File Transfer Protocol NetBIOS - Network Basic Input/Output NetBEUI - NetBIOS Extended User Interface NCP - NetWare Core Protocol SAP - Service Advertising Protocol SPX - Sequenced Packet Exchange IPX - Internetwork Packet Exchange SMB - Server Message Block 12

13 Struktury danych w modelu DoD 13

14 Warstwa dostępu do sieci NajniŜsza warstwa, Protokoły umoŝliwiają systemowi przekazanie danych innym urządzeniom dołączonym do sieci komputerowej, Definiują sposób uŝycia sieci w celu wysłania lub odebrania datagramu IP, Znają cechy sieci fizycznej, do której dołączony jest system (struktura ramek, sposób adresowania), Odpowiednik warstw: łącza danych i fizycznej z modeli OSI, Opakowanie datagramów IP w ramki akceptowane przez sieć oraz przekształcanie adresów IP na fizyczne adresy urządzeń w sieci, RFC 826, RFC

15 Warstwa sieciowa (Internetu) Definiuje format datagramu, Definiuje schemat adresowania w Internecie, Przesyła dane pomiędzy warstwą dostępu do sieci a warstwą transportową, Routuje datagramy, Dokonuje fragmentacji i ponownej defragmentacji datagramów. 15

16 Protokół IP NajwaŜniejszym protokołem komunikacyjnym warstwy sieciowej jest protokół IP (RFC 791) Cechy: Protokół bezpołączeniowy (nie wysyła i nie przyjmuje Ŝadnych informacji kontrolnych, które przed wysłaniem danych ustanawiałyby połączenie między odbiorcą a nadawcą), Brak korekcji błędów, Nie sprawdza czy dane zostały prawidłowo odebrane, Zajmuje się adresowaniem datagramu, Niezawodność transmisji danych jest zapewniania przez protokoły warstw wyŝszych, znajdujących się w hierarchii powyŝej warstwy sieciowej. 16

17 Format datagramu IP Wersja wersja protokołu IP (IPv4) IHL (Internet Header Length) - długość nagłówka w 32-bitowych słowach (min. 5) Typ usługi - nadawanie priorytetów datagramom (rzadko uŝywane) Długość całkowita - długość datagramu (nagłówek + dane) w oktetach (max oktetów) Identyfikator - do numerowania datagramów Czas Ŝycia (TTL) - jeśli osiągnie 0 to datagram nie jest przekazywany (router zmniejsza wartość tego pola o 1) Protokół - określa protokół wyŝszej warstwy 17

18 Warstwa transportowa Udostępnienie interfejsu pomiędzy warstwami niŝszymi (sieciową i dostępu do sieci) a warstwą aplikacji, Dostarczenie danych od nadawcy do odbiorcy, Ma moŝliwość zapewnienia wiarygodnych usług połączeniowych, Podział duŝych komunikatów warstwy aplikacji na segmenty lub paczki (fragmentacja). Dwa waŝne protokoły: - protokół kontroli transmisji (Transmission Control Protocol, TCP) - protokół pakietów uŝytkownika (User Datagram Protocol, UDP). 18

19 Protokół TCP Protokół połączeniowy, Niezawodne i wiarygodne przesyłanie danych (mechanizm potwierdzenia z retransmisją, wysyłanie danych dopóki nie zostanie otrzymana wiadomość, Ŝe dane przeszły bezbłędnie), Wiarygodny przesył danych to taki, w którym segmenty są dostarczone do miejsca przeznaczenia w kolejności, w jakiej zostały wysłane, bez uszkodzeń i strat. Kontrola przepływu, korekcja błędów, Skierowany na strumieniową (jednolitą) transmisję danych (przesył duŝych ilości ciągłych informacji np. pliki) RFC

20 Format protokołu TCP Przesunięcie - długość nagłówka liczona w 32-bitowych słowach Numer sekwencji - numer porządkowy segmentu przydzielony podczas podziału komunikatu na segmenty. Numer potwierdzenia - numer następnego segmentu, który powinien dotrzeć do odbiorcy Flagi: URG, ACK, PSH, RST, SYN, FIN Okno - wielkość okna - ilość oktetów danych jakie nadawca jest zdolny przyjąć 20

21 three-way handshake Ustanawianie połączenie w TCP jest trójetapowe (three-way handshake): 1. Nawiązujący połączenie host A wysyła do hosta B segment z ustawionym bitem SYN (synchronizacji). Segment ten informuje host B o tym, Ŝe host A chce nawiązać połączenie oraz informuje jaki będzie początkowy numer sekwencji przesyłania danych. host A host B 21

22 three-way handshake 2. Host B odpowiada hostowi A segmentem z ustawionymi bitami ACK (potwierdzenie) i SYN, potwierdzając odbiór segmentu od A (pole numer potwierdzenia) i informując go, od jakiego numeru sekwencyjnego będzie odliczał wysyłane przez siebie dane. host A host B 22

23 three-way handshake 3. Na koniec host A wysyła segment potwierdzający odbiór pakietu od B, zawierający pierwsze przesyłane dane. host A host B 23

24 Transmisja danych w TCP TCP interpretuje wysyłane dane jako ciągły strumień bajtów, a nie jako niezaleŝne pakiety. Z tego powodu istotne jest zachowanie kolejności (pola numer sekwencyjny i numer potwierdzenia). Segmentom nadawane są kolejne numery sekwencyjne. Nadawca czeka na potwierdzenie otrzymania przez odbiorcę segmentów. Jeśli nie otrzyma potwierdzenia, wysyła je ponownie. Odbiorca informuje nadawcę o otrzymaniu segmentu poprzez wysłanie segmentu z ustawionym bitem ACK i odpowiednim numerem sekwencji segmentu na polu potwierdzenia. W polu okno wysyła teŝ liczbę segmentów, które jeszcze moŝe przyjąć. Standard nie nakazuje potwierdzania kaŝdego segmentu. Jeśli odbiorca wyśle potwierdzenie N, oznacza to, Ŝe otrzymał wszystkie segmenty do N-1 włącznie. Nadawca moŝe wysyłać segmenty tak długo, dopóki sumaryczna wartość wysłanych danych nie przekroczy rozmiaru okna. 24

25 Transmisja danych w TCP Rozmiar okna = 3 25

26 Transmisja danych w TCP 26

27 Przesuwne okno Mechanizm okna zapewnia: niezawodną transmisję, lepsze wykorzystanie dostępnego pasma sieci, kontrolę przepływu odbiorca moŝe opóźnić wysłanie potwierdzenia znając pojemność swych buforów i wielkość okna transmisyjnego. Wysyłanie danych: 1 - segmenty wysłane 1 - segmenty nie wysłane ACK nr_seq= ACK nr_seq=8 27

28 Przesuwne okno Odbieranie danych: segmenty odebrane - segmenty jeszcze nie odebrane Nadawca wysłał 6 kolejnych segmentów Nie wszystkie jednak dotarły ACK nr_seq= Nadawca zaczyna retransmisję od 8 segmentu. Mimo odebrania segmentu 9 i 11 dotrą one po raz drugi. Jednak dzięki oknu nie będą zdublowane. 28

29 Kończenie połączenia Po zakończeniu transmisji hosty wymieniają cztery segmenty: 1. Host A wysyła segment z ustawionym bitem FIN (koniec danych) 2. Host B wysyła potwierdzenie odebrania tego segmentu 3. Host B wysyła segment z ustawionym bitem FIN 4. Host A wysyła potwierdzenie odebrania tego segmentu Sygnały 2 i 3 mogą być wysłane jednym segmentem. 29

30 Protokół UDP Protokół bezpołączeniowy, Skierowany na przesyłanie wiadomości, gdzie pojedynczy pakiet stanowi integralną informację. Nie ma narzutu na nawiązywanie połączenia i śledzenie sesji (w przeciwieństwie do TCP), Nie ma teŝ mechanizmów kontroli przepływu i retransmisji - zawodny Korzyścią płynącą z takiego uproszczenia budowy jest większa szybkość transmisji danych i brak dodatkowych zadań, którymi musi zajmować się host posługujący się tym protokołem, Często uŝywany w takich zastosowaniach jak wideokonferencje, strumienie dźwięku w Internecie i gry sieciowe, gdzie dane muszą być przesyłane moŝliwie szybko, a poprawianiem błędów zajmują się inne warstwy modelu OSI, RFC 768. Porównanie do poczty: listy mogą nie dojść do adresata, lub dotrzeć w innej kolejności niŝ zostały wysłane. 30

31 Format UDP Długość wielkość pakietu (nagłówek + dane) w oktetach 31

32 Warstwa aplikacji NajwyŜszy poziom, w którym pracują uŝyteczne dla człowieka aplikacje takie jak, np. serwer WWW czy przeglądarka internetowa, Obejmuje ona zestaw gotowych protokołów, które aplikacje wykorzystują do przesyłania róŝnego typu informacji w sieci. Najbardziej znane i najczęściej implementowane protokoły aplikacji to: telnet - protokół terminala sieciowego, umoŝliwiający zdalne zalogowanie się i pracę w odległym systemie, FTP - protokół transferu plików, który umoŝliwia zapisanie w odległym systemie lub odczytanie z niego wskazanych plików, SMTP - podstawowy protokół przesyłania poczty odpowiedzialny za dystrybucję poczty elektronicznej, HTTP - odpowiedzialny za przesyłanie w sieci stron WWW. 32

33 Kiedy TCP a kiedy UDP? Protokołu TCP uŝywamy, gdy zaleŝy nam na pewnym dostarczaniu wiadomości. TakŜe tam, gdzie kolejność dostarczaniu segmentów ma kluczowe znaczenie duŝe pliki dzielone na mniejsze segmenty. Protokołu UDP uŝywamy, jeśli bardziej zaleŝy nam na szybkości niŝ niezawodności, a zagubienie pojedynczego pakietu nie wpłynie na krytyczny błąd naszej aplikacji. 33

34 Adresowanie Do komunikacji potrzebna jest moŝliwość zidentyfikowania i odnalezienia siebie nawzajem. KaŜdemu komputerowi w sieci TCP/IP trzeba przypisać unikatowy identyfikator, czyli adres IP. Adres ten naleŝy do warstwy 3 modelu OSI i pozwala jednemu komputerowi w sieci zlokalizować inny , , Wszystkie komputery mają takŝe unikatowy adres fizyczny zwany adresem MAC. Adresy te są nadawane przez producentów kart sieciowych i naleŝą do warstwy 2 modelu OSI C0-0A-01, C

35 Adres IPv4 Adres IP jest 32-bitową sekwencją zer i jedynek. W celu ułatwienia korzystania z adresów IP zwykle zapisuje się je w postaci czterech liczb dziesiętnych oddzielonych kropkami. Ten sposób zapisywania adresów jest nazywany notacją dziesiętną kropkową. KaŜdy adres IP składa się z dwóch części. Jedna część identyfikuje sieć, do której komputer jest przyłączony, a druga identyfikuje ten komputer w sieci docelowej. sieć host 35

36 Klasy adresów Adresy IP są podzielone na klasy, które definiują wielkie, średnie i małe sieci. Adresy klasy A są przypisywane sieciom wielkim. sieć Adresy klasy B są przeznaczone dla sieci średnich. sieć host host Adresy klasy C są przeznaczone dla sieci małych. sieć host Podział ten jest nazywany adresowaniem klasowym. Bit lub zestaw bitów na początku kaŝdego adresu określa jego klasę. 36

37 Klasy adresów Klasa adresu IP: Zakres adresu IP: 37

38 Klasa D Klasa D została utworzona w celu umoŝliwienia rozsyłania grupowego (multicast) przy uŝyciu adresów IP. Adres rozsyłania grupowego jest unikatowym adresem sieciowym, który kieruje pakiety o tym adresie docelowym do zdefiniowanej wcześniej grupy adresów IP. Dzięki temu pojedynczy komputer moŝe przesyłać jeden strumień danych równocześnie do wielu odbiorców. Wartość pierwszego oktetu naleŝy do zakresu od do , czyli od 224 do 239 dziesiętnie. 38

39 Adres rozgłoszeniowy Adres rozgłoszeniowy słuŝy do wysyłania danych do wszystkich urządzeń w danej sieci. Adresy rozgłoszeniowe mają część identyfikującą hosta wypełnioną jedynkami (przy zapisie adresu w systemie dwójkowym). Przykład: sieć ostatnie 16 bitów stanowi pole hosta, czyli część identyfikującą go. Pakiet rozgłoszeniowy wysyłany do wszystkich urządzeń w tej sieci zawierałby adres docelowy sieć host 39

40 Protokoły Dane, które zostały juŝ przesłane przez sieć i odebrane przez określony system, muszą jeszcze zostać dostarczone do właściwego uŝytkownika lub procesu. System musi potrafić z danych pochodzących z wielu aplikacji stworzyć struktury odpowiadające kilku protokołom transportowym a następnie przekształcić je na struktury właściwe dla warstwy IP. Przekształcanie danych z wielu źródeł na pojedynczy strumień danych nazywa się multipleksowaniem. Dane otrzymane z sieci muszą zostać zdemultipleksowane, podzielone i dostarczone do wielu procesów. CuteFTP TC OE Bat emule GG FTP SMTP TFTP TCP UDP IP 40

41 Protokoły i porty Do identyfikacji protokołów warstwy transportowej (TCP czy UDP?) IP uŝywa numerów protokołów. Protokoły transportowe do określania aplikacji wykorzystują numery portów. Niektóre numery protokołów i portów są zarezerwowane dla tzw. dobrze znanych usług. Mianem tym określa się standardowe, powszechnie uŝywane protokoły sieciowe, takie jak FTP czy telnet. Numery protokołów i portów przyporządkowane dobrze znanym usługom zdefiniowane są w RFC

42 Numer protokołu datagram IP Numer protokołu to jednobajtowa liczba w trzecim słowie nagłówka datagramu. Jej wartość wskazuje protokół w warstwie powyŝej IP, do którego dane powinny zostać przekazane. 42

43 Numery portów Warstwa transportowa przekazuje dane otrzymane od IP do odpowiednich procesów aplikacji. Procesy te (zwane teŝ usługami sieciowymi) identyfikowane są według 16-bitowych numerów portów. Port jest adresem wewnętrznym, zapewnia interfejs pomiędzy aplikacja a protokołem transportowym Numer portu źródłowego, odpowiadający procesowi, który wysłał dane oraz numer portu docelowego, odpowiadający procesowi, który ma dane otrzymać, są zawarte w pierwszym słowie nagłówka kaŝdego segmentu TCP i pakietu UDP. Numery portów mają przydzielone następujące zakresy: numery poniŝej 1024 są uwaŝane za dobrze znane numery portów, zarejestrowane porty. Mogą z nich korzystać programy i procesy zwykłych uŝytkowników, porty dynamiczne i/lub prywatne zarejestrowane numery portów to takie, które zostały zarejestrowane dla określonych aplikacji producenta; Hostźródłowy dynamicznie przydziela numery portów źródła rozpoczynającego transmisję. Numery te są zawsze większe od

44 Numery portów 44

45 Numery portów segment TCP 45

46 Numery portów pakiet UDP 46

47 Gniazda Gniazdo (socket) jest mechanizmem komunikacji miedzy procesami, słuŝącym jako punkt końcowy połączenia, Stanowi kombinację adresu IP oraz numeru portu, Gniazdo jednoznacznie określa kaŝdy proces sieciowy w Internecie. Czasem terminy gniazdo i numer portu uŝywane są zamiennie. TakŜe dobrze znane usługi sieciowe określane są mianem dobrze znanych gniazd. RozróŜniamy: Gniazda potokowe (TCP) Gniazda datagramowe (UDP) TCP UDP IP 47

48 Dwukierunkowa łączność na gniazdach Gdy klient wysyła w sieci TCP/IP Ŝądanie połączenia z innym węzłem, wysyła równieŝ numer gniazda. Jeśli węzeł odbiorcy moŝe nawiązać połączenie, zwraca numer gniazda (nowo tworzonego) zawierający adres IP odbiorcy i numer portu usługi, która będzie obsługiwać zadanie. Analogia do łączności telefonicznej. Gdy połączymy dwa gniazda, pozwoli to przesyłać dane pomiędzy dwoma procesami, które mogą działać w róŝnych węzłach (komputerach). 48

49 Gniazda TCP cd. Zanim dane zostaną przesłane przez Internet z jednego hosta na drugi uŝywając TCP/IP, są one dzielone na pakiety o zmiennym, lecz skończonym rozmiarze, nazywanych datagramami (datagrams). Retransmisja, kontrola przepływu. Wszystko to jest schowane przed programistą Javy. Programista Javy ma dostęp do wyŝszego poziomu abstrakcji nazywanego gniazdem (socket). Socket reprezentuje rzetelne połączenie do transmisji danych pomiędzy dwoma hostami. Izoluje on programistę od szczegółów związanych z kodowaniem pakietów, problemem zagubienia pakietów i ich retransmisją lub złego uszeregowania pakietów. Na gniazdach wykonywane są podstawowe polecenia: - nawiązanie połączenia - wysłanie danych - odebranie danych - zakończenie połączenia 49

50 Typy przesyłania komunikatów Indywidualna wymiana danych 1-1 Unicast 50

51 Typy przesyłania komunikatów Rozgłaszanie kierunkowe (grupowe) 1-n Multicast 51

52 Typy przesyłania komunikatów Rozgłaszanie 1-a Broadcast DuŜe obciąŝenie sieci i komputerów, które muszą sprawdzać dostarczoną wiadomość często nie są nią zainteresowane. 52

53 Podsumowanie Najbardziej popularnymi protokołami sieciowymi są protokoły rodziny TCP/IP niezaleŝne od systemu i sprzętu. Wśród tych protokołów najwaŝniejsze to protokoły warstwy transportowej: TCP połączeniowy, niezawodny, strumieniowy UDP bezpołączeniowy, niepewny, pakietowy Do próby nawiązania połączenia lub/i wysłania danych do aplikacji uruchomionej na odległym komputerze konieczne jest wskazanie adresu IP danego hosta oraz numer portu, na którym uruchomiona jest dana usługa. (IP + port = gniazdo) KaŜdy pakiet przychodzący do komputera nie jest anonimowy! Nagłówek IP zawiera adres nadawcy. Jednak istnieje moŝliwość programowej modyfikacji takiego nagłówka. 53