IP - hálózati címzés Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 1

Az előadások a következő témára: "IP - hálózati címzés Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 1"— Előadás másolata:

1 IP - hálózati címzés Tempus S_JEP-12345-97 Számítógép-hálózatok - 1
Ez a fóliasorozat a TCP/IP modell hálózati rétegének kapcsolódását tárgyalja az alatta lévő réteghez. Az ide kapcsolódó legfontosabb fogalmak: fizikai címzés hálózati címzés címosztályok, netmask, ARP, RARP, DHCP. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 1

2 Fizikai címek, hálózati címek
Miért van szükség hálózati címekre? Miért nem elegendő a fizikai címek használata? A fizikai címek elhelyezkedése struktúrálatlan. Útvonalválasztást struktúrálatlan címrendszerrel lehetetlen megoldani. A fizikai cím csak egy alhálózatba kapcsolt csomópontok kommunikációjához megfelelő. Szükség van egy másik, struktúrált címrendszerre: a hálózati címekre. Természetesen felmerüő kérdés: Miért van szükség kétféle címzési rendszerre? A fizikai címek struktúrálatlan elhelyezkedése alatt azt kell érteni, hogy pl. egy LAN-on belül is lehet olyan eset, hogy a fizikai címek hasonlítanak (az eleje azonos), ill. nem hasonlítanak (már az eleje különbözik), másrészt ugyanez előfordulhat egymástól távol elhelyezkedő gépek esetén is. A fizikai és hálózati cím szerepére célszerű a hétköznapi életből analógiát venni (pl. Fizikai cím - emberek kinézete, hálózati cím - emberek neve, címe). A struktúrált címrendszerre a telefonszámok rendszere (ország kód, város kód, telefonszám, mellék) egy jó analógia lehet. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 2

3 Az IP hálózati protokoll
IP (Internet Protocol) RFC 791 A TCP/IP referenciamodell hálózati réteg protokollja. Széles körben használt, az Internet alapeleme. Legfontosabb jellemzői: IP fejrész szerkezete. 32 bites szavakból áll. Minimum 5, maximum 15 szó hosszú. IP címzés, címosztályok. Darabolás (fragment) támogatás. Az IP protokoll és az IP címzés egymondatos jellemzése. A következő fóliákon ezeket a jellemzőket vizsgáljuk részletesebben. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 3

4 Internet fejrész szerkezete
Szolgáltatás típusa Verzió IHL Teljes hossz D F M F Azonosító Fragment offset Transzport réteg protokoll TTL Fejrész ellenőrző összeg Feladó (forrás) IP címe AZ IP fejléc rövid vázlata. Az egyes mezők jelentését részletezzük a következőkben. Címzett (cél) IP címe Opcionális mező(k) Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 4

5 Internet fejrész szerkezete - 1
Szolgáltatás típusa Verzió IHL Teljes hossz Az első szó tartalma - általános információk: 4 bit: Verziószám (IPv4). 4 bit: IP fejrész hossza (szavakban mérve). 8 bit: Szolgáltatás típusa (pl. hang vagy fájl átvitel). 16 bit: Teljes csomaghossz (bájtokban mérve). Az első szó tartalma. Az IP fejléc 15 szavas max. hossza az IHL mező 4 bites tárolásából következik. Célszerű felhívni a figyelmet arra, hogy az IP fejléc hossza szavakban, a csomag hossza bájtokban kerül megadásra. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 5

6 Internet fejrész szerkezete - 2
D F M F Azonosító Fragment offset A második szó tartalma - darabolás (fragment) adatai: 16 bit: Azonosító, a fragment sorozat azonosítója. 1 bit: Nem használt. 1 bit: DF - nem darabolható (pl. boot program). 1 bit: MF - további fragment-ek léteznek. 13 bit: Fragment offset (a fragment helye a sorozatban). A fregmentálással kapcsolatos információk. Itt célszerű beszélni az MTU fogalmáról. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 6

7 Internet fejrész szerkezete - 3
Transzport réteg protokoll TTL Fejrész ellenőrző összeg A harmadik szó adatai - általános információk: 8 bit: TTL a csomag „hátralevő életidejének” jelzése. 8 bit: Transzport rétegbeli protokoll azonosítója. 16 bit: A fejrész ellenőrző összege. A TTL mező vizsgálatához célszerű megemlíteni a hibás forgalomirányításból adódható „körbe irányítást”, ezzel a TTL mező, ill. ennek csökkentése a routerekben magától értetődő. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 7

8 Internet fejrész szerkezete - 4,5
Feladó (forrás) IP címe Címzett (cél) IP címe A negyedik, ötödik szó adatai - címzések: 32 bit: A „forrás” IP címe. 32 bit: A „cél” IP címe. A feladó és a cél IP címe. Az IP címekkel a későbbiekben részletesen foglalkozunk. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 8

9 Internet fejrész szerkezete - 6
Opcionális mező(k) A hatodik szótól - 32 bites opcionális információk pl.: Security - Védelmi opció. Record route - A továbbítás útvonalának naplózása. Timestamp - A késleltetési idők naplózása. Opcionális mezők. A Recordroute és a Timestamp elsősorban forgalomirányítási nyomkövetésre, hibafelderítésre használható. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 9

10 IP címek A csomópont hálózati rétegbeli azonosítója.
Pontozott decimális megjelenítés pl Az azonosítók kezelése - InterNIC. Nem egyedi címeket, hanem címtartományokat (hálózat azonosítókat) osztanak ki az intézményeknek. Az IP cím eleje a hálózat azonosítója, a vége a csomópont azonosítója (a hálózaton belül). Hány bit hosszú legyen a hálózat azonosítója? Ha túl kicsi, akkor a nagy tartományok kihasználatlanok. Ha túl nagy, akkor csak kis alhálózatok kezelhetők. Az IP címek legfontosabb tulajdonságai. Az utolsó kérdés fontosságát jelzi, hogy többször is felmerült az Internet működése során, s többféle megoldási javaslat is született (pl. címosztályok, CIDR, NAT). Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 10

11 IP címosztályok Bit# 1 7 24 A osztály Network # Host # Bit# 1 1 14 16
Network # Host # Bit# 1 1 14 16 B osztály 1 Network # Host # Az IP címosztályok képzési elve a kezdőbitek alapján. Megemlíthető a D és az E osztály is. Bit# 1 1 1 21 8 C osztály 1 1 Network # Host # Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 11

12 Első bájt szabály Kezdőbit(ek) 1. Bájt értéke Osztály 0 - 127 A 10
A 10 B 110 C Az IP címosztályok meghatározása az első bájt értéke alapján. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 12

13 Speciális IP címek Az aktuális gép. 000000… Host Az aktuális hálózat megadott gépe. Broadcast az aktuális hálózaton. Network … A megadott hálózat azonosítója. Network … Néhány speciális jelentésű IP cím. Forrás: Tanenbaum - Computer Networks 3rd edition. Broadcast a megadott hálózaton. Bármi Loopback Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 13

14 IP alhálózatok Miért van szükség alhálózatok létrehozására?
Az intézmény logikai működése, felépítése, térbeli elhelyezkedése indokolja. Egy IP hálózaton több üzenetszórási (broadcast) tartományt kell létrehozni. Hogyan hozunk létre alhálózatokat? Az IP cím host részének legmagasabb helyiértékű bitjeiből néhányat az alhálózat (subnet) azonosítására használunk. Az új hálózat-csomópont határt egy ún. hálózati maszk (netmask) értékkel jelöljük. A hálózat-gép határproblémájának egy továbbfejlesztett megoldása az alhálózatok létrehozása, a netmask bevezetése. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 14

15 Hálózati maszk A hálózati maszk (netmask):
Egy olyan 32 bites maszk, mely 1-es bit értékeket tartalmaz a hálózat és alhálózat azonosításában résztvevő bithelyeken és 0-ás bit értékeket tartalmaz a csomópont azonosítására szolgáló bithelyeken. A hálózati maszk segítségével az eredetileg az osztályba sorolás által (statikusan) meghatározott hálózat-gép határ dinamikusan módosítható. A netmask fogalma. Fontossága miatt célszerű külön figyelmet szentelni a megmagyarázására, működésének bemutatására. Célszerű megemlíteni a default netmask fogalmát (akkor is van netmask, ha az eredeti osztályos meghatározás adja a hálózat-gép határvonalat). Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 15

16 Hálózati maszk - példa Példa: Hálózat IP címe: 197.45.112.0
Alapértelmezett hálózati maszk: Használjunk 3 bitet alhálózat azonosításra. Hálózati maszk: Összesen 8 alhálózat elkülönítésére van lehetőség. Általában a csupa 0 és a csupa 1 bit értékekből felépülő alhálózat azonosítókat nem használják (6 alhálózat építhető). Egy konkrét példa alhálózatra. Az utolsó pontot esetleg célszerű részletezni (a routerek általában megengedik a használatukat, de egyes irodalmak pl. Cisco Networking Academy, használatuk kerülését javasolja). Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 16

17 Hálózati maszk - példa Az alhálózatok címei: Sorszám Alhálózat címe
Alhálózati gépcímek 1. 2. 3. 4. A példa alhálózatainak címtartományai. 5. 6. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 17

18 Hálózati maszk szerepe
Tekintsünk egy forgalomirányítási feladatot a netmask használatának bemutatásához. Cél IP cím: Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 18

19 Hálózati maszk szerepe
A célcím és a netmask közötti bitenkénti AND művelet segítségével megkapjuk a célhálózat címét. Cél IP cím: & Hálózati maszk: Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 19

20 A kettős címrendszer problémái
Problémák a kettős címrendszerből adódóan: Az adatkapcsolati réteg enkapszulációjához meg kell határozni a hálózati címhez tartozó fizikai címet. Bizonyos helyzetekben (pl. Hálózati boot esetén) szükség lehet arra, hogy a fizikai címhez meghatározzák a hálózati címet. A kettős címzésből adódó problémák. Ezekre a problémákra keressük a megoldásokat a következő fóliákon. Az elézé fóliákon bemutatott példára visszautalva az a kérdés, hogy hogyan kapja meg a célgép hálózati kártyája a keretet. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 20

21 Hálózati cím -> Fizikai cím (ARP)
ARP (Address Resolution Protocol) RFC 826 Minden node egy táblázatban (ARP táblázat) tartja nyilván a hálózati címekhez tartozó fizikai címeket. Hogyan kerül be egy új adat (címpár) a táblázatba? 1. ARP kérdés: Ki tudja az X hálózati cím fizikai címét? 2. A kérdés keretét üzenetszórásos küldéssel az alhálózat valamennyi csomópontja megkapja és feldolgozza. 3. Ha valamely csomópont “magára ismer“ az X hálózati címben, akkor a saját fizikai címével megválaszolja az ARP kérdést. Az ARP protokoll vázlatos leírása. Célszerű a fizikai cím - hálózati címnél használt analógiával szemléltetni a működését: Fizikai cím: diákok arca (kinézete) Hálózati cím: diákok neve Szituáció: a tanár a kijavított dolgozatokat osztja a diákoknak. Ha a tanár a név alapján tudja azonosítani a diákot (benne van az ARP táblában) akkor kézbesíti a dolgozatot. Ha nem tudja azonosítani, (új bejegyzés kell az ARP táblába) akkor egy mindenkinek szóló kérdést tesz fel: Ki is X.Y? (ARP kérdés) A kérdést minden diák hallja, s X.Y visszajelez a tanárnak, hogy ő az (ARP válasz) Ezután a tanár át tudja adni a dolgozatot X.Y-nak.. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 21

22 Fizikai cím -> Hálózati cím (RARP)
RARP (Reverse Address Resolution Protocol) RFC 903 Csak speciális esetekben szükséges (pl. hálózati boot). Egy (vagy több) RARP szerver táblázatban (RARP táblázat) tartja nyilván a fizikai címekhez tartozó hálózati címeket. A táblázatot a rendszeradminisztrátor tartja karban. A fizikai cím - hálózati cím összerendelés statikus. Több RARP szerver esetén egy fizikai címhez minden RARP szerveren ugyan azt a hálózati címet kell rendelni (nem függhet a szervertől az összerendelés). A RARP protokoll jellemzése. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 22

23 Fizikai cím -> Hálózati cím (RARP)
RARP (Reverse Address Resolution Protocol) RFC 903 Működési vázlata: 1. RARP kérdés: Ki tudja az X fizikai cím hálózati címét? 2. A kérdés keretét üzenetszórásos küldéssel az alhálózat valamennyi csomópontja megkapja. 3. A RARP szerverek feldolgozzák a kérdést: Ha megtalálják a táblázatukban az X fizikai címet, akkor a táblázatban található hálózati címmel megválaszolják a RARP kérdést. A RARP protokoll működési vázlata. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 23

24 Fizikai cím -> Hálózati cím (DHCP)
DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) Microsoft operációs rendszereknél elterjedt. Egy IP címtartomány dinamikus kiosztását teszi lehetővé. Több DHCP szerver működése esetén a szerverek által kezelt címtartományok nem fedhetik át egymást. A DHCP protokoll jellemzői. Célszerű a RARP-pal összehasonlítva a dinamikus címkiosztásból eredő előnyös és hátrányos tulajdonságait megemlíteni. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 24

25 Fizikai cím -> Hálózati cím (DHCP)
DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) Működési vázlata: 1. DHCP kérdés: Ki tud adni egy IP címet? 2. A kérdés keretét üzenetszórásos küldéssel az alhálózat valamennyi csomópontja megkapja. 3. A DHCP szerverek feldolgozzák a kérdést: Ha a kezelt címtartomá-nyukban még van szabad IP cím, akkor azzal megválaszolják a DHCP kérdést. 4. A kliens a hozzá érkező DHCP válaszokból választ egyet, s visszajelzi a választását a megfelelő DHCP szervernek. 5. A DHCP szerver „könyveli” a címválasztást (foglalt lett a cím), s a könyvelésről megerősítést küld a kliensnek. A DHCP működési vázlata. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 25

26 Az Internet növekedése
90 Január 90 Április 90 Július 90 Október 91 Január 91 Április 91 Július 91 Október 92 Január 927 1525 1727 2063 2338 2622 3086 3556 4526 A következő fóliákon bemutatásra kerül néhány IP címzéssel kapcsolatos probléma. Alapvetően az Internet robbanásszerű, világ méretűvé történő növekedése áll a háttérben (RFC1338). A táblázat a routertáblák növekedését mutatja. Esetleg megemlíthetők a következő adatok is az IP címosztályok telítettségéről 1992-ben (Forrás RFC 1466), (elsősorban a „B” osztályú címek kimerülésével kapcsolatban): Total Allocated Allocated (%) Class A % Class B % Class C % Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 26

27 IP címosztályok problémái
Az IP címosztályok statikus hálózat-gép határának problémái: A kb. ~5000 csomóponttal rendelkező intézmények számára a „B” osztály túl nagy a „C” osztály túl kicsi. Szükség van egy dinamikus határ meghatározásra (változó hosszúságú hálózati maszk). A 90’-es évek elején az időegység alatt kiosztott új hálózatcímek száma exponenciális növekedést mutatott. (A „C” osztályú címek száma 221!) A router-táblázatok mérete a hálózatok számával arányos. Meg kell akadályozni a router-táblák robbanásszerű növekedését. A 90’-es évek elején jelentkező problémák: A kiosztott hálózatcímek darabszáma robbanásszerűen növekedett (ld. RFC 1338). Alapvetően 3 probléma jelentkezett: - B osztályú címek „kimerülése” (a nem hatékony használat miatt). - A roter-táblák kezelhetetlen méretűre történő növekedése. - Az IP címek kimerülése. Az első kettőre ad megoldást a CIDR (RFC 1519). Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 27

28 IP címosztály problémák - megoldás
A megoldás: CIDR (Classless Inter-Domain Routing) RFC 1519. Folytonos „C” osztályú címek kiosztása („B” helyett). A hálózat-gép határ változó hosszúságú hálózati maszk segítségével tetszőleges bitszámmal balra (supernetting) illetve jobbra (subnetting) tolható. Területi elrendeződés szerinti címtartomány-zónák kialakítása. Összevont forgalomirányítási információk a hálózati maszkok segítségével. A hálózati címek reprezentációja: <Hálózat IP szám, Hálózati maszk> CIDR: Alapköve a változó hosszú netmask segítségével történő „supernetting” („C” osztályú címeknél) és „subnetting” („A” és esetleg „B” osztályú címeknél) már a címkiosztásnál (Internet szolgáltatóknál, területi alapon), s aggregált routing információk alkalmazása a routerekben. Célszerű megemlíteni, hogy a forgalomirányításnál nem elegendő az első illeszkedő <Hálózat cím, Netmask> párig vizsgálni egy adott célcím esetén, hanem valamennyi bejegyzést vizsgálva a leghosszabb illeszkedést kell használni. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 28

29 Kontinensek IP címtartományai
A „C” osztályú IP címtartományokat kontinentális alapon osztják ki (router táblák mérete jelentősen csökkenthető) RFC 1366,1466: Kontinens Címtartomány Európa Észak-Amerika Közép- Dél-Amerika A címtartományok területi kiosztásának legfelsőbb szintje. Célszerű megjegyezni, hogy a területi kiosztás „hierarchikusan” további szinteken folytatható az egyes kontinenseken belül. Megjegyezhető továbbá, hogy a kezdetű IP címtartományok még RFC 1366 előtt kiosztásra kerültek, a kezdetűek pedig későbbi felhasználásra fenntartott címek. Célszerű egy mondatban megemlíteni, hogy hogyan csökkenti a router táblák méretét a felosztás (a többi kontinens belső információit nem kell tárolni). Ázsia, Ausztrália Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 29

30 CIDR példa Egy Internet-szolgáltató 2048 db „C” osztályú IP cím kiosztásáról rendelkezik: A szolgáltatót (kívülről) specifikáló információ: < , > A szolgáltatóhoz 3 intézménytől érkezik Internet csatlakozási igény: AI 2000 csomópont, BI 4000 csomópont, CI 1000 csomópont. Az intézményeknek kiosztott címek: AI ; < , > (2048 cím) BI ; < , > (4096 cím) CI ; < , > (1024 cím) Egy tipikus példa a CIDR-hez (Forrás: Tanenbaum - Computer Networks 3rd edition; RFC 1519). Feltételezzük, hogy az intézmények csatlakozási igényei a felírt sorrendben egymás után jelentkeznek. A „BI” intézmény nem kaphatja meg a tól induló címeket, mivel neki 4096 címre van szüksége, és a nem 4096-os határ. Viszont a „CI” intézmény 1024-es címigénye még „befér” a tól induló tartományba. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 30

31 CIDR példa A példa működtetéséhez szükséges forgalomirányítási információk: Az európai (aggregált) forgalomirányításhoz: < , > Egy bejegyzéssel 2048 db „C” osztályú cím kezelhető. Az Internet-szolgáltató belső forgalomirányításához: < , > < , > < , > Három bejegyzéssel 28 db „C” osztályú cím kezelhető. A szükséges routung információk. A Tanenbaum könyvben szereplő példában nincs szó az Internet-szolgáltatóról, így ott az európai forgalomirányításhoz tartozóan a 3 bejegyzés szerepel. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 31

32 CIDR példa - routing BI CI AI <194.24.16.0, 255.255.240.0>
< , > < , > A következő fóliákon egy forgalomirányítási problémát vizsgálunk az előzőekben vázolt példához. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 32

33 CIDR példa - routing BI CI AI ? <194.24.16.0, 255.255.240.0>
< , > < , > ? & Vizsgáljuk az első (AI) intézmény bejegyzését. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 33

34 CIDR példa - routing BI CI AI ? <194.24.16.0, 255.255.240.0>
< , > < , > ? & A netmask és a célcím közötti bitenkénti AND művelet eredménye nem adja vissza a hálózat címét, így ez az irány elvethető. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 34

35 CIDR példa - routing ? BI CI AI ? & 194.24.9.35 194.24.0.0
< , > CI AI < , > < , > ? & Vizsgáljuk a második intézmény (BI) bejegyzését. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 35

36 CIDR példa - routing ? BI CI AI ? & 194.24.9.35 194.24.0.0
< , > CI AI < , > < , > ? & A netmask és a célcím közötti bitenkénti AND művelet nem adja vissza a hálózat címét, így ezt az irányt elvethetjük. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 36

37 CIDR példa - routing ? BI CI AI ? & 194.24.9.35 194.24.0.0
< , > CI AI < , > < , > ? & & Vizsgáljuk a harmadik intézmény (CI) bejegyzését. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 37

38 CIDR példa - routing ? BI CI AI ? & 194.24.9.35 194.24.0.0
< , > CI AI < , > < , > ? & & A netmask és a célcím közötti bitenkénti AND művelet visszaadja a hálózat címét, s mivel nincs több bejegyzés, ebben az irányban továbbítható a csomag. Tempus S_JEP Számítógép-hálózatok - 38