26
● Тип обслуживания, или дифференцированные сервисы указывают приоритеты,
там передается информация о перегрузке сети для механизмов предотвращения
потери пакетов и информация для качества обслуживания - QoS.
● Длинна пакета указывает на длину всего пакета, включая заголовок и данные.
● Идентификатор. Для перемещения больших пакетов они разбиваются и
каждому фрагменту присваивается идентификатор, который определяет
фрагмент в принадлежности к целому пакету. Т.е. все фрагменты одного пакета
имеют одинаковый номер.
● Флаг - используется при фрагментации и передает способ фрагментирования.
● Смещение фрагмента - 13 бит, определяющих в каком порядке собирать
фрагменты.
● Время жизни ограничивает время жизни пакета в секундах, но подразумевается
переходы от узла к узлу. Если маршрутизатор получит пакет с уменьшенным до
нуля значением, он отбросит его и отправит отправителю сообщение icmp об
окончании времени жизни. Максимальное значение 255, что значит что пакет
максимально может пройти через 255 маршрутизаторов. Если бы этого
значения не было, то при ошибках маршрутизации пакет бесконечно бы
перемещался по сети.
● Протокол - содержит информацию для верхнего уровня, может указывать на
TCP, UDP и ICMP протокол обработки.
● Контрольная сумма вычисляется для проверки на наличие ошибок при отправке
и приемке пакета. Если при приемке контрольная сумма не совпадает, пакет
отбрасывается.
● ip-адрес источника - 32 бита.
● ip-адрес назначения - 32 бита.
● Опции - дополнительные параметры.
● Заполнитель - для выравнивания длины заголовка заполняется нулями.
При рассмотрении ip адресов стоит упомянуть специальный траффик -
multicast, при котором по определённым адресам разносится всякая служебная
27
или даже полезная информация. Это может быть специальные адреса для
протоколов определения кратчайшего пути, протоколы вещания iptv и другие.
Всего ipv4 адресов может быть ограниченное количество, 2 в 32 степени,
минус зарезервированные адреса для частных сетей. Когда принимали этот
протокол не могли представить, что адреса когда-нибудь кончаться, но с
бурным развитием глобальной сети Интернет так случилось, что
контролирующий ip-адреса IEEE выдал последние сегменты в 2011 году. С тех
давних пор, и даже раньше, учёные стали думать, как обойти это досадное
ограничение. В результате широкое применение получили два типа увеличения
количества подключенных устройств, одно радикальное, принятый новый
протокол ipv6, и консервативное, при котором адреса в частной сети для
доступа к интернету заменяются глобальным адресом на маршрутизаторе,
технология NAT - network address translating.
Ipv6 следующая версия стандарта ip, главным изменением в котором
стало увеличение адресов до 2 в 128 степени. Это 340*10^36 адресов в
десятичном исчислении против 4 294 967 296 адресов ipv4, которые уже
закончились. Применяется такая адресация не столь широко как ipv4, но уже
поддерживается почти всем современным оборудованием и операционными
системами. В интернете встречается пока что редко, провайдеров
предоставляющих ipv6 адрес пока что очень мало, да и услуга не востребована,
т.к. пользователи уже привыкли к ipv4 и NAT. Заголовок пакета ipv6 упрощен,
содержит 40 байт из-за большой длины адресов источника-назначения.
Обработка такого пакета происходит быстрее, но передача происходит
медленнее из-за упрощения и увеличения размера соответственно.
NAT - это технология подмены маршрутизатором адреса в локальной
сети на глобальный. При этом компьютер из локальной сети временно получает
адрес маршрутизатора в публичной сети.
На втором уровне TCP/IP и эталонной модели работают несколько
технологий, которые необходимо упомянуть более детально.
28
1.2.2.1. Virtual Local Network (VLAN).
При распространении сетей возникают такие ситуации, когда от одного
коммутатора требуется поддержка нескольких, отдельных друг от друга сетей,
как будто это не один коммутатор, а несколько, разделённых и не соединяющих
все свои порты между собой. Такая необходимость может возникнуть,
например, в бизнес-центрах, где разным арендаторам, которым предоставляют
услуги связи одна компания, у которой один или несколько больших
коммутаторов на несколько помещений, совсем не нужно чтобы их сеть видели
соседи по офисам. Для подобных случаев развита технология Virtual Local
Network (VLAN), виртуальные локальные сети, при которой один коммутатор
можно разделить на несколько отдельных независимых сетей. Стоит отметить,
что применение этой технологии решает вопрос широковещательного трафика,
когда кадры Ethernet, адресованные всем, «гуляют» по сети и уменьшают
пропускную способность коммутаторов. Конечно, когда речь идет о сети с
одним-двумя коммутаторами проблема не наблюдается, но, когда в одной
локальной сети тысячи компьютеров и сотни коммутаторов, этот ненужный для
всех трафик даёт о себе знать.
Cisco первоначально придумала протокол разделения сети на канальном
уровне, где в кадр добавляется информация о принадлежности к той или иной
сети, позже на его основе IEEE выпустил стандарт 802.1q [23]. В итоге VLAN
решает две основные задачи, это ограничение широковещательного трафика и
безопасность. В кадре за принадлежность к VLAN сообщают 12 бит, поэтому
сетей может быть от 1 до 4094. Для совместимости нетегируемый (не
помеченный коммутатором) кадр считается принадлежащим к vlan 1,
некоторые производители коммутаторов дают возможность поменять vlan-по-
умолчанию на другую, когда коммутатор отправляет такой трафик в заданную
vlan.
29
1.2.2.2. Spanning Tree Protocol (STP).
Очень важная и широко применяемая в построении сетей технология,
применяемая на втором уровне – Spanning Tree Protocol (STP). Протокол описан
в стандарте IEEE 802.1D [24]. Когда коммутатор принимает кадр, в нем
содержится MAC-адрес и в соответствии с таблицей соответствия портов и
MAC-адресов, он отправляет кадр дальше в соответствующий порт. Но если
адресат в таблице отсутствует, коммутатор отправляет сообщение по всем
портам, чтобы заполнить таблицу если адресат всё же найдется. Если другой
коммутатор получит этот пакет с неизвестным назначением, он также отправит
его по всем портам, и случается, что при соединении коммутаторов «кольцом»,
первый коммутатор получит этот кадр на другой порт и снова отправит его, и
будет отправлять пока у него не кончится пропускная способность. При
бесконечном транслировании кадра пропускная способность всех
коммутаторов очень быстро подходит к концу и сеть практически
останавливается. Эта ситуация получила название «широковещательный
шторм», по-английски «broadcast storm». Чтобы в сети произошел такой шторм,
достаточно, как было сказано, соединить коммутатор с самим собой «петлёй»,
напрямую или через другие коммутаторы. Широковещательный шторм бушует
только в сегменте сети, соединенной коммутаторами или другими
устройствами, работающими на втором уровне сети. Такую часть сети
называют «широковещательный домен». Подсети, соединяемые на третьем
уровне через маршрутизаторы, не передают друг другу широковещательные
сообщения и шторм не распространяется на соседние подсети. Для
предотвращения широковещательного шторма из-за петель второго уровня
была придумана технология STP, которая обычно включена на устройствах
второго уровня – коммутаторах и предотвращает появление петель путем
отключения дублирующего порта. В основе протокола алгоритм, динамически
отключающий избыточные связи. На основании данных от коммутатора и
данных, полученных от соседних коммутаторов алгоритм строит «дерево»
30
связей, идущее от корневого (root) к ближайшим коммутаторам с большим
приоритетом, а порты, идущие напрямую к корневому, от устройств с низким
приоритетом блокируются. Причем при обрыве связи, например, когда
промежуточный коммутатор выйдет из строя, порты разблокируются и связь
автоматически восстанавливается. Это позволяет делать избыточное
количество связей, при грамотной настройке повышающее надёжность
сегментов сети.
Для наглядности на рисунке 1 изображено 2 участка цепи, каждый из
закольцованных трех коммутаторов. Участки соединены маршрутизатором.
Если STP не настроен на коммутаторах, в сегментах начнется
широковещательный шторм, который не выходит за пределы сегмента.
Маршрутизатор, как устройство третьего уровня, не участвует в
распространении кадров второго уровня и не дает распространится шторму за
пределы сегмента.
Рисунок 1. Схема двух участков сети, соединенных
маршрутизатором.
STP претерпел немало изменений, улучшения увеличили скорость работы
алгоритма и расширили протокол до каждой виртуальной подсети, проходящей
через коммутатор. Основное расширение - Rapid STP (RSTP), описанное в IEEE
802.1W [25]. RSTP совместимо с уже устаревшим STP, хотя при применении
последнего вся сеть будет работать именно на нем. Современные коммутаторы,
31
как правило, оснащены поддержкой RSTP и строят алгоритм отдельно для
каждой VLAN.
1.2.3 Транспортный уровень (третий уровень).
Главные протоколы, работающие на этом уровне - UDP и TCP. Они
определены в RFC 793 [7]- TCP и RFC 768 [8] - UDP. UDP - быстрый протокол
отправки данных без получения потдверждения доставки отправителем, TCP -
протокол с подтверждением доставки, синхронизацией и установкой
соединения. Здесь каждый адрес предыдущего уровня разделяется на 2 в 16
степени портов (65536), с каждым из которых могут работать эти протоколы.
Многие программы из верхнего уровня имеют общепринятые порты для
общения с сетью, но еще больше портов свободно для общего назначения. Пара
ip-адрес-порт называется сокет. Название данных передаваемых TCP -
сегменты, UDP-датаграммы.
Рассмотрим пример TCP-соединения, когда компьютер обращается к
серверам на стандартный для протокола http порт 80. Порт источника
генерируется динамически, порт назначения - 80, кадр уходит в сеть, попадает
на нужный адрес и сервер отправляет ответ с портом источника 80 и
назначения того-же порта с которого была произведена отправка запроса. В то
же время компьютер обращается к другому серверу по тому-же порту, но
динамически назначенный порт отправителя уже другой, и общение с данным
сервером уже происходит по этому порту. Так компьютер может общаться со
множеством серверов одновременно.
UDP формат применяется повсеместно при передаче видеоконтента и
когда сервер рассылает информацию без подтверждения, например DNS -
сервер использует именно UDP, т.к. при большой нагрузке сможет ответить на
большее количество запросов. TCP применяется повсеместно для надёжной
передачи данных, с подтверждением о передаче и переотправкой в случае если
подтверждение не получено.
32
На этом уровне работает операционная система персонального
компьютера. посредством которой работающие на ней программы отправляют
запросы в сеть.
1.2.4 Уровень приложений (четвертый уровень).
На четвертом уровне, как следует из названия, работают приложения.
Приложения для обмена данными по сети занимают один из 2^16 портов.
Рассмотрим стандартные приложения и занимаемые ими порты:
● FTP 21 порт File Transfer Protocol - протокол обмена файлами.
● DNS Domain Name System 53 порт udp и tcp - система перевода ip-адресов в
понятные людям имена, кроме того содержит дополнительную информацию об
имени.
● SNMP Simple Network Management Protocol - 161 и 162 порты - протокол
управления сетевыми устройствами.
● Telnet - порт 23 протокол для обращения с устройством посредством
терминала, созданного через сеть. Стандарт описан в RFC 854. [9]
● SSH - порт 22 - secure shell - в переводе “безопасная оболочка”, отличается от
терминала telnet тем, что весь объем общения по сети шифруется. Стандарт
описан в RFC 4251. [10]
● HTTP и HTTPs - HyperText Transfer Protocol - “протокол передачи гипертекста”
порты 80 и 443, второй отличается шифрованием передачи. Самый
распространенный протокол в интернете, именно с помощью него рисуются
страницы в браузерах.
● DHCP - (англ. Dynamic Host Configuration Protocol — протокол динамической
настройки узла) порт 67-68 - настраивает доступ к сети автоматически, выдаёт
ip-адрес, адрес шлюза, адреса дополнительных серверов
● Proxy-сервер, порт 3128. Сервер формирования запросов в общую сеть, когда
клиент без доступа к этой сети делает запрос к прокси-серверу, сервер
формирует запрос от своего имени, получает ответ и пересылает его клиенту.
33
Чаще всего работает для HTML-запросов от сетей не подключенных к
интернету для возможности просмотра клиентами web-страниц.
Это лишь небольшие примеры программ, на практике их огромное
количество. Стандартные порты могут легко меняться либо самими
программами, либо маршрутизаторами. Замена портов маршрутизатором
бывает нужна для доступа к нескольким серверам по одному протоколу либо
для безопасности, когда в открытой глобальной сети вместо общепринятого 22-
го порта SSH выставляется совершенно другой чтобы усложнить атаку
перебором пары “логин-пароль”.
1.2.5 Общие сведения о модели
Как было рассмотрено, сетевая модель TCP/IP отличается от эталонной
модели OSI и некоторые уровни несколько размыты. Так получилось по вполне
очевидным причинам - сеть ARPANET (англ. Advanced Research Projects
Agency Network) предшественник современного интернета, была создана еще в
1969 году, и многие концепции и протоколы были предложены еще в то время
без оглядки на уровни. Справедливости ради стоит упомянуть что TCP/IP стал
стандартом в интернете с 1983 года, и с тех пор протоколы переписывались с
более четкими границами разделения на уровни.
34
2. Программы для управления сетью.
Рассмотрим некоторые программы, которые необходимо иметь каждому
сетевому инженеру.
В современной сети удобно иметь сервер dhcp, чтобы ip-адреса на новые
компьютеры выдавались автоматически.
Там, где есть более десяти устройств в сети, нужен DNS-сервер.
Необходим сервер, собирающий информацию с устройств, главным
образом с коммутаторов и коммуникаторов, посредством snmp.
Большую серверную структуру должен администрировать не один
человек, поэтому необходимым будет сервер, куда в удобной форме можно
будет записывать и получать информацию о структуре сети и её изменениях.
[4]
Различное оборудование, кроме сообщений snmp часто выдаёт различную
информацию в виде логов. Следить терминалом постоянно за устройствами
неудобно, поэтому нелишним будет сервер, принимающий и сохраняющий
логи.
2.1. SNMP.
Настало время рассмотреть протокол SNMP [37]. Этот протокол
управления устройствами очень широко используется в сетях TCP/IP и
предоставляет удобный инструмент сбора состояний и управления
устройствами, имеющими ip-адрес. Телефоны, принтеры, сервера и конечно
различное сетевое оборудование очень удобно опрашивать по этому протоколу.
Принцип работы прост - на управляемом устройстве есть программа - агент,
при получении запроса от сервера (называется мэнеджером либо
промежуточным агентом) на порт udp 161 высылает ответ, либо посылает
уведомления на порт udp 162 сервера.
35
SNMP (англ. Simple Network Management Protocol - простой протокол
сетевого управления)
Самая первая версия включала следующие документы:
1. RFC 1155: (SIM) Structure and Identification of Management Information
for TCP/IP-based internets (Май, 1990) [11]
- Определяет структуру управляющей информации в виде глобального
дерева. Представляет синтаксис определения имен переменных управления.
2. RFC 1212: (MIB) Concise MIB (Management Information Base)
Definitions (Март, 1991) [12]
- Дополняет RFC 1155 в части синтаксиса определения имен переменных.
3. RFC 1213: (MIB-II) Management Information Base for Network
Management of TCP/IP-based internets: MIB-II (Март, 1991) [13]
- Содержит список более ста наиболее необходимых переменных,
отвечающих за конфигурацию, статус и статистику систем, входящих в TCP/IP
сеть.
4. RFC 1157: (SNMP) A Simple Network Management Protocol (Май, 1990)
- Определяет сообщения, которыми обмениваются управляющая станция
и объект управления для получения и обновления значения переменных.
Определяет trap(alarm)-сообщения, посылаемые системой при
значительных изменениях в ее конфигурации. [14]
Сегодня деятельность по стандартизации, связанная с SNMP,
продолжается по мере того, как поставщики разрабатывают и выпускают
современные прикладные программы управления, базирующиеся на SNMP.
Вся информация об объектах системы-агента подержится в так
называемой MIB (management information base) - базе управляющей
информации, другими словами MIB представляет собой совокупность
объектов, доступных для операций записи-чтения для каждого конкретного
клиента, в зависимости от структуры и предназначения самого клиента.
На данный момент существует четыре базы MIB: