2. Az Internet Protocol alapjai

SZOLGÁLTATÁS-MINŐSÉG BIZTOSÍTÓ INFORMÁCIÓS TECHNOLÓGIÁK LABORATÓRIUMA TÁVKÖZLÉSI ÉS MÉDIAINFORMATIKAI TANSZÉK, BME SZOLGÁLTATÁS-MINŐSÉG BIZTOSÍTÓ INFORMÁCIÓS TECHNOLÓGIÁK LABORATÓRIUMA TÁVKÖZLÉSI ÉS MÉDIAINFORMATIKAI TANSZÉK, BME

Minőségbiztosítás IP hálózatokon (vitt9181)

2. – Az Internet Protocol alapjai Kis, Szabolcs Máté, [email protected] (összefoglaló: IP, TCP/IP, UDP, RTP)

TÁVKÖZLÉSI ÉS MÉDIAINFORMATIKAI TANSZÉK BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM

2005. szeptember 16. péntek

1

1 | Minőségbiztosítás IP hálózatokon (vitt9181), Az Internet Protocol alapjai (2.) | 2005. szeptember 16. péntek


Internet Protocol, IP

» Internet and the TCP/IP protocol stack » Protocols supporting QoS » The IP protocol family » IP datagram » The transport protocols: UDP and TCP » Next generation IP: the IPv6



SZOLGÁLTATÁS-MINŐSÉG BIZTOSÍTÓ INFORMÁCIÓS TECHNOLÓGIÁK LABORATÓRIUMA TÁVKÖZLÉSI ÉS MÉDIAINFORMATIKAI TANSZÉK, BME


The Internet architecture Concepts » „Internetwork” » interconnected networks, the Internet » Network » a physical network consisting of nodes and links » any communication system capable of sending packets (Ethernet, a point-to-point link, any WAN) » all networks are equal » Bottom-Up organization » Gateways or routers » provide interconnection among physical networks » route packets according to their destination networks » Hosts » any machine where the application sits » often with user interfacNetworks and Gateways


Az Internet felépítése: A szó eredete is a kezdetekhez nyúlik vissza, ugyanis független hálózatok összekapcsolásával alakult ki különböző protokollokat használtak távoli adatbázisok elérését tették lehetővé A fizikai hálózat csomópontokból és linkekből áll, melyek elvileg egyenrangúak, de ez inkább csak a múltban volt igaz, ma már csak lokális hálózatokon. Ma már a nagy hálózatoknak megfelelően nagy teljesítmény node-ok kellenek. A hálózatok is csak a protokollok szempontjából egyenlők. Az alulról-fölfelé építkezés azt jelenti, hogy kezdetben voltak a különálló gépek, és ezeket kezdték összekötögetni, majd az így összekötött lokális hálózatokat kötötték össze egymással, és így tovább… A fizikai hálózatok közötti összeköttetést biztosító eszközök: az átjárók A csomagok irányításáért felelősek: a router-ek, vagy útválasztók. A forgalom irányítás elengedhetetlen kelléke volt a címzés bevezetése! Ezt biztosítja (többek között) az IP. A hostok szerepe elsősorban az, hogy a felhasználókat összeköti a hálózattal.




Networks and Gateways

G Net 1

Net 2

Two (or more) networks are interconnected by G, a gateway (router). G transfers packets from Net 1 to Net 2 and from Net 2 to Net 1


A gateway (G) egy „okos” eszköz, egy hálózati intelligencia. Címzés segítségével juttatja át az egyik hálózatról érkező üzeneteket a másik hálózatra, amennyiben annak címzettje azon található, illetve azon keresztül juttatható el hozzá az üzenet. Egy gateway-nek lehet sok linkje, több táblázata, amelyek segítségével a hálózatokon üzeneteket irányíthat.




The Internet Protocol architecture

„Internet protocol(s)” » TCP/IP » The transport and network layer protocols used in the Internet » TCP - Transmission Control Protocol » IP – Internetwork Protocol

» The IP protocol only » The IP or TCP/IP „protocol stack” » All the network and

transport and upper layer protocols » Defined by RFCs Remark: about the development and „standardization” within Internet


Az IP szerepe: -Biztosítja a csomagok irányítását, -Címzését A ma használt IPv4 semmilyen minőségi paramétert sem biztosít csupán a címzett és a feladó egymásrátalálásáért felel. A TCP/UDP jelenti a tényleges kapcsolatot. Az RFC-k nagyon részletes leírást biztosítanak, leginkább a technikai megvalósításokhoz alkalmazhatóak, mi nem fogunk foglalkozni velük.




TCP/IP protocol architecture: comparison with the OSI 7-layer model

OSI layer

TCP/IP architecture

Application Presentation

Process / Application Layer

Example: FTP

Session Transport

Host-to-Host Layer

Network

Internet Layer

Data Link

Network Interface

Physical

Layer

Example: TCP IP (plus…) Not dealt with in TCP/IP context


A fenti modell az OSI ISO szabvány szerinti modell, mely fix, jó támpontként szolgálhat, bár kissé elavult. Az IP protokoll a hálózati (network) rétegben működik – a TCP/IP modell szerint az Internet Layerben.



TCP/IP protocols in Internet nodes: different types of nodes contain different sets of protocols

Host A

Host Z

Process/Application Layer

Host-to-Host Layer

Internet Layer

Network Interface Layer

Process/Application Layer

Router B

Router Y

Internet Layer

Internet Layer

NI NI

NI NI

A B

A B

Host-to-Host Layer

Internet Layer

Network Interface Layer





The complete TCP/IP protocol family

SNMP BOOTP FTP ASN 1 DHCP SMTP TELNET DNS TCP UDP IP (+ICMP and IGMP) ARP RARP Network interface This „traditional” view is one-dimensional (along layers) Different protocols belong to different functionality groups A better interpretation is the „telecom view”


A számítógépek egymást a fizikai rétegen keresztül érik el. Ezen a hálózati meghajtó MAC címével találják meg egymást, amely ezen meghajtók a világon (elvileg) egy egyedi azonosítója. Ezen a fizikai rétegen továbbítódnak a csomagok. E fölött működik az IP réteg, amely a fizikai címek fölé egy globálisan meghatározott címet rendel. A kettő közötti kapcsolatot az ARP (Adress Resolution Protokol) protokoll adja. Ennek során (egy helyi hálózaton) minden számítógép elküldi a saját MAC és IP címét a központi adatbázisnak. Ezután megtalálható lesz a hálózaton, de ez MÉG NEM MINŐSÉG! Erre a rétegre alapvetően két protokoll épül: a TCP és az UDP. A TCP nyugtázott, és kétirányú kapcsolatot biztosít. Az UDP ezzel szemben nyugta nélküli, egyirányú. (pl.: Internetes TV szolg.) Mik lehetnek minőségi paraméterek?: (és hol kritikusak ezek) -rendelkezésre állás (szinte mindennél fontos) -Csomagvesztés – pocket loss ratio -Késleltetés – delay (játék, multimédia, VoIP (max 250ms), interaktív szolgáltatások) -Késleltetés ingadozás – jitter (telefonos kapcsoatnál (10-15ms)) -Sávszélesség – throughput (ftp) Attól függ a választott protokoll, hogy mik a fontos minőségi paraméterek az adott alkalmazás szempontjából.




Protocols supporting QoS (1)

LAYERS

H.225

RTP

TCP

RSVP UDP

IP

Application

Host

Network


H.225: ITU-T ajánlás (protokoll leírás) Az RTP megoldás lehet minőségi paraméterek biztosítása terén. RTP: Realtime Transport Protokoll: időzítésre, időre megy rá, de ennek ára van, némi overheadet jelent. – van előnye és hátránya is.




Protocols supporting QoS (2)

Higher layers protocols are examples for the three functional groups: 1 Transport of voice samples – RTP, the

Real Time Protocol 2 Call control in VoIP systems – H.323, the

ITU standard for call processing (and more…) 3 Resource management, QoS – RSVP, the

Resource Reservation Protocol


1: elsősorban: Internet telefónia, telefonkonferencia terén. Időzítés szempontjából nagyon fontos. A telefon konferencia területén gondot jelent az egyenrangú(!) felek összehangolása, méghozzá úgy, hogy ehhez kétirányú kapcsolatot is biztosítsunk. Mivel egyenrangúak, így egyik fél sem kerülhet hátrányba a másik javára. 2: Hívás felépítés, bontás, jelzések Feladata még a minőségi paraméterek lekommunikálása, egyeztetése is (erre több protokoll áll rendelkezésre) 3: erőforrás allokálás (lefoglalás). RSCV Resource Reservation Protokol Francia eredete is lehet: névjegy kártyára írták rá… Response s’il vous plait! (kérem válaszoljon!)




IP protocol summary

» Operational features » IP and its companion protocols » The IP addressing scheme » IP datagram delivery » On IP routing » Error and Control Messages in IP – the ICMP » IP Multicast


Hibák: nagyon fontosak a minőségbiztosítás szempontjából. Multicast: főleg a multimédia, film, videó továbbítás terén lehet fontos.




Operational features of IP protocol » Packet switched, datagram type (connectionless) » Best effort, no error correction » Two main functions: » Addressing » Fragmentation » Three addressing/packet forwarding option » unicast (one-to-one) » multicast (one-to-many) » broadcast (one-to-everybody) » Fragmentation: necessary because of LAN’s or WAN’s protocols have » different frame sizes that are normally smaller than the IP

packet size


Az IP technológia Best Effort jellegű (Best Effort az a forgalmi osztály, amikor a hálózat megpróbálja a legnagyobb forgalmat átvinni, de nincs semmilyen minőségi paraméter). Ha lehet, akkor a lehető legjobban teljesíti a feladatát, azonban ha nem, akkor a teljesítés sem garantált. Nem tud hibát javítani. Feladatai: -Címzés -Tördelés – Az IP a TCP szegment max 65 kbytos csomagokra tördeli, ellátja fejléccel, majd továbbítás után a vevő oldalon összerakja, helyreállítja az eredeti üzenetet. A tördelésre azért van szűkség, mert a rá épülő protokollok különböző (akár nagyon nagy) keretekkel dolgoznak.




The „IP Family” » IP + companion protocols

All within the network layer, „sub-layers”

IGMP

ICMP

Internet Control Message Protocol

IP ARP

Address Resolution Protocol

RARP

Internet Group Mngment Protocol

Reverse ARP


Az ARP (Address Resolution Protocol) feladata a hálózaton a címek feloldása – címfeloldási protokoll. RARP – Reverse ARP: az ARP fordítottja. ICMP, illetve IGMP: az IP-re épülnek.




The IP addressing scheme (1)

01234

8

16

24

Class A

0

Class B

1 0

Class C

1 10

netid

Class D

1 1 10

multicast address

Class E

1 11 10

reserved for future use

netid

31

hostid netid

hostid hostid


A fenti osztály kategória rendszer az IPv4-re jellemző. A címek 32 bitesek, túlhaladott rajta a net mérete. Az A osztály a nagy prioritású hálózatok IP tartományára jellemző. (Azaz 7 biten jelölik a hálózat azonosítót, a maradék bit a hostok azonosítására szolgál. Főleg az internetet kiépítő szervezetek, egyetemek rendelkeznek velük, pl. Kína nem kapott, túl későn csatlakozott. Ebben oka volt a politikának, az eltérő karakterkészletnek, stb.) Az első 3 osztály (A, B, C) tartalmaz hálózat és host azonosítót.




The IP addressing scheme (2) » Advantages » Classes A, B, C can be distinguished by the first 2 bits » Network and host addresses are easily separable » Notation » Dotted decimal; octets → decimal numbers » Example: Class „C” address range

from 110000000…00…00…0→ 192.0.0.0 to 110111111…11…11…1→ 223.255.255.255


A IP cím első 2 bitje alapján besorolható vagy az A, vagy a B, vagy a C osztályba. A routerek konfigurálásánál ez fontos. A decimális jelölés: az USA telefonszám jelölése alapján pontokkal elválasztott.




Internet Protocol Version 4 (IPv4) Datagram


A fejléc általában 5 sor ( 5 * 32 bit = 20 byte ) TL: a fejléc és az adat összes hosszát jelenti. TTL: Time To Live, azt mondja meg, hogy a csomag még mennyi idő ( vagy hop) után veszti el a jelentőségét, és mikor kell kitörölni, eldobni. (kezdetben ms, ma már a hopokat számolja) Általában 128-ra állítják. Minden router egyel csökkenti, így ha elérte a megengedett hop-ot, akkor egyszerűen törlődik, nem terheli tovább a hálózatot.

Az Options mezőt nem használjuk, mert túlságosan nagy számítás igénye lenne az útvonal választókban, ahol pedig ez kritikus lehet.




The header fields (1) » Version (always set to the value 4, which is the current version

of IP) » IP Header Length (number of 32 -bit words forming the header, usually five) » Type of Service, now known as Differentiated Services Code Point (DSCP) (usually set to 0, but may indicate particular Quality of Service needs from the network, the DSCP defines one of a set of class of service) » Size of Datagram (in bytes, this is the combined length of the header and the data)


Verzió: általában 4, IPv6-tól 6. Az IPv6 képes lesz minőségi paraméterek biztosítására is. TOS: Kezdetben nem arra tervezték, amire ma használjuk, de ez jelenti az első próbálkozást az IP minőségbiztosítása terén. Size of Datagram: a fejléc + az adat mérete.




The header fields (2) » Identification ( 16-bit number which together with the source

address uniquely identifies this packet - used during reassembly of fragmented datagrams) » Flags (a sequence of three flags (one of the 4 bits is unused) used to control whether routers are allowed to fragment a packet (i.e. the Don't Fragment, DF, flag), and to indicate the parts of a packet to the receiver) » Fragmentation Offset (a byte count from the start of the original sent packet, set by any router which performs IP router fragmentation)


Az azonosító fontos a csomagok teljes és sorrendhelyes összeállításához. Flags: tartalmazza, hogy a csomag darabolt üzenetet tartalmaz-e, és ha igen, akkor egyéb információkat is árul el róla.




The header fields (3) » Time To Live (Number of hops /links which the packet may be

routed over, decremented by most routers - used to prevent accidental routing loops) » Protocol (Service Access Point (SAP) which indicates the type of transport packet being carried (e.g. 1 = ICMP; 2= IGMP; 6 = TCP; 17= UDP).




The header fields (4) » Header Checksum (A 1's complement checksum inserted by

the sender and updated whenever the packet header is modified by a router - Used to detect processing errors introduced into the packet inside a router or bridge where the packet is not protected by a link layer cyclic redundancy check. Packets with an invalid checksum are discarded by all nodes in an IP network) » Source Address (the IP address of the original sender of the packet) » Destination Address (the IP address of the final destination of the packet) » Options (not normally used, but when used the IP header length will be greater than five 32-bit words to indicate the size of the options field)




Host layer protocols: UDP and TCP » UDP – User Datagram Protocol » TCP – Transmission Control Protocol » Common features of UDP and TCP: » handling „ports” » multiplexing capability » difference between UDP and TCP: » UDP is a connectionless transport service » TCP is a connection – oriented service





UDP – the User Datagram Protocol (1)

Handling „ports”: » at IP layer, packets are addressed to a host » within a host: several application processes » selection among applications: using ports » reserved and available port numbers » reserved ports: datagrams can always be sent to these ports e.g. 69: TFTP » determination of port numbers to be used Multiplexing / demultiplexing » through the port mechanism


Az alkalmazások használhatnak portokat: ezek virtuális portok. Vannak előre foglaltak és szabadon használhatóak. TFTP : csak letöltést biztosít, visszajelzés nélkül. (például kis bonyolultságú mérőműszereknél praktikus: nem igényli a bonyolultabb protokollok implementálását. A kimenő adatokat multiplexálja, a bejövőket demultiplexálja, bontja szét alkalmazásokra.





» PDU format bits: 0

15 16

31

UDP Source Port

UDP Destination Port

UDP Message Length

UDP Checksum Data

Source port is optional (unused: 0) Length: in octets. Min: 8 Checksum: optional (no checksum: 0) UDP Checksum is the only way to check if a particular datagram arrived intact (IP packet checksum covers only the header)


Az UDP csak az IP-vel együtt életképes. Egyedül teljesen életképtelen. Nem támogatja a címzést, csak a portokat.




The concept of checksum computation Checksum computation includes IP addresses (to verify that the datagram reached the correct destination, not only the correct port) Computation is done by adding a pseudo-header:

0

31 Source IP address Destination IP address Zero

0

Protocol 78 IP protocol type UDP = 17

UDP length 15 16

31

Length of UDP datagram (not including pseudo-header)





UDP – summary of functionalities » Port handling, thus distinguishing among application processes » Handling several application processes in paralel through port

assignment = multiplexing (demultiplexing) » Error checking (content = UDP datagram + addressing info of

the IP packet) » Price: overhead of 8 octets


Az UDP 8 byte overheadet jelent, de ezért nyújtja: -Hiba ellenőrzést. -Port kezelést. -A port kezelés segítségével több alkalmazás férhet hozzá egyszerre a hálózathoz, mindegyik egy saját (virtuális) portján keresztül.




RTP, Real-time Transport Protocol


Az RTP-nél a Timestamp fontos: közös időt kell szinkronizálni. RTP fejléc: sorszámot és időbélyeget tartalmaz, az alkalmazás így könnyedén sorrendbe állíthatja (hianyzó csomagot detektálhat) és időzítheti az érkező csomagokat. Más megoldás a hálózat szinkronizálására: NTP (Network Time Protokol) – nem pontos időt szolgáltat, de nekünk megfelelő.



RTP header description (1) » V - Version. Identifies the RTP version – 2 bits. » P - Padding. When set, the packet contains one or more

additional padding octets at the end which are not part of the payload. » X - Extension bit. When set, the fixed header is followed by exactly one header extension, with a defined format. » CSRC count -Contains the number of CSRC identifiers that follow the fixed header. » M - Marker. The interpretation of the marker is defined by a profile. It is intended to allow significant events such as frame boundaries to be marked in the packet stream.




RTP header description (2) » Payload type - Identifies the format of the RTP payload and

determines its interpretation by the application. A profile specifies a default static mapping of payload type codes to payload formats. Additional payload type codes may be defined dynamically through non-RTP means. » Sequence number - Increments by one for each RTP data packet sent, and may be used by the receiver to detect packet loss and to restore packet sequence.




RTP header description (3) » Timestamp - Reflects the sampling instant of the first octet in the

RTP data packet. The sampling instant must be derived from a clock that increments monotonically and linearly in time to allow synchronization and jitter calculations. » SSRC - Synchronization source. This identifier is chosen randomly, with the intent that no two synchronization sources within the same RTP session will have the same SSRC identifier. » CSRC - Contributing source identifiers list. Identifies the contributing sources for the payload contained in this packet.





TCP – the Transmission Control Protocol Main characteristics

Objective: provide reliable transport service (using an unreliable datagram service offered by IP) Characteristics: » Stream – type service. Stream of bits octets; same sequence at the receiver. » Virtual circuit connection. Connections are built up and maintained during the communication. » Buffered (group) transfer. Collecting enough data from a stream to fill a datagram. » Unstructured stream. No boundaries within the stream. » Full – duplex connection. Two independent traffic streams. Piggybacking: sending ctrl info within the stream flowing in opposite direction.


IP önmagában megbízhatatlan – nem épül fel kapcsolat TCP – vel használva (handshake, nyugta, visszajelzés) megbízható lesz.




IPv6 Header Format

» The size of the IPv6 header is larger than the IPv4 header: (40

bytes, 320 bits) 31 | Minőségbiztosítás IP hálózatokon (vitt9181), Az Internet Protocol alapjai (2.) | 2005. szeptember 16. péntek

A verzió itt 6-os lesz, és ezután is minden más lesz, mint a ma használt IPv4 esetén. A minőségbiztosítás szempontjából fontos tényezők: Nem mindegy, mekkora a fejléc. Pl.: hang továbbításnál (20 byte-os csomagok) IPv4: 20 byte + 20 byte fejléc IPv6: 20 byte + 40 byte fejléc (ez egy nagyon fontos hátrány) RTP + 12 byte, UDP + 8 byte.



References » Dr. Szabó Csaba Attila VoIP course: » » » »

http://www.hit.bme.hu/~szabo/courses/voip_fal/ http://www.networksorcery.com/enp/protocol/ip.htm http://www.networksorcery.com/enp/protocol/ipv6.htm http://www.tcpipguide.com/free/t_IPDatagramGeneralFormat.ht m http://research.edm.luc.ac.be/jori/thesis/onlinethesis/chapter5.ht ml



2. Az Internet Protocol alapjai

Recommend Documents