Сетевой уровень OSI

1. Сетевой уровень OSI KommunikationssystemePTI 815

2. Сетевой уровень OSI • Сетевой уровень- предназначен для определения пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и «заторов» в сети. • Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю. • На этом уровне работает маршрутизатор (роутер).

3. Сетевой уровень OSI • Протоколы, реализующие сетевой уровень OSI: • Internet Protocol version 4 (IPv4) • Internet Protocol version 6 (IPv6) • Novell Internetwork Packet Exchange (IPX) • AppleTalk • Connectionless Network Service (CLNS/DECNet)

4. IPv4 • Протокол IPv4 является наиболее распространенным на сегодняшний день • Протокол IPv6 разработан в качестве замены IPv4 • Протоколы IP разработаны как протоколы с низкой избыточностью (overhead) • информация в заголовках пакета содержит информацию, необходимую только для доставки пакета от отправителя к получателю • Характеристики IPv4: • Connectionless • Независим от среды передачи

5. IPv4 • Connectionsless-соединения – соединения, не использующие подтверждения при отправке сообщение • пример: почтовая система • данный тип соединения уменьшает избыточность протокола за счет отсутствия предварительной установки соединения, отсутствия дополнительных полей в PDU для поддержания соединения

6. IPv4 • IP v4/v6 являются независимыми от среды передачи, но в зависимости от характеристик среды, может существовать ограничение на размер PDU • MTU (Maximum Transmission Unit) – максимальный размер пакета, который может быть передан • MTU определяет канальный уровень, и сообщает его сетевому уровню • Фрагментация пакета – разделение пакета на несколько частей • используется при малых значениях MTU

7. IPv4 • IPv4 является ненадежным протоколом, т.е. не имеет механизмов для управления, восстановления недоставленных пакетов • Реализацией надежного соединения занимаются протоколы верхних уровней

8. IPv4 • IPv4 инкапсулирует данные, передаваемые верхними уровнями в PDU, добаляя заголовок • Основные поля заголовка: • IP-адрес отправителя • IP-адрес получателя • Time-to-Live (TTL) • Type-of-Service (ToS) • Протокол • Смещение фрагмента

9. IPv4

10. IPv4 • TTL(Time-to-live) – 8-битное значение, характеризующее время «жизни» пакета. • Значение TTL уменьшается на 1 при прохождении через роутер (хоп – eng. hop), при TTL = 0 пакет удаляется • использование TTL позволяет избежать бесконечного прохождения пакетов по одному и тому же машртуру (в случае «петли») • Поле «протокол» определяет протокол верхнего уровня • Возможные значения: • 01ICMP • 06 TCP • 17 UDP

11. IPv4 • Type-of-Service – 8-ми битовое поле, определяющее приоритет пакета для службы QoS(Quality-of-Service) • Значение данного поля используется роутером для определения, какие пакеты должны быть отправлены первыми • Смещение фрагмента – при фрагментировании пакетов – определяет порядок пакета в очереди • используется вместе с флагом MF в заголовке

12. IPv4 • MF (More Fragments) – флаг в поле Flags заголовка, при установленной 1 указывает, что данный фрагмент пакета не является последним • Используется совместно с полем Fragment Offset • при MF = 0 и Fragment Offset != 0 фрагмент помещается в конец реконструируемого пакета • нефрагментированный пакет имеет значения MF = 0 и Fragment Offset = 0

13. IPv4 • DF (Don’t Fragment) – флаг, указывающий, что данный пакет НЕ должен быть фрагментирован • в случае, если размер пакета превышает MTU и DF = 1, пакет будет удален • Version – номер версии протокола IP (=4) • Header length (IHL) – размер заголовка пакета • Packet length– размер данных + заголовка пакета в байтах

14. IPv4 • Identification – поле используется для идентификации оригинального пакета при фрагментации • Header Checksum – контрольная сумма, используемая для проверки целостности пакета • Options – поле для использования другими службами (редко используемое)

15. IPv4

16. IPv4 • Пример заголовка IPпакета • Ver = 4; Версия IP • IHL = 5; размер заголовка в 32-битных словах (4 байта). Данный заголовок 5*4 = 20 байт, минимальный допустимый размер • Total Length = 472; размер пакета (заголовок и данные) равен 472 байта • Identification = 111; идентификатор оригинального пакета (требуется, если пакет был фрагментирован) • Flag = 0; при необходимости пакет может быть фрагментирован • Fragment Offset = 0; показывает, что сейчас пакет не является фрагментированным • Time to Live = 123; определяет время жизни пакета • Protocol = 6; показывает, что данные пакета являются TCP-сегментом

17. IPv4 • IPv4 использует иерархическую адресацию узлов • наличие иерархии позволяет делить сети на множество подсетей • при доставке роутеры могут использовать только часть сетевого адреса

18. IPv4

19. IPv4 • В протоколе IPv4 используется 32-битный адрес, который разбивается на 4 группы по 8 бит (октет), и разделяемых точкой • Пример: 11000000101010000000000000000001 =192.168.0.1 • IP-адрес делится на две части: • идентификатор сети • идентификатор хоста (компьютера) в сети • Пример: 192.168.0.1 – адрес сети: 192.168.0, хост: 1

20. IPv4

21. IPv4 • При делении сети на подсети, хостовая часть адреса может быть выделена для использования в качестве адреса сети • Длина префикса (prefix length) – число, указывающее количество бит адреса, отводимых под сетевую часть • Примеры: • 192.168.0.1/24 – 24 бита – адрес сети, 8 бит – номер хоста в сети • 141.32.133.5/16 – 16 бит – адрес сети, 16 лит – номер хоста в сети

22. IPv4 • Шлюз (Gateway)– хост в сети, передающий пакеты в другую подсеть (подсети) • Шлюз по умолчанию (default gateway)используется во всех случаях, когда необходимо передать данные за пределы сети • В качестве шлюза может работать роутер (маршрутизатор) • Роутер должен обладать информацией, куда должен быть передан пакет (next-hop address)

23. IPv4

24. IPv4

25. IPv4 • Процесс пересылки сообщений роутерами называется маршрутизацией • Для пересылки пакетов, роутер должен обладать информацией о маршруте к сети-получателю • при отсутствии данной информации роутер не сможет отправить данные • маршрут может проходить через множество роутеров, в этом случае каждый промежуточный роутер должен знать только адрес следующего роутера в сети (next hop address)

26. IPv4

27. IPv4 • Роутеры хранят информацию о маршрутах в таблицах маршрутизации • При подключении роутера к сети, и конфигурации интерфейса (назначении IP-адреса и маски подсети), данная сеть записывается в таблицу маршрутизации как непосредственно подключенная сеть (directly connected) • Маршруты к другим сетям должны быть внесены в таблицу маршрутизации вручную, либо с использованием протоколов маршрутизации (напр. IGRP, OSPF, RIP)

28. IPv4 • Маршруты в таблице маршрутизации содержат следующую информацию: • Сеть назначения • Следующий hop • Метрика • При получении пакета роутер сравнивает адрес сети назначения в пакете с адресами в таблице маршрутизации • при наличии более 1 маршрута для пакета выбирается маршрут с наименьшей метрикой • при отсутствии маршрута пакет будет удален • роутер может использовать «маршрут по умолчанию», в случае, если другие маршруты не были найдены • адрес сети для маршрута по умолчанию: 0.0.0.0

29. IPv4

30. IPv4 • Иерархическая структура адресов IPv4 позволяет указывать в качестве сети-назначения большие группы сетей • При выборе маршрута роутер выбирает наиболее точно указанный маршрут • Пример: при отправке пакета на адрес 10.1.1.55 маршруты будут выбраны в порядке: • 1. 10.1.1.0/8 • 2. 10.1.0.0/16 • 3. 10.0.0.0/24 • 4. 0.0.0.0 (маршрут по умолчанию) • 5. Удален

31. IPv4 • При получении пакета роутер может: • переправить пакет на следующий hop • переправить пакет узлу-получателю • удалить пакет

32. IPv4

33. IPv4

34. IPv4

35. IPv4 • Информация о маршрутах может быть добавлена вручную – такие маршруты называются статическими • при изменении инфраструктуры сети, имеющиеся маршруты так же должны быть изменены => сложность поддержки • Протоколы маршрутизации позволяют настраивать таблицы маршрутизации динамически • при подключении/отключении сетей, роутеры обмениваются информацией о своей конфигурации • - использование протоколов маршрутизации нагружает сеть, уменьшая пропускную способность

36. IPv4 • Протоколы маршрутизации: • Routing Information Protocol (RIP) • Enhanced Interior Gateway Routing Protocol (EIGRP) • Open Shortest Path First (OSPF)

37. IPv4

38. IPv4 • Каждая сеть содержит три типа адреса: • Сетевой адрес (networkaddress)– адрес самой сети • для адреса сети зарезервирован самый наименьший адрес в сети (пример: 192.168.0.0) • Широковещательный адрес (broadcast address) – специальный адрес, используемый для отправки данных всем устройствам сети • широковещательный адрес – самый наибольший адрес сети (пример: 192.168.0.255) • Хостовые адреса (host addresses) – адреса конечных устройств сети

39. IPv4

40. IPv4

41. IPv4

42. IPv4 • Коммуникация в IPv4 сетях происходит одним из трех методов: • Unicast – процесс отправляет пакет от одного хоста другому хосту • используется в архитектурах peer-to-peer, client/server • при отправке пакета используется адрес конечного устройства

43. IPv4

44. IPv4 • Broadcast – процесс отправляет пакет от одного хоста всем остальным хостам в сети • для отправки пакета используется broadcast-адрес • используется протоколами маршрутизации, для запроса адреса, преобразования IP-адресов в MAC-адреса • broadcast рассылается только в пределах одной сети • Виды broadcast: • Directed broadcast – пакет отправляется в определенную сеть • Limited broadcast – пакет отправляется в текущей сети по адресу 255.255.255.255

45. IPv4

46. IPv4 • Multicast – процесс отправляет пакет от одного хоста выбранной группе хостов • используется для аудио/видео передачи, рассылки новостей, рассылки информации о маршрутах и т.д. • Хосты, получающие Multicast-пакеты, называются multicast-клиенты • Multicast-клиенты для получения пакетов должны быть подписаны (subscribe) в multicast-группу • Multicast-группа – адрес IPv4 • при записи в multicast-группу хост принимает так же сообщения, приходящие на данный адрес • Для Multicast-групп выделены адреса 224.0.0.0 - 239.255.255.255

47. IPv4

48. IPv4 • Зарезервированные адреса • Экспериментальные адреса: 240.0.0.0 - 255.255.255.254 • используются для исследований и экспериментов • зарезервированы для будущего использования • Multicast-адреса: 224.0.0.0 - 239.255.255.255 • зарезервированные локальные адреса: 224.0.0.0 - 224.0.0.255 • используются внутри сети с TTL=1 • Globally scoped: 224.0.1.0 - 238.255.255.255 • могут быть использованы за пределами сети (напр. в Интернет) • Свободные адреса: 0.0.0.0 – 223.255.255.255 • приватные (private) • публичные (public)

49. IPv4 • Private-адреса: • используются для локальных сетей • private-адреса не должны иметь доступ к Internet • роутер, имеющий выход в Internet, при получении пакета с приватным адресом, должен блокировать пакет, либо транслировать адрес • выделенные блоки: • 10.0.0.0 - 10.255.255.255 (10.0.0.0 /8) • 172.16.0.0 - 172.31.255.255 (172.16.0.0 /12) • 192.168.0.0 - 192.168.255.255 (192.168.0.0 /16)

50. IPv4