Компьютерные сети: сетевой уровень

Сетевые технологии Компьютерные сети: Сетевой уровень Место в модели OSI Сетевой уровень (Network layer) объединяет сети, построенные на основе разных технологий ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ Ethernet Wi-Fi 5G/4G/3G MPLS ATM, TokenRing, FDDI (устаревшие) 2 История создания Винтон Серф, Роберт Кан: ◦ Первые выдвинули идею сетевого уровня в 1974 г. ◦ «Отцы» Интернета ◦ Премия Тьюринга Сетевой уровень – «основа» Интернет 3 Назначение сетевого уровня Мы умеем передавать данные между компьютерами: ◦ Ethernet ◦ Wi-Fi ◦ и многое другое (было раньше)! Зачем нужен еще один уровень? Проблемы: ◦ Различия (существенные!!?) технологий канального уровня ◦ Ограничения по масштабируемости 4 Различия сетей Сервис ◦ Без гарантий доставки (Ethernet) ◦ С гарантией доставки (Wi-Fi) ◦ С гарантией доставки и порядка следования сообщений Адресация ◦ Разный размер, плоская, иерархическая ◦ Ethernet – MAC, Сети сотовой связи – IMEI Широковещание ◦ Поддерживается или нет Максимальный размер кадра (MTU) ◦ Ethernet – 1500, Wi-Fi – 2304 Формат кадра 5 Согласование различий в сетях Тип сервиса ◦ Кадры из Wi-Fi принимаются с отправкой подтверждения, а в Ethernet отправляются без подтверждений Адресация: ◦ Глобальные адреса, не зависимые от конкретных технологий ◦ Методы преобразования глобального адреса в локальный (ARP для TCP/IP Широковещание: ◦ Пакеты отправляются всем хостам в сети по индивидуальным адресам 6 Фрагментация 7 Ethernet везде! Ethernet – доминирующая технология канального уровня Wi-Fi – адаптация Ethernet для беспроводной среды: ◦ Формат адресов одинаков ◦ Формат кадра уровня LLC одинаков ◦ Можно обеспечить согласование Wi-Fi и Ethernet без маршрутизации (режим моста Wi-Fi маршрутизатора) ◦ Распределительная система Wi-Fi проводная (сейчас на Ethernet) Почему нельзя строить сети только на Ethernet? 8 Масштабируемость Ethernet Таблица коммутации: ◦ ◦ ◦ ◦ Должна содержать MAC-адреса ВСЕХ хостов в сети Сколько хостов в Интернет? Сколько памяти нужно для хранения такой таблицы? Как быстро будет осуществляться поиск? Отправка пакетов на все порты ◦ Если коммутатор не знает, где находится хост, он отправляет кадр на ВСЕ порты ◦ Сколько «лишних» кадров будет передаваться в Интернет? Отсутствие дублирующих путей между коммутаторами: ◦ STP обнаруживает и отключает дублирующие пути ◦ АКТИВНЫЙ ПУТЬ всегда только ОДИН 9 STP в локальной сети 10 STP в глобальной сети 11 Масштабируемость на сетевом уровне Агрегация адресов: ◦ Работа не с отдельными адресами, а с блоками адресов ◦ Блок адресов – сеть Запрет пересылки «мусорных» пакетов: ◦ Пакет отбрасывается, если нельзя определить, куда его нужно отправлять Возможность наличия нескольких путей в сети: ◦ Одна из основных причин создания сетей с пакетной коммутацией ◦ Допускается несколько АКТИВНЫХ ПУТЕЙ ◦ Задача выбора лучшего пути - маршрутизация 12 Задачи сетевого уровня Объединение сетей (internetworking) Маршрутизация Обеспечение качества обслуживания 13 Оборудование Уровень модели OSI Оборудование Физический Концентратор Канальный Коммутатор, точка доступа Сетевой Маршрутизатор 14 Маршрутизатор 15 Маршрутизация Маршрутизация (routing) – поиск маршрута доставки пакета между сетями через транзитные узлы – маршрутизаторы ◦ Учет изменений в топологии сети ◦ Учет нагрузки каналов связи и машрутизаторов Продвижение (forwarding) – передача пакета внутри маршрутизатора в соответствии с правилами маршрутизации 16 Маршрутизация 17 Сетевой уровень в TCP/IP 18 Итоги Сетевой уровень – третий уровень модели OSI Объединяет сети, построенные на основе разных технологий ◦ Согласование различий в сетях ◦ Масштабирование в рамках всего мира Задачи: ◦ Построение объединенной сети ◦ Маршрутизация Устройства сетевого уровня – маршрутизаторы Протоколы сетевого уровня стека TCP/IP ◦ IP, ICMP, ARP, DHCP 19 Компьютерные сети: IP-адреса Локальные и глобальные адреса Локальные адреса: ◦ ◦ ◦ ◦ Адреса в технологии канального уровня Пример: MAC адрес в Ethernet, IMEI в 4G Привязаны к конкретной технологии Не могут быть использованы в гетерогенных сетях Глобальные адреса: ◦ ◦ ◦ ◦ Адреса сетевого уровня Пример: IP-адреса Не привязаны к технологии Применяются при объединении сетей (Интернет) 2 IP-адреса Глобальные адреса, используемые в стеке протоколов TCP/IP Используются для уникальной идентификации компьютеров в составной сети Широко используются в Интернет Две версии протокола IP: ◦ IPv4 (далее, просто IP): адрес 4 байта ◦ IPv6: адрес 16 байт 3 IP-адреса Длина – 4 байта, 32 бита Форма представления: ◦ 4 десятичных числа 0-255, разделенных точками 4 IP-адреса и IP-сети Сетевой уровень использует агрегацию адресов: ◦ Масштабирование – работа не с отдельными адресами, а с подсетями Подсеть (IP-сеть, сеть, subnet) – множество компьютеров, у которых старшая часть IPадреса одинаковая: ◦ 192.168.1.1 ◦ 192.168.1.2 ◦ 192.168.1.3 … ◦ 192.168.1.254 Маршрутизаторы работают с подсетями, а не с отдельными компьютерами 5 Структура IP-адреса Структура IP-адреса: ◦ Номер подсети – старшие биты ◦ Номер хоста (компьютера в сети) – младшие биты Пример структуры: ◦ IP-адрес: 192.168.1.33 ◦ Номер подсети: 192.168.1.0 ◦ Номер хоста: 33 (0.0.0.33) 6 Маска подсети Маска подсети показывает, где в IP-адресе номер сети, а где хоста Структура маски: ◦ Длина 32 бита ◦ Единицы в позициях, задающих номер сети ◦ Нули в позициях, задающих номер хоста IP (десятичный): IP: 192 . 168 . 1 . 33 1100 0000 . 1010 1000 . 0000 0001 . 0010 0001 AND Маска: Подсеть: 1111 1111 . 1111 1111 . 1111 1111 . 0000 0000 1100 0000 . 1010 1000 . 0000 0001 . 0000 0000 Подсеть (десятичный): 192 . 168 . 1 . 7 Маска подсети Десятичное представление ◦ IP-адрес: 192.168.1.33 ◦ Маска подсети: 255.255.255.0 ◦ Адрес подсети: 192.168.1.0 В виде префикса: ◦ 192.168.1.33 /24 ◦ Адрес подсети: 192.168.1.0 Оба представления эквивалентны 8 Маска подсети переменной длины Маска подсети не обязательно должна заканчиваться на границе октетов 213.180.193.3 /20 IP: 1101 0101 . 1011 0100 . 1100 0001 . 0000 0011 AND Маска: 1111 1111 . 1111 1111 . 1111 0000 . 0000 0000 Подсеть: Подсеть (десятичный): Хост (десятичный): 1101 0101 . 1011 0100 . 1100 0000 . 0000 0000 213 . 180 . . 192 . . 1 . 3 9 Классы IP-адресов (устарели) 10 Классы IP-адресов Класс D – групповые адреса ◦ 224.0.0.0 – 239.255.255.255 Класс E – зарезервировано ◦ 240.0.0.0 – 255.255.255.255 11 Итоги IP-адреса – глобальные адреса сетевого уровня, используемые в TCP/IP и Интернет Длина 32 бита (IPv4), форма записи ◦ 213.180.193.1 Структура IP-адреса ◦ Номер подсети ◦ Номер хоста Маршрутизаторы работают не с отдельными адресами, а с сетями Способы задания адреса сети и хоста ◦ Маска ◦ Классы IP-адресов (устаревший метод) 12 Компьютерные сети: Транспортный уровень Место в моделях OSI и TCP/IP 2 Место в моделях OSI и TCP/IP 3 Задачи транспортного уровня Передача данных между процессами на хостах Адресация Предоставление нужного уровня надежности передачи данных, не зависимо от надежности сети 4 Модель OSI 5 Адресация. Порты Адрес на транспортном уровне: число от 1 до 65 535 Адрес называется портом Каждое сетевое приложение на хосте имеет свой порт Номера портов у приложений не повторяются Форма записи: 192. IP-адрес 168. 1. 3: : Порт 80 6 Типы портов Хорошо известные порты: 1 – 1 024 ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ 80 – HTML (Web) 25 – SMTP (Электронная почта) 53 – DNS 67, 68 – DHCP Использовать может только администратор (root) Зарегистрированные порты: 1 025 – 49 151 ◦ Регистрация в Internet Assigned Numbers Authory (IANA) Динамические порты: 49 152 – 65 535 ◦ Автоматически назначаются операционной системой сетевым приложениям 7 IP-адреса и порты 8 Надежность на транспортном уровне Транспортный уровень может обеспечить надежность передачи данных выше, чем у лежащей в его основе сети ◦ Эффективно на практике Гарантия доставки данных: ◦ Подтверждение получения ◦ Повторная отправка не подтвержденных данных Гарантия порядка следования сообщений: ◦ Нумерация сообщений 9 Протоколы транспортного уровня TCP/IP 10 Интерфейс транспортного уровня TCP/IP 11 Итоги Транспортный уровень – связь процессов на разных хостах Адресация – порты Сетенезависимый уровень Может обеспечивать надежность выше, чем у мети Протоколы: ◦ TCP ◦ UDP Интерфейс: ◦ Сокеты 12 Компьютерные сети: Прикладной уровень Место в моделях OSI и TCP/IP 2 Сетевые приложения 3 Протоколы прикладного уровня TCP/IP 4 Сетевые приложения 5 Место в моделях TCP/IP и OSI 6 Функции сеансового уровня Сеанс (сессия) – это набор связанных между собой сетевых взаимодействий, направленных на решение одной задачи. Загрузка Web-страницы: ◦ Загрузка текста страницы (.html) ◦ Загрузка стилевого файла (.css) ◦ Загрузка изображений Подходы к загрузке Web-страницы: ◦ Для каждого элемента создается отдельное соединение (HTTP 1.0) ◦ Загрузка всех элементов через одно соединение TCP (HTTP keep-alive) 7 Функции уровня представления Для защиты передаваемых по сети данных часто используется шифрование: ◦ Secure Sockets Layer ◦ Transport Layer Security Протоколы, которые используют TSL/SSL: ◦ ◦ ◦ ◦ HTTPS, порт 443 IMAPS, порт 993 SMTPS, порт 465 FTPS 8 HTTP vs HTTPS 9 Модель OSI 10 Прикладной уровень Прикладной уровень – взаимодействие сетевых приложений Протоколы прикладного уровня стека TCP/IP: ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ HTTP SMTP/POP3/IMAP DNS FTP и много других! Прикладной уровень в TCP/IP реализует функции: ◦ Уровня представления (шифрование) ◦ Сеансового уровня (HTTP keep-alive) 11