Wykład: Sieci Globalne Piotr Steć P.Stec@issi.uz.zgora.pl 26 października 2002 roku Skrypt jest niepełny i stanowi tylko zasygnalizowanie problemów. 1
1. Historia Internetu 1.1. Cot to jest Internet? 1.2. Początki Połowa lat sześćdziesiątych.kilka komputerów. Wyłączenie jednego uniemożliwiało pracę sieci. Protokół Package Switch Nodes. 1.3. ARPAnet Sieć odporna na zniszczenie. 1970 Advanced Research Projects Agency, część Departamentu Obrony. Założenia: Sieć musi działać niezależnie od zniszczonych łączy. Powinna być dostępna dla różnych typów komputerów. Dynamiczny routing. Sieci ARPAnet mogą być łączone ze sobą. Pozwolenie na wykorzystanie niemilitarne. Szybki rozrost. Pod koniec lat 70 przejście na protokół TCP/IP umożliwiający dalszy jej rozrost. Do 1983 wszystkie sieci ARPAnet musiały przejść na TCP/IP. Większość komputerów UNIX owych, ale dzięki otwartości możliwość podłączania innych platform systemowych. 1.4. NSFNET Departament Obrony tworzy MILNET. National Science Foundation tworzy NFSNET wzorowaną na ARPAnet używającą TCP/IP dla badaczy związanych z organizacją. Szybko rozwijana NSFnet wchłania ARPAnet. Ok. 1980 powstają dwie niezależne i ogólnodostępne sieci Usenet i BIT- NET. Dalej powstają CompuServe i America Online (AOL) Dzięki zunifikowanemu protokołowi komunikacyjnemu sieci mogły się komunikować ze sobą, tak, że użytkownicy czasem nie mieli świadomości, w której sieci się znajdują. Pod koniec lat 80 pojawiło się pojęcie Internet. 1.5. Dalszy rozwój Coraz szybsze łącza, coraz więcej użytkowników, nowe usługi. Otwartość i swoboda wypowiedzi. 2. Struktura Internetu 2.1. Backbone Struktura bardzo szybkich łączy pomiędzy głównymi ośrodkami sieciowymi. 2
2.2. Połączenia stałe a sporadyczne 2.3. Klient Serwer 3. Identyfikacja komputerów w Internecie 3.1. Identyfikacja komputerów w sieci (numery IP) Adresy internetowe (numery IP). Liczba 32 bitowa jednoznacznie identyfikuje komputer. Klasy adresów internetowych: klasa A Adres klasy A posiada bit zerowy ustawiony na zero, siedmiobitowy numer sieci i 24-bitowy adres komputera. 128 sieci klasy A pozwala utworzyć do 16.777.214 adresów komputerów w każdej z nich. klasa B Adres klasy B posiada dwa najstarsze bity ustawione w sekwencję 1-0, 14-bitowy adres sieci i 16-bitowy adres komputera w tej sieci. 16.384 sieci klasy B mogą być zdefiniowane z 65.534 komputerami w każdej z nich. klasa C Adres klasy C posiada trzy najważniejsze bity ustawione w kombinację 1-1-0, 21 bitowy adres sieci i 8-bitowy adres komputera w tej sieci. Pozwala to zdefiniować 2.097.152 sieci klasy C z 254 komputerami w każdej z nich. Klasa Początek Koniec A 1.0.0.0 127.0.0.0 B 128.0.0.0 191.255.0.0 C 192.0.0.0 223.255.255.0 Inne 224.0.0.0 254.0.0.0 Nie wszystkie adresy sieci i komputerów są dostępne dla użytkowników. Adresy, których pierwszy bajt jest większy od 223 są zarezerwowane; także dwa adresy klasy A, 0 i 127, są przeznaczone do specjalnego zastosowania. Sieć 0 oznacza domyślną trasę, a sieć 127 jest to tak zwany loopback address. Domyślna trasa jest używana do ułatwienia wyboru marszrut, które to zadanie musi wykonywać IP. Loopback address jest przydatny aplikacją sieciowym, pozwalając im na adresowanie komputera lokalnego w ten sam sposób co komputerów oddalonych. Także pewne adresy komputerów są zarezerwowane do specjalnych celów. Są to we wszystkich klasach sieci, adresy komputerów 0 i 255. Adres komputera równy 0 identyfikuje samą sieć, natomiast adres 255 jest zarezerwowany dla broadcastów, czyli do przesyłania informacji do wszystkich komputerów w danej sieci. Klasa adresów przeznaczonych dla sieci lokalnych: 3
10.0.0.0 10.255.255.255 172.16.0.0 172.31.255.255 192.168.0.0 192.168.255.255 Adresy nie mogą powtarzać się w obrębie sieci lokalnej. 3.2. Umowne nazwy komputerów Nazwy komputerów. Domeny. [usługa.]nazwa.serwera.typ[.kraj] część adresu ftp www archie gopher irc rodzaj usługi serwer FTP serwer World Wide Web serwer Archie (wyszukiwanie plików) serwer usługi Gopher serwer usługi IRC Tabela 1: Dostępne usługi kod com edu gov mil org net rozwinięcie commercial FTP educational governemet military organization network Tabela 2: typy serwerów Części nazw oznaczają domeny, w których znajdują się serwery. 3.3. Address Resolution Protocol Adres IP i tablica rutowania kierują datagram do konkretnej fizycznej sieci; dane przemieszczające się przez tą sieć muszą być podporządkowane stosowanym w niej protokołom warstwy fizycznej. Protokoły te nie rozróżniają adresów IP. Sieci fizyczne mają swoje własne zasady adresowania, których jest tyle samo ile różnych rodzajów sieci. Jednym z zadań protokołów dostępu do sieci jest przełożenie adresu IP na fizyczny adres sieciowy. Najbardziej ogólnym przykładem tej funkcji, wykonywanej przez warstwę dostępu do sieci jest tłumaczenie adresu IP na adres w sieci Ethernet. Protokół, który tego dokonuje nosi nazwę Address Resolution Protocol (ARP). 4
Oprogramowanie ARP utrzymuje tablicę translacji między adresami IP i Ethernet. Tablica ta jest budowana dynamicznie. Gdy ARP otrzymuje polecenie przełożenia adresu IP, sprawdza zawartość swojej tablicy. Jeżeli znajdzie w niej właściwą informację, zwraca adres Ethernet do programu pytającego o ten adres. Natomiast gdy w tablicy brak jest odpowiednich danych, ARP rozsyła w trybie rozgłoszeniowym pakiet do wszystkich komputerów w sieci Ethernet. Pakiet zawiera adres IP, dla którego jest poszukiwany adres sieciowy. Jeżeli jakiś komputer stwierdzi, że jest to jego własny adres IP, odpowiada podając swój adres Ethernet. Odpowiedź jest zapamiętywana w tablicy ARP. Czasami występuje sytuacja odwrotna, istnieje potrzeba odnalezienia adresu IP na podstawie znanego adresu Ethernet. Do tego celu służy protokół Reverse Address Resolution Protocol (RARP). RARP pomaga konfigurować systemy bezdyskowe, pozwalając im na uzyskanie informacji o ich adresie IP. Każdy system zna swój adres Ethernet, ponieważ jest on zawarty w sprzęcie stanowiącym interfejs do sieci. Bezdyskowe stacje wykorzystują przesyłkę rozgłoszeniową do zapytania o adres IP, odpowiadający ich adresowi Ethernet. 3.4. Architektura routowania w Internecie Rutowanie jest spoiwem łączącym Internet w całość. Bez niego cały ruch TCP/IP byłby ograniczony do jednej fizycznej sieci. Rutowanie pozwala danym z sieci lokalnej trafić do miejsca przeznaczenia znajdującego się w dowolnym miejscu na świecie. 3.4.1. Sieci IP Każdy pakiet posiada unikatowy adres IP systemu do którego ma dotrzeć. Pakiet jest przesyłany między systemami tak długo, aż dotrze do danej sieci. Tam zostaje przesłany do konkretnego komputera. Droga jaką przebędzie pakiet jest mało istotna i w Internecie pakiety mogą wędrować różnymi trasami. 3.4.2. Podsieci Standardowa struktura adresów IP może być lokalnie modyfikowana poprzez użycie bitów adresowych komputerów jako dodatkowych określających sieć. W istocie linia podziału między bitami adresowymi sieci i bitami adresowymi komputerów jest przesuwalna, tworzy dodatkowe sieci, ale redukuje maksymalną ilość systemów, jakie mogą się znaleźć w każdej z nich. Te nowo wykorzystane bity noszą nazwę podsieci. Pozwalają definiować logiczne sieci wewnątrz jednej większej, posiadającej jeden adres IP. Organizacje najczęściej decydują się na wprowadzenie podsieci w celu przezwyciężenia problemów topologicznych lub organizacyjnych. Podziele- 5
nie jednej sieci na kilka mniejszych pozwala na decentralizację zarządzania adresami komputerów. Przy standardowym adresowaniu, jeden administrator jest odpowiedzialny za przypisywanie adresów w całej sieci. Stosujące podsieci, może delegować nadawanie adresów do pododdziałów swojej instytucji. Podsieć jest definiowana za pomocą maski bitowej, przykładanej do adresu IP. Jeśli bit w masce to jedynka, to odpowiadający mu bit w adresie IP jest interpretowany jako bit adresu sieci. Natomiast jeśli bit maski wynosi zero, oznacza to, że należy on do części adresu określającej komputer. Podsieć jest znana wyłącznie lokalnie. Dla całej reszty Internetu adres jest interpretowany jako standardowy. Na przykład maska podsieci powiązana z naszym adresem sieciowym klasy B wynosi 255.255.0.0. Najczęściej używana maska podsieci rozszerza część sieciową adresu klasy B na dodatkowy bajt. Maska ma wtedy postać 255.255.255.0; wszystkie bity w trzech pierwszych bajtach są jedynkami, a w ostatnim zerami. Pierwsze dwa bajty definiują sieć klasy B, następny stanowi adres podsieci, a ostatni bajt identyfikuje komputer w tej podsieci. W naszym rozwiązaniu stosujemy maski będące pełnymi bajtami, gdyż są one łatwiejsze do czytania i zrozumienia. W tabeli XX.2. zostały pokazane efekty stosowania różnych masek podsieci dla różnych adresów. Adres IP Maska podsieci Interpretacja 172.16.121.1 255.255.255.0 komputer 1 w podsieci 172.16.121.0 130.97.16.132 255.255.255.192 komputer 4 w podsieci 130.97.16.128 192.178.16.66 255.255.255.192 komputer 2 w podsieci 192.178.16.64 132.90.132.5 255.255.240.0 komputer 4.5 w podsieci 132.90.128.0 18.20.16.91 255.255.0.0 komputer 16.91 w podsieci 18.20.0.0 Tabela 3: Maski podsieci 3.4.3. Gateway e Podsieci nie są tylko udogodnieniem organizacyjnym, są naturalnym wynikiem ograniczeń sprzętowych. Zasięg lokalnych sieci komputerowych jest niewielki w związku z czym niewiele komputerów może być ze sobą połączonych. Dla zniesienia tego limitu stosuje się gateweye. Są to wydzielone komputery, bądź urządzenia sieciowe, poprzez które łączą się ze sobą komputery z różnych sieci. Dla protokołu IP nie ma żadnego problemu z rozróżnieniem sieci, różne sieci fizyczne posiadają różne adresy IP. Na przykład: adres sieci 172.16.121.0 jest zarezerwowany dla komputerów w pracowni 121, jeżeli zostanie wysłany pakiet na adres 172.16.22.10 to od razu widać że nie jest on adresowany do żadnego hosta w lokalnej sieci. 6
W przypadku gdy komputer jest włączony do dwu różnych sieci, to będzie on posiadał dwa różne adresy IP. Będzie on gateway em pomiędzy tymi sieciami. Na przykład: serwer technel jest włączony do sieci w pracowni 121 i 228. Posiada on więc dwa różne adresy IP, są to odpowiednio 172.16.121.1 oraz 172.16.228.1. Każdy Gateway może posiadać jeden numer IP w każdej sieci. Adresy sieci są rozróżniane przy pomocy masek sieciowych. Mapowanie adresów dla serwera technel będzie więc wyglądało jak w tabeli. Interfejs Adres Maska eth0 172.16.121.1 255.255.255.0 eth1 172.16.228.1 255.255.255.0 lo 127.0.0.1 255.0.0.0 Tabela 4: Mapowanie adresów 3.4.4. Tablica routing u Gateway e kierują dane między sieciami; jednakże wszystkie urządzenia sieciowe, zarówno komputery jak i Gateway e muszą podejmować decyzje o kierowaniu przesyłek. Dla większości komputerów decyzja jest prosta: jeżeli komputer docelowy znajduje się w sieci lokalnej, dane są dostarczane wprost do niego; jeśli komputer docelowy znajduje się w innej sieci, dane są przekazywane do lokalnego gateway a. Ponieważ marszrutowanie jest ukierunkowane na sieci, IP podejmuje decyzję na podstawie sieciowej części adresu. Określa część sieciową adresu badając jego najstarsze bity i w ten sposób wyznacza klasę adresu. Klasa decyduje jaka część adresu służy do identyfikacji sieci. Jeżeli sieć docelowa jest siecią lokalną, do adresu przeznaczenia dodatkowo stosowana jest maska podsieci. Po określeniu sieci docelowej, moduł IP poszukuje jej w lokalnej tablicy routing u. Pakiety są kierowane do ich miejsca przeznaczenia na podstawie tablicy routing u. Tablica może być zbudowana przez administratora sieci, bądź przez protokoły routing u, rezultat końcowy jest jednak identyczny. Decyzje podejmowane przez IP dokonują się na podstawie przeglądania tej tablicy. Przykładowa tabela routing u została zamieszczona w tabeli: Router musi zniszczyć otrzymany pakiet jeżeli nie znajdzie w swojej tabeli routingu odpowiedniej dla niego drogi do miejsca przeznaczenia. W celu uniknięcia takiego przypadku ustanowiono drogi i routery domyślne tzn. takie do których takie pakiety bez drogi do celu są przesyłane. Droga domyślna jest zdefiniowana w tabeli routingu routera jako droga do sieci o adresie 0.0.0.0. Jeżeli router nie znajdzie w swojej tabeli routingu jasno zdefiniowanej drogi 7
Sieć Gateway Interfejs 172.16.228.0 172.16.121.1 eth0 172.16.121.0 172.16.228.1 eth1 0.0.0.0 172.16.121.1 eth0 Tabela 5: Mapowanie adresów do miejsca przeznaczenia pakietu to przesyła dany pakiet do najbliższego routera wpisanego w drogę do sieci o adresie 0.0.0.0. Jest to również metoda na zmniejszenie przez administratorów tabel routingu w zarządzanych przez nich routerach, a co za tym idzie na przyśpieszenie ich działania. Administrator sieci może bowiem ograniczyć tabelę routingu routera wyłącznie do najbliższych routerów i routera domyślnego. Należy jednak uważać aby w końcu taki pakiet trafił do systemu Internetu gdzie któryś z routerów znajdzie dla niego właściwą drogę. Polecenie traceroute (tracert). 8