Protokoly IP, ICMP, ARP, RARP a BOOTP

1. Protokoly IP, ICMP, ARP, RARP a BOOTP Jiří Peterka MFF UK, 1995

2. Připomenutí: filosofie protokolů TCP/IP předpokládá, že: • na úrovni síťové vrstvy bude použit maximálně rychlý přenosový protokol • nespolehlivý, nespojovaný, ..... • vytvářející “jednotnou pokličku” J. Peterka, MFF UK, 1995

3. Protokol IP (Internet Protocol) • je tím protokolem, který zajišťuje přenos dat na úrovni síťové vrstvy • je hlavním “obyvatelem” síťové vrstvy, ale nikoli jediným .... • doplňují jej protokoly ICMP, ARP, RARP, BOOTP, IGMP, RIP ..... • ... které jsou s IP těsně svázány J. Peterka, MFF UK, 1995

4. Hlavní funkce protokolu IP • definuje formát IP paketů • zajišťuje směrování IP paketů • implementuje jednotné adresování (IP adresami) • ošetřuje nestandardní situace (fragmentaci, zacyklení, ..... ) J. Peterka, MFF UK, 1995

5. Hlavní funkce protokolu IP • nezajišťuje vlastní fyzický přenos ..... • ... pouze předává paket k přenosu vrstvě síťového rozhraní J. Peterka, MFF UK, 1995

6. Formát IP paketu • paket protokolu IP je označován jako datagram (IP datagram) • ... kvůli nespojovanému a nespolehlivému způsobu přenosu (tzv. datagramové službě) • formát je proměnný (datagram se zpracovává v SW, jeho velikost není vázána na HW) J. Peterka, MFF UK, 1995

7. Formát IP paketu • proměnná je jak velikost hlavičky, tak i datové části (a celého IP paketu) hlavička (header) datová část HLEN (Header LENgth, 4 bity) TOTAL LENGTH (16 bitů), max. 65535 bytů J. Peterka, MFF UK, 1995

8. Co obsahuje hlavička IP paketu? • velikost hlavičky (4 bity, počet 32-bitových slov !!) • velikost paketu (16 bitů, počet bytů včetně hlavičky) • IP adresu příjemce a odesilatele • identifikaci obsahu (PROTOCOL, 8 bitů) • time to live (8 bitů) • offset fragmentu (13 bitů) J. Peterka, MFF UK, 1995

9. Co obsahuje hlavička IP paketu? • údaj o přednosti (PRECEDENCE) • údaj o verzi protokolu IP (IPv4) • doplňkové položky (IP OPTIONS) • ...... • všechny položky mají pevnou délku, kromě položek IP OPTIONS a výplně (PADDING), kterých může být různě mnoho J. Peterka, MFF UK, 1995

10. Velikost IP paketů v případě Ethernetu: 0800H pro IP • IP pakety jsou vkládány do linkových rámců údaj o typu paketu linkový rámec (např. rámec Ethernet-u) J. Peterka, MFF UK, 1995

11. Velikost IP paketů • max. velikost 216 bytů, daná formátem hlavičky • v praxi záleží na možnostech použité přenosové technologie (na úrovni vrstvy síťového rozhraní) • příklad: rámce Ethernetu II pojmou paket do 1500 bytů, rámce X.25 pojmou 4196 bytů, rámce Token Bus 8191 bytů atd. J. Peterka, MFF UK, 1995

12. Pozorování: • přenos paketů je nejefektivnější, když je lze vždy celé vložit do linkového rámce (a není nutné je rozdělovat na více částí) • protokol IP se o to snaží • ... ale ne vždy je to možné .... • ... protokol IP obsahuje i mechanismy pro ošetření fragmentace J. Peterka, MFF UK, 1995

13. MTU (Maximum Transfer Unit) • jak se protokol IP dozví o max. velikosti rámce? • z parametru MTU (bývá obsažen v konfiguračních souborech) • např. pro Ethernet II je MTU=1500. J. Peterka, MFF UK, 1995

14. Proč je třeba znát MTU? • protože tentýž IP paket může procházet skrz sítě s různou max. velikostí rámce (možná ne moc často) • ... a není rozumné přizpůsobit se minimu přes všechny síťové technologie • proto IP má mechanismy na rozdělování paketů do více rámců (ošetření fragmentace) J. Peterka, MFF UK, 1995

15. Základní teze: • v rámci každé sítě se max. velikost IP paketů přizpůsobuje max. velikost rámců (aby se paket beze zbytku vešel do jednoho rámce) • k potřebě rozdělit jeden IP paket do více rámců (k tzv. fragmentaci) pak dochází jen při přechodu přes jinou síť (s menšími rámci) J. Peterka, MFF UK, 1995

16. Představa fragmentace J. Peterka, MFF UK, 1995

17. Představa fragmentace • používá se tzv. netransparentní fragmentace (tj. taková, která je patrná i pro koncové účastníky přenosu) • povinnost de-fragmentace (poskládat zpět jednotlivé fragmenty) má až jejich koncový příjemce • potřebné údaje pro identifikaci fragmentů se přenáší v hlavičce IP paketu (offset, pořadí fragmentu apod.) J. Peterka, MFF UK, 1995

18. Priority IP paketů • hlavička IP paketů umožňuje definovat 8 úrovní priority (přednosti, precedence) • je to určeno hlavně pro možnost “předbíhání” řídících paketů před datovými (např. pro potřeby kontroly zahlcení) • většina implementací protokolu IP priority ignoruje .... J. Peterka, MFF UK, 1995

19. Detekce zacyklení • ve směrovacích tabulkách mohou být chyby • protokol IP má zabudován mechanismus jejich detekce • idea: bude omezen čas, po který se smí každý paket pohybovat v internetu J. Peterka, MFF UK, 1995

20. Detekce zacyklení • hlavička IP paketu obsahuje položku TIME TO LIVE (“doba života”) • hodnota této položky je v čase průběžně dekrementována • když hodnota dojde na nulu, je možné IP paket zahodit (zacyklil se) • někdy se této položce říká HOP COUNT J. Peterka, MFF UK, 1995

21. Detekce zacyklení • problém: čas nelze vždy dostatečně přesně měřit (různé uzly nemusí být správně synchronizovány, doba přenosu nemusí být dostatečně měřitelná) • řešení: TIME TO LIVE se dekrementuje při průchodu každým uzlem (a ev. průběžně po dobu pobytu v rámci daného uzlu) J. Peterka, MFF UK, 1995

22. Formát IP paketu • IP pakety musí také identifikovat svůj “náklad” položka PROTOCOL “TCP data” hlavička datová část J. Peterka, MFF UK, 1995

23. Identifikace obsahu IP paketu • vyjadřuje se v položce PROTOCOL, např: • 6 = TCP • 17 = UDP • 1 = ICMP • ...... • protokoly jako ICMP (a RIP ....) jsou přenášeny uvnitř IP paketů J. Peterka, MFF UK, 1995

24. IP OPTIONS • hlavička IP paketů je “nafukovací”, pamatuje na možnost přidávání položek IP OPTIONS • položky IP OPTIONS jsou určené především pro potřeby testování a ladění • zpracování IP OPTIONS je pro všechny implementace povinné J. Peterka, MFF UK, 1995

25. IP OPTION - Record Route • tzv. Record Route option umožňuje implementovat operace typu TRACEROUTE • IP paket s touto “option” v sobě postupně shromažďuje adresy všech směrovačů, přes které prochází J. Peterka, MFF UK, 1995

26. IP OPTION - Source Route • tzv. Source Route option umožňuje odesilateli explicitně předepsat, jakou cestou má být určitý IP paket přenášen • obdoba “Source Routing” v sítích Token Ring J. Peterka, MFF UK, 1995

27. IP OPTION - Timestamp • tzv. Timestamp Option umožňuje zaznamenat okamžiky průchodu IP paketu jednotlivými směrovači • lze to spojit i se zaznamenáváním IP adres J. Peterka, MFF UK, 1995

28. Protokol ICMP • je povinnou součástí každé implementace protokolu IP • je mechanismem pro hlášení chyb a nestandardních situací • pakety protokolu ICMP jsou přenášeny v datové části IP paketů • ICMP není považován za protokol vyšší vrstvy (ale spíše za přímou součást protokolu IP) J. Peterka, MFF UK, 1995

29. Protokol ICMP proč nejsou ICMP pakety vkládány přímo do linkových rámců? • protože musí často cestovat i přes více mezilehlých sítí (a muselo by se pro ně znovu implementovat směrování atd.) • odesilateli a příjemci ICMP paketů nejsou entity vyšších vrstev, ale implementace protokolu IP J. Peterka, MFF UK, 1995

30. Address Translation • vrstva síťového rozhraní nemá tušení o IP adresách (nerozumí jim) • když protokol IP předává paket k odeslání vrstvě síťového rozhraní, musí sám zprostředkovat převod IP adresy na fyzickou J. Peterka, MFF UK, 1995

31. Address Translation • možné řešení: přímý překlad (direct mapping) - je to možné tam, kde fyzické adresy lze volit (např. v sítích ARCNET) • obvyklé řešení: dynamický překlad - používá se typicky v Ethernetových sítích (Ethernetové adresy jsou předem pevně dány) J. Peterka, MFF UK, 1995

32. Protokol ARP (Address Resolution Protocol) • je jedním možným mechanismem dynamického překladu IP adres na fyzické adresy (nikoli jediným možným řešením) • využívá možnosti všesměrového vysílání (broadcastingu) - např. v Ethernetu J. Peterka, MFF UK, 1995

33. Představa ARP převodu kdo z vás má IP adresu X.Y.Z.W? já, a moje fyzická adresa je ABCD J. Peterka, MFF UK, 1995

34. Představa ARP převodu • ARP dotaz (ARP request) obsahuje IP adresu, ke které se hledá fyzická adresa. Tento paket se rozešle všem uzlům dané sítě (nikoli “přes” směrovače) • ARP odpověď (ARP reply) posílá uzel, který rozpozná svou IP adresu. K odpovědi připojí i svou fyzickou adresu J. Peterka, MFF UK, 1995

35. Protokol ARP • pakety (zprávy) protokolu ARP jsou vkládány přímo do linkových rámců EtherType 0806H ARP paket linkový rámec (např. rámec Ethernet-u) J. Peterka, MFF UK, 1995

36. Otázka přidělování IP adres Jednotlivé uzly si své IP adresy mohou pamatovat samy (na svých pevných discích) • ne vždy je to možné (nelze např. u bezdiskových stanic) • ne vždy je to vhodné (zejména pro správu sítě a správu konfigurací) Každý uzel musí znát svou IP adresu ještě dříve, než vyšle či přijme svůj první IP paket! J. Peterka, MFF UK, 1995

37. Dynamické přidělování IP adres • ve smyslu: uzel si svou IP adresu nemusí pamatovat sám, ale může si jí dynamicky zjistit • může (ale nemusí) znamenat i to, že stejný uzel může dostat jinou IP adresu • umožňuje to například spouštět na všech uzlech stejně nakonfigurované aplikace (umístěné na centrálním file serveru) J. Peterka, MFF UK, 1995

38. Dynamické přidělování IP adres • existuje více mechanismů pro dynamické přidělování IP adres (RARP, BOOTP, DHCP, ...) • některé z těchto mechanismů jsou obecnější (např. BOOTP), a umožňují uzlům dynamicky získávat další informace - až např. veškerá data, potřebná pro spuštění počítače (boot image) J. Peterka, MFF UK, 1995

39. Protokol RARP (Reverse ARP) vaše IP adresa je X.Y.Z.W moje fyzická adresa je ABCD, může mi někdo sdělit mou IP adresu? J. Peterka, MFF UK, 1995

40. Protokol RARP (Reverse ARP) • předpokládá se existence RARP serverů, které znají IP adresy ostatních uzlů (i jejich fyzické adresy) • RARP pakety se vkládají přímo do linkových rámců • RARP se používá především v Ethernetu (využívá broadcasting) • RARP “neprojde” přes směrovače J. Peterka, MFF UK, 1995

41. BOOTP (BOOTstrap Protocol) • je řešením na vyšší (aplikační) úrovni • umožňuje poskytnout uzlu i další informace (až celý “boot image”) • k přenosu svých dat využívá UDP datagramy (a IP pakety) • jak může bootp fungovat, když žádný uzel nemůže přijímat ani vysílat IP pakety, dokud nezná svou IP adresu? J. Peterka, MFF UK, 1995

42. BOOTP (BOOTstrap Protocol) • využívá možnosti broadcastingu na úrovni protokolu IP (tj. vysílání na adresu 255.255.255.255) • vychází z modelu klient/server • uzel je klientem, svůj dotaz posílá serveru (ale adresuje jej všem pomocí broadcastingu) • server posílá odpověď také broadcastingem (bez své IP adresy by klient nepoznal, že odpověď patří jemu) J. Peterka, MFF UK, 1995

43. DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) • je “dalším vývojovým stádiem” protokolů RARP a BOOTP • je zaměřen především na potřebu centrální správy sítě a aplikací (než na “bootování”) J. Peterka, MFF UK, 1995