NÄTVERKSPROTOKOLL

Föreläsning 2 - 3.9.2010INNEHÅLLProtokollfamiljen TCP/IP

Fysiska skiktet: EthernetProtokoll på länskiktet: Ethernet, CSMA/CD, PPPProtokoll på nätverksskiktet: IP

IPv4 adressering

Fysiska skiktet Det fysiska skiktet beksriver den fysiska anslutningen mellan olika

nätverksenheter

Standarder och protokoll på detta skikt beskriver de mekaniska, elektriska och funktionella egenskaperna

Dvs. Protokoll på den här nivån sköter i första hand om att enheterna är elektriskt kompatibla med varandra

Exempel på protokoll/standarder på denna nivå är: CAT5 RJ45 Ethernet

Ethernet Är en familj tekniker för datorkommunikation i lokala nätverk

Konstruerades ursprungligen av Xerox Corporation år 1976

Är standardiserat av IEEE och kallas även IEEE 802.3

Ethernet befinner sig i både första (fysiska) och andra (länk) skiktet i OSI modellen

Standarderna inom Ethernet/IEEE 802.3 anger signalering över olika transmissionsmedia

Ethernet Ethernet använde till en början (under 80-talete) främst

koaxialkabel som medium och hade en överföringshastighet på 10Mbit/s

Två olika typer av koaxialkabel användes 10Base5 (”tjock koax”, 1cm i diam, avstånd på 1000m) 10Base2 (”tunn koax”, 5mm i diam, avstånd på 185m)

Den vanligaste typen av kablar inom Ethernet idag är partvinnad kabel med RJ-45 kontakter. Olika standarder baserda på dessa media är:

10BaseT - 10Mbps 100BaseTX - 100Mbps 1000BaseT – 1Gbps 10GBaseT – 10 Gbps

Ethernet Förutom kablar och kontakter förekommer även följande

utrustning på Ethernet Repeaters – signalförstärkare som jobbar på OSI-nivå 1,

numera föråldrad teknik inom Ethernet Hubar – multiports signalförstärkare som jobbar på OSI-nivå 1,

används idag väldigt sällan. Bryggor – Signalförstärkare med förmedling av ramar, jobbar

på OSI-nivå 2 (länkskiktet) Switchar – Signalförstärkare som jobbar på OSI-nivå 2,

länkskiktet Routrar – Enheter som används för vägaval/ruttval över

Internet, Jobbar på OSI-nivå 3, nätverksnivån

Länkskiktet Länkskiktet har massor med uppgifter att utföra, bl.a.

Bestämma hur bitarna i det fysiska skiktet grupperas till ramar (eng. frames)

Upptäcka och korrigera transmissionsfel Regulera informationsflödet så att långsamma enheter hinner

med Synkronisera sändare och mottagare

Protokollfamiljen IEEE 802 indelar länkskiktet i OSI i två underskikt:

LLC-skikt (LLC = Logical Link Control) MAC-skikt (Media Access Control)

Länkskiktet Orsaken till två underskikt är att det finns två olika typer av

dataöverföringar Punkt till punkt (Eng. Point-to-point) Broadcast

Punkt till punkt betyder att informationen går från källan till destinationen genom ett antal noder men nodernas uppgift är att transportera informatioen till källan (t.ex. E-post)

Broadcast betyder att informationen kan gå till alla enheter som nås från källan

Länkskiktet Protokoll som jobbar på länkskiktet och på LLC nivå är bl.a.

HDLC (High Level Data Link Control) PPP (Point to Point Protocol)

Protokoll som jobbar på länkskiktet och på MAC nivå är bl.a. Ethernet CSMA/CD MACA

Mera om Ethernet Som tidigare nämnts jobbar Ethernet på de två första nivåerna i

OSI modellen: fysiska skiktet och länkskiktet

Ethernet består av tre grundelement Fysiskt medium som används för transporten av signalerna

(fysiska skiktet, behandlades tidigare) En uppsättning regler som bestämmer hur datorns Ethernet-

gränssnitt skall bete sig De standardiserade Ethernetramarnas utseende

Funktionssättet i ethernet bygger på CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect)

CSMA/CD CSMA/CD används av Ethernet för att sköta delningen av

kommunikationskanaler och för att se till att inte datakollisioner uppstår

CSMA/CD behövs i nätverk där man använder sej av delade transmissionsmedier, bl.a. Bussnät och Stjärnnät uppbyggt med hubbar

I det stora hela fungerar CSMA/CD så här: (se följande sida)

CSMA/CD

HUVUDPROCEDUR1. En ram är redo för sändning2. Är transmissionsmediet ledigt? Om inte vänta på att det blir

ledigt 3. Skicka dataramen 4. Uppstod det en kollision? Om så är fallet, gå till

kollisionsupptäckningsproceduren (eng. Collision detected procedure)

KOLLISIONSDETEKTERINGSPROCEDUR1. Skickar en s.k. ”jam-signal” för att försäkra att alla andra

enheter i nätet också har detekterat kollisionen (för att undvika ytterligare kollisoiner)

2. Inkrementerar ”retransmission counter”

CSMA/CD

3. Var det maximala antalet ”retransmissions” (16) uppnått? Om så är fallet, avsluta transmissionen

4. Beräkna och vänta en slumpmässig tid ”backoff period”5. Återgå till skede 1 i huvudproceduren

CSMA/CD används inte längre i 10 Gigabit Ethernet p.g.a att där krävs att switchar ersätter alla hubbar och repeaters

10 Gigabit Ethernet är även baserat på Full duplex Ethernet vilket innebär att data skickas och tas emot på olika trådar => kollission är praktiskt taget omöjligt

Ethernet - ramar På fysiska skiktet består informationen som flöder genom t.ex. en

nätverkskabel av bitsekvenser, t.ex. (0100101001010011010101)

På länkskiktet delas informationen som skickas upp i ramar

I Ethernet ser en ram ut enlig följande

Ethernet - ramar

Förklaringar på bilden på föregående sida: Preamble (Synkroniseringsfält)

7 byte där varje oktett innehåller 1010 Sändaren och mottagaren synkroniseras med en 10 Mhz

pulsvåg i 5.6 mikrosekunder m.h.a. Detta fält Start-of-Frame-Delimiter (startfält)

1 byte med innehållet 1010 1011 Används för ett beteckna var ramen börjar

MAC destination (destinationsadress) Anger MAC adressen till mottagaren, dvs. Ethernet

hårdvaruadressen Kan vara 2 eller 6 oktetter (16 eller 48 bitar)

Ethernet - ramar

Förklaringar på bilden på slide 22 forts...: MAC source (källadressen)

Anger adressen till avsändaren 2 eller 6 oktetter lång den första biten om adressen är ordinär eller en

gruppadress Den andra biten anger om adressen är lokal eller global

(Gäller både MAC source och MAC destination) De övriga 46 bitarna kan användas för adressering (Gäller

både MAC source och MAC destination) Length

Anger hur många byte själva datafältet innehåller

Ethernet - ramar

Förklaringar på bilden på slide 22 forts...: Payload (datafältet)

46-1500 oktetter Om datafältet är för litet (mindre än 46 oktetter) används en

del av datafältet som utfyllning. Detta område kallas ”pad” och består av 0-46 bytes

CRC32 CRC = Cyclic Redundance Check Algoritm för att upptäcka fel

PPP

Är ett datalänkprotkoll som vanligen används för att sätta upp en direkt kontaktlänk mellan två noder över en seriell kabel.

I praktiken används PPP ofta för att transportera TCP/IP kommunikation över telefonkablar

Många Internet operatörer använder PPP för att kunder skall via ett modem kunna få igång en ”dial-up” anslutning till Internet (t.ex. ADSL)

Består av tre komponenter HDLC (High-Level Data Link Control) LCP (Link Control Protocol) NCP (Network Control Protocol)

PPP

Är ett datalänkprotkoll som vanligen används för att sätta upp en direkt kontaktlänk mellan två noder över en seriell kabel.

I praktiken används PPP ofta för att transportera TCP/IP kommunikation över telefonkablar

Många Internet operatörer använder PPP för att kunder skall via ett modem kunna få igång en ”dial-up” anslutning till Internet (t.ex. ADSL)

Består av tre komponenter HDLC (High-Level Data Link Control) LCP (Link Control Protocol) NCP (Network Control Protocol)

PPP

HDLC används för att ”kapsla” in data under transmissionen

LCP hanterar konfigurering, uppkoppling och test av datalänkförbindelsen

NCP används för konfigurering och uppkoppling i nätverksskiktet (nivå 3 i OSI modellen) vilket betyder att bl.a. TCP/IP kan användas över samma förbindelse

PPP

PPP protokollet fungerar i stora drag enligt följande (Anta att en PC görs till en temporär värddator (host) på internet):

PC ringer upp operatörens routerdator och den fysiska uppkopplingen görs

PC datorn sänder en rad LCP paket via PPP ramens informationsfält (payload), med hjälp av dessa väljs parametrarna för PPP

En serie NCP paket sänds för att konfigurera nätverskprotokollet, PC datorn behvöer en IP adress och den ges dynamiskt för den tdi som den behövs

PC-datorn kan nu sända och ta emot IP paket som vilken dator som helst på Internet

Efter användning kopplas nätverksförbindelsen ned och IP adressen frigörs

LCP kopplar bort datalänken och modemenheten kopplas bort

Nätverksskiktet

Nätverksskiktets uppgift är att överföra information (i paket) från källan till destinationen via t.ex. Ett flertal routrar

Paketet bär med sej en adress som avgör i vilken riktning paketet skall skickas

Ett typsikt protokoll som fungerar på nivå 3 är IP (Internet Protocol)

IP (Internet Protocol)

Är ett protokoll som används för kommunikation över ett s.k. paketförmedlande nätverk ”packet-switched networks” genom att använda protokollfamiljen TCP/IP

Med paketförmedlande nätverk menas nätverk där data sänds från sändare till mottagare i diskreta datapaket

Vägen varje paket tar behöver inte vara densamma som det tidigare sända paketet mellan samma sändare och mottagare

Motsatsen till paketförmedlande nätverk är kretskopplade nätverk där signaler mellan två abonnenter går via en uppkopplad kanal med konstant tidsfördröjning och banbredd.

IP (Internet Protocol)

Paketförmedlade nätverk kan jämföras med postens sätt att hantera paket!

Digitala meddelanden som skickas över ett paketförmedlande nätverk hanteras på likande sätt:

De delas upp i mindre bitar och förses med ett omslag eller ”header” som berättarpaketets storlek, avsändar- och mottagaradress, prioritet osv.

Kretskopplade nätverk kan jämföras med tågtrafik!

IP (Internet Protocol)

IP är det viktigaste protokollet på Näterksskiktet

Har som uppgift att förmedla ett datapaket från en källvärd (source host) till destinationsvärden (destination host) på basen av dess adress.

Definierar adresseringsmetoder och strukturer för inkapsling av paket

Finns två versioner av IP IPv4 (Internet Protocol version 4) Ipv6 (Internet Protocol version 6)

IP (Internet Protocol)

IPv4 är fortfarande dominant på internet

Ett väsentligt problem med Ipv4 är dock dess begränsade mängd med adresser, dvs. IP-adresser

Främst av den orsaken har Ipv6 utvecklats och förväntas ta över på Internet inom en snar framtid

IPv4-adressering

En IP-adress är en unik logisk adress som elektroniska maskiner för tillfället använder för att identifiera och kommunicara med varandra på ett datornät med hjälp av IP protokollet

Man brukar prata om offentliga och lokala IP-adresser En offentlig IP-adress är (i princip) åtkomlig från hela Internet

och måste vara unik på hela internet En lokal IP-adrass är endast åtkomlig från ett lokalt nät, t.ex.

LAN och behöver endast vara unikt inom detta LAN

IP adrssen fungerer som en vägledare för en IP-enhet för att hitta en annan och kommunicera med denna

IPv4-adressering

En IP-adress fungerar inte som identifiering av en specifik enhet (samma enhet kan byta adress, eller ha flera adresser)

En IP-adress representeras av 32 bitar (4 bytes)

Adresserna är således begränsade till 2^32 dvs 4 297 967 269

Vanligen anges IP-numret genom att skriva ut de 4 olika byten i decimal form med punkter emellan där varje siffergrupp motsvarar en byte

IPv4 adresser Varje TCP/IP värds (host) lokalisation på nätet identifieras av en

logisk IP adress

IP adressen är en adress på nätverksnivå och ger en dator en LOGISK adress så den är m.a.o. Inte bunden till en viss dator eller enhet på samma sätt som en MAC adress

En IP adress är ett krav för varje värd som kommunicerar över ett TCP/IP nät

Varje IP adress (32 bitar lång) består av: Nätverks ID / Nätverksadress Värd ID / Värdadress

IPv4 adresser Nätverksadress

Identifierar de enheter som är lokaliserade i samma fysiska nätverk

Alla enheter som finns i samma fysiska nätverk måsta ha samma nätverksadress

IPv4 - Adressklasser Från början bestämde man att dela upp IP adresser i fem olika

klasser beronde på hur stort nätverk det är frågan om

Är helt enkelt endast ett sätt man använder att tolka IP adresser på, kalls klassfulla adresser

Adressklasserna definierar vilka bitar som används för nätverksadress och vilka bitar som används för värdadress

Adressklasserna definierar också det möjliga antalet nätverk och det möjliga antalet värdar/nätverk

IPv4 – Adressklass A Klass A adresser används för datorer i nätverk som är väldigt

stora (alltså nätverk som har väldigt många datorer)

Den största biten i IP adressen är alltid 0

Följande 7 bitar (resten av den första oktetten) bestämmer nätverksadress

De 24 resterande bitarna (de tre sista oktetterna) representerar värdens/datorns adress

I den här klassen kan det finnas 126 nätverk och 16 777 214 datorer / nätverk

IPv4 – Adressklass B Klass B adresser används i medelstora och stora nätverk

De två högsta bitarna är alltid 10

Följande 14 bitar (resten av de två första oktetterna) definierar nätverksadress

De restarande 16 bitarna (de två sista oktetterna) används för att representera en värd/dator

Ger möjlighet till 16 348 olika nätverk och 65 534 värdar / nätverk

IPv4 – Adressklass C Används i små datornät

De tre största bitarna är alltid 110

Följande 21 bitar (de resterande bitarna av de 3 första oktetterna) representerar Nätverksadress

De resterande 8 bitarna (sista oktetten) reperesenterar värdadress

Ger möjlighet till 2 097 152 nätverk och 254 värdar / nätverk

IPv4 – Adressklass D och E Klass D adresser är reserverad för multicast adresser

De fyra första bitarna är alltid 1110

De resterande bitarna är reserverade för adresser som intresserade värdar kan känna igen

Använder adresserna 224.0.0.0 - 239.255.255.255

Klass E adresser är reserverade för framtida användning

De fyra första bitarna är alltid 1111

IPv4 – Adressklasser

IPv4 - Specialadresser Adresser som börjar på 127 i adressklass A är reserverade för

”loopback”

Typisk ”loopback” IP adress är 127.0.0.1

Privata IP adresser (används för datorer kopplade till privata nät och som inte är direkt anslutna till Internet)

10.0.0.0 – 10.255.255.255 (klass A) 172.16.0.0 – 172.31.255.255 (klass B) 192.168.0.0 – 192.168.255.255 (Klass C)

IPv4 – Regler för nätverksadresser Alla datorer på samma fysiska nätverk måste ha samma

nätverksadress för att kunna kommunicera med varandra

Om en dator skall kopplas direkt till Internet måste nätverkssen vara unik på hela publika internet

Om en dator skall kopplas till ett undernät av ett internt internätverk måste nätverksadressen vara unikt på internätverket

En IP adress får inte börja med 127 (reserverad för ”loopback”)

Alla bitar inom nätverks ID kan inte sättas till 1. Sådana är reserverade för användning som broadcast adresser

IPv4 – Regler för nätverksadresser Ur följande tabell framgår tillåtna nätverksadresser baserade på

de olika IP adress klasserna:

IPv4 – Regler för värdadresser Värdadressen måste vara unik på den gällande nätverksadressen

Alla bitar inom värdadressen kan inte vara 1 för en sådan adress är reserverad som en broadcast adress för att skicka paket till alla värdar på ett nätverk

Alla bitar inom nätverksadressen kan inte vara 0, eftersom den är reserverad för själva nätverksadressen

IPv4 – Regler för värdadresser Ur följande tabell framgår giltiga nätverksadresser i de olika IP

adressklasserna:

IPv4 – Subnet Mask En subnet mask möjliggör att identifiera vilken del av IP adressen

är reserverad för nätverket och vilken del av IP adressen är reserverad för värden

Subnet maskar för de olika IP adressklasserna Klass A: 255.0.0.0 Klass B: 255.255.0.0 Klass C: 255.255.255.0

Om man skriver om nätmasken i binär form får man fram att alla bitar som är 1 representerar nätverksadressen och alla bitar som är 0 representerar värdadressen

IPv4 – Subnet Mask Antalet värdar i ett nätverk kan m.h.a. subnet mask beräknas med

formeln 2^N – 2

N = antalet 0:or före första 1:a i IP adressen sett från höger

-2 eftersom första adressen är reserverad för nätverkat och den sista för broadcast

IPv4 – Subnetting Subnetting möjliggör att man kan skapa flera logiska nätverk under

en IP-adressklass (A, B eller C)

Om man delar upp ett nätverk inom en klass (A, B eller C) till mindre undernät är det möjligt att skapa ett nätverk med undernätverk som kan kommunicera med varandra

Exempel: man vill dela upp ett nätverk i klass C, med adressen 193.167.32.0 till två logiska undernät där det skall kunna finnas maximalt 126 datorer / nätverk:

Nätmasken blir: 11111111 11111111 11111111 10000000 255.255.255.128

Undernät 1: 193.167.32.0 (värdadresser 1 – 126)Undernät 2: 193.167.32.128 (värdadresser 129-254)

IPv4 – CIDR CIDR står för (Classless Inter-Domain Routing)

Introducerades 1993 och är den senaste förbättringen i sättet hur IP-adresser skall tolkas

Klassinedelningen slopas och man använder i stället nätverksprefix för att dela upp nätverk

Ger flexibilitet när större block av IP-adresser skall delas upp i mindre nät

Den största fördelen har att göra med routingen (går inte in på detta i det här skedet)

IPv4 – CIDR CIDR använder nätverksprefix för att beteckna vilken del av IP-

adressen som anger nätverksadressen och vilken del som anger värdadressen

Prefixet är helt enkelt en nummer som betecknar hur många bitar i IP-adressen som representerar nätverksadressen

T.ex. 172.200.0.0/16 betyder att de 16 första bitarna representerar nätverksadrssen och de resterande 16 bitarna representerar värdadressen:

Nätmasken blir: 11111111 11111111 00000000 00000000255.255.0.0

Maximala antalet datorer = 2^16-2 = 65534