Távközlési informatika II

Dr. Beinschróth József

Távközlési informatika II. 2.rész

ÓE-KVK Budapest, 2017.

Dr. Beinschróth József: Távközlési informatika II.

Tartalom 

           

2

Hálózati architektúrák: szabványgyűjtemények A fizikai réteg: bitek továbbítása Az adatkapcsolati réteg: kapcsolatvezérlés és közeghozzáférés Példák az adatkapcsolati rétegre épülő technológiákra A hálózati réteg 1: funkciók és protokollok A hálózati réteg 2: Útvonalválasztás Példa hálózati rétegre épülő technológiára A szállítási réteg Az alkalmazási réteg Kriptográfia IPSec, VPN, határfelületi védelem QOS és multimédia Kiegészítő fejezetek Dr. Beinschróth József: Távközlési informatika II.

A fejezet tartalma

 

 

Hálózati működés Általános jellemzők Protokollok NAT/PAT* *Egyaránt érint a Szállítási és a hálózati réteget


Hálózati modellek

Alkalmazási réteg Alkalmazási réteg

Alkalmazási réteg

Szállítási réteg



Hálózati réteg

Hálózati réteg

Hálózati réteg

Megjelenítési réteg Viszony réteg

Adatkapcsolati réteg

Adatkapcsolati réteg Fizikai réteg

Fizikai réteg

4

Hálózati modellek

Fizikai réteg


A szállítási réteg adategysége a szegmens

Feladatai

5

Általános jellemzők

• Hatékony, megbízható, gazdaságos szolgálat nyújtása az alkalmazásoknak, az átvitel sikerességének biztosítása. • Az üzenetek szegmensekre bontása • A hálózati réteg hibáinak javítása – a hálózati réteg nem megbízható • Az alkalmazások megkülönböztetése • Összeköttetés alapú esetben a kapcsolatok nyilvántartása. • Forgalomszabályozás (a lassú vevő védelme a gyors adótól). • Pufferelés (az esetleges újraküldések érdekében). • Összeomlás utáni helyreállítás Dr. Beinschróth József: Távközlési informatika II.

A szállítási réteg a hálózati rétegre épül

Jellemzői

6


• A szállítási réteg egy streamet kap a fölötte levő rétegtől és egy streamet ad vissza • Logikai csatornát biztosít a végpontok szoftver folyamatai (processzek) között. • Egyaránt lehet összeköttetés alapú és összeköttetés mentes kapcsolat. • Felhasználja a hálózati réteg által nyújtott szolgálatokat. • A szállítási entitás tipikusan az operációs rendszer részeként valósul meg. • Saját címzési rendszerrel rendelkezik (port). • Végpontok közötti adatszállítás • Nyalábolás • Egyetlen IP cím felhasználásával több alkalmazás is kommunikálhat • Korlátozott sávszélességű virtuális áramkörök esetén a sávszélességek összeadása Dr. Beinschróth József: Távközlési informatika II.

Szállítási szolgálati primitívek interfészt biztosítanak az alkalmazások számára

A primitívek jelentősége

•Primitívek: Meghívható parancsok. •Az alkalmazások szabványos primitívkészletet használhatnak. •A primitívek interfészt biztosítanak az alkalmazások számára. •Kódoláskor nem kell foglalkozni az alsóbb rétegek problémáival (hálózati technológia, megbízhatóság, címzések, stb.

7



Tipikus primitívek

Primitív

8

Jelentés

LISTEN

Várakozás kapcsolódásra (szerver)

CONNECT

Összeköttetés létrehozása

SEND

Adatküldés

RECEIVE

Várakozás adatok érkezésre

DISCONNECT

Összeköttetés bontási szándék



A gépeken belül az alkalmazásokat is címezni kell (1)

Port: alkalmazás cím (alkalmazás azonosító szám)

9


• TSAP (Transport Service Access Point), port. • 16 bites szám, az 1024 alatti számok fenntartottak – well-known portok. • A szerverek a well-known portokat használják • Well-known portok (RFC1700) pl.: • FTP 21 • Telnet 23 • SMTP 25 • HTTP 80 • POP3 110 • A kliens alkalmazások portja nem a well-known port! Az op. rendszer határozza meg, a konkrét érték kapcsolódik az alkalmazást megvalósító process PID-jéhez. • Válasz esetén az lesz a célport, amelyik a kérésben a forrásport volt. Dr. Beinschróth József: Távközlési informatika II.

A gépeken belül az alkalmazásokat is címezni kell (2)

Socket

10


• Konnektor, foglalat, csatlakozó, szolgálat elérési pont • Az alkalmazás (pl. web szerver vagy kliens) által létrehozott kommunikációs végpont, amelyet a szállítási entitás is ismer. • Az alkalmazás és a szállítási entitás írhat bele, ugyanúgy, mint egy fájlba. • Általánosított fájl abban az értelemben, hogy használat előtt meg kell nyitni, lehet bele írni, lehet belőle olvasni és a végén le kell zárni. A socket azonban nem tartalmaz adatokat, hanem az információ csere egyik végpontja. Amit egyik fél küld, a másik azt fogadhatja és viszont. • Jellemzői • Protokollcsalád (IPv4, IPv6, IPX) • Típus (TCP, UDP) • Protokoll (http, smtp…) • Címzése: IP cím + port cím Dr. Beinschróth József: Távközlési informatika II.

Az internet szállítási protokolljai

TCP

11

Protokollok

UDP


TCP

UDP

TCP (Transmission Control Protocol) A TCP jellemzői • Átvitelvezérlési protokoll (RFC793, RFC1122, RFC1323) • Megbízható összeköttetést biztosít (Connection Oriented Service) • Adatok sorszámozása • Adatok nyugtázása • Hibajavítás ismétléssel • Flow Control • Urgent Data (Adatok prioritásának kezelése) • A csomagokat sorrendhelyesen továbbítja megbízhatatlan összekapcsolt hálózaton • (Összekapcsolt hálózat • Az egyes részek topológiája, csomagmérete sávszélessége, késleltetése stb. egymástól jelentősen különböznek.) • Duplex, kétvégpontú kapcsolat (nem támogatja a többesküldést (multicast) és az adatszórást (broadcast)). • Robusztus, sokféle meghibásodással szemben nagymértékben ellenálló. • Az összeköttetés azonosítására (Connection Identifier) a Socket-et (IP Address+Port Number) használja.

12

Protokollok


A TCP az üzeneteket szegmensekre tördeli

TCP

UDP

A kapcsolat megvalósulása

• Mind a küldő, mind a fogadó létrehoz egy socketet és a socketek között összeköttetés valósul meg. • Maximálisan 64 KB-os darabokra tördeli az adatfolyamot, ami a felhasználói alkalmazás felől érkezik. Minden ilyen darabot külön IP- csomagban küld el. • A címzettnél a beérkező csomagokat az ottani TCP-entitás kapja meg, ami újra előállítja belőle azt a byte-folyamot, amit a küldő oldali alkalmazás állított elő. (A sorrendhelyesség biztosítása.) • Ellátja az időzítések kezelését és a datagramok újraküldését, ha az szükséges, mivel ez az IP-rétegnek nem feladata. 13

Protokollok


TCP

TCP összetett headert használ (1)

A TCP header

UDP

32 bit Forrásport

Célport Sorszám Nyugta

TCP fejrész hossz

6 bit fenntartott

U A R C G K

Ablakméret

P R S F S S Y I H T N N

Ellenőrző összeg

Sürgősségi mutató Opciók (0 vagy több 32 bites szó) Adatok (opcionális)

14

Protokollok


TCP

TCP összetett headert használ (2) Mező

Leírás

Forrásport

A forrás alkalmazás port címe

Célport

A cél alkalmazás port címe

Sorszám

A küldött szegmens sorszáma

Nyugta

A várt szegmens sorszáma

TCP fejrész hossz

Hány 32 bites szóból áll a fejrész?

URG (1bit)

URG=1: Érvényes sürgősségi mutató van.

ACK (1bit)

ACK=1: A szegmens nyugtát tartalmaz, a nyugta mező érvényes

PSH (1bit)

PSH=1: A vevő készüljön fel adatvételre (puffer felszabadítás)

RST (1bit)

RST=1: Probléma jelzése (pl. összeomlás)

SYN (1bit)

SYN=1: A kapcsolat létrehozásakor az adó-vevő Sequence Number és Acknowledgement Number mezőinek összeszinkronizálása. FIN=1: Összeköttetés bontása – nincs továbbítandó adat

FIN (1bit)

15

UDP

Protokollok


TCP összetett headert használ (3)

TCP

Mező

Leírás

Ablakméret

A vevőnél rendelkezésre álló buffer méretét jelzi, ezzel a Flow Control is megvalósul. (Ennyi Byte-ot hajlandó fogadni nyugta nélkül.) Bizonyos mezők ellenőrző összege (IP címek is – protokollhierarchia sértés!) A soron kívüli, sürgős adat helyének megadása (interrupt helyett). (pl. egy interaktív felhasználó egy távoli számítás megszakításához CTRL+C-t használ.) Opciók azonosítása. Pl.: A legnagyobb elfogadható TCP adatmező megadása. (alapértelmezés 536 Byte)

Ellenőrző összeg Sürgősségi mutató Opciók

UDP

Léteznek adatot nem tartalmazó szegmensek, nyugtázásra, vezérlésre használhatók.

16

Protokollok


A TCP megbízható összeköttetést valósít meg

A probléma: a hálózati réteg nem biztosít megbízható kapcsolatot – javítani kell 17

Protokollok

TCP

UDP

• Túlterhelt hálózat, az IP csomagok (amik a szegmenseket szállítják) és a nyugták késnek. • Az időtúllépések miatt újraküldések vannak. • A régi csomagok (mik a szegmenseket szállítják) egy idő után újra felbukkannak, csomagkettőzések jönnek létre. Kék hadsereg, fehér hadsereg Dr. Beinschróth József: Távközlési informatika II.

A megbízható összeköttetés megvalósítása: háromutas kézfogás (1)

TCP

UDP

Normál működés CR = CONNECTION REQUEST, CA = CONNECTION ACCEPTED 18

Protokollok



TCP

UDP

Régi kettőzött CR CR = CONNECTION REQUEST, CA = CONNECTION ACCEPTED 19

Protokollok



TCP

UDP

Régi kettőzött CR és CA CR = CONNECTION REQUEST, CA = CONNECTION ACCEPTED 20

Protokollok


A háromutas kézfogás az összeköttetés bontása során számos hibát kezel (1)

TCP

UDP

Az összeköttetés bontása Az aszimmetrikus bontás adat- vesztéssel járhat, az összeköttetés bontása után nincs adatfogadás.

CR = CONNECTION REQUEST CA = CONNECTION ACCEPTED DR = DISCONNECT REQUEST ACK = ACKNOWLEDGE

21

Protokollok



TCP

UDP

Normál működés

22

Protokollok



TCP

UDP

Az ACK elvész

23

Protokollok



TCP

UDP

A válasz elvész

24

Protokollok



TCP

UDP

A válasz és az utána következő DR elvész Telbisz Ferenc: Nagysebességű TCP protokollok http://videotorium.hu/hu/recordings/details/864,Nagysebessegu_TCP_protokollok 25

Protokollok


TCP

UDP

UDP (User Datagram Protocol)

Jellemzői

26

Protokollok

• Felhasználói datagram protokoll • RFC768 • Connectionless – nem megbízható, datagram service • Olyan alkalmazások használhatják, amelyek összeköttetés kiépítése nélkül kívánnak datagramokat küldeni. • Best Effort átvitel • Forgalomszabályozást, újraküldést, hibakezelést nem végez


TCP

Az UDP nem megbízható

UDP

Nem garantált a kézbesítés • Nem garantált, hogy az egyes csomagok egyáltalán megérkeznek a címzetthez. • Nem tördeli a csomagokat, mindössze egy fejléccel ellátva továbbítja őlet. • Meglehetősen alacsony átviteli költségekkel tud üzemelni, nincsenek nyugtázások, összehangolási paraméterek, elsőbbségi beállítások, sorszámok, újraküldési időzítők stb. • Általában adatszórásra, DNS lekérdezésre és real time adatok átvitelére alkalmazzák. • A kliens szerver kapcsolattokban gyakoriak a rövid kérdés – rövid válasz kapcsolatok • A nyugtáknak nincs értelme, mert, ha a kliens egy ideig nem kap választ, megismétli a kérdést. • Példa: DNS • Real time kapcsolatok (multimédia) • Az újraküldésnek nincs értelme, az elveszett csomagok a címzettnél interpolációval pótolhatók. • Példa: VoIP

27

Protokollok


TCP

UDP

Az UDP header

32 bit Forrásport

Célport

UDP szegmens hossza

UDP ellenőrző összeg*

*Ellenőrző összeg: Bizonyos mezők ellenőrző összege (IP címek is – protokollhierarchia sértés!)

28

Protokollok


NAT/PAT: címfordítás NAT (Network Address Translation), PAT (Port Address Translation): címfordítás a határfelületen

A címzési rendszer kidolgozásakor nem számítottak ennyi gépre – számuk egyre növekszik – kevés az IP cím! • 232 gép??? • (Bizonyos esetekben megoldás a dinamikus IP címkiosztás) • Az IPv6 hosszú távon végleges megoldást jelenthet. (IPv6 esetén nincs NAT.)

Biztonsági probléma: A szervezetek nem kívánják publikálni a gépeik IP konfigurációit, számát stb. 29

NAT/PAT


NAT: a hatékonyabb IP cím felhasználás és a biztonság növelése (1) Külső és belső IP címek: egy szervezet IP hálózata kívülről más címtartományban jelenik meg, mint amit belül valójában használ (rfc 1631, rfc 3022) A cégek tipikusan egy vagy csak néhány IP címet kapnak, ez(ek) látható(k) az internet felöl (globális, külső IP cím)

Cégen belül az egyes gépek egyedi IP címekkel rendelkeznek, de ezek az internet felöl nem láthatók (lokális, belső IP cím) A privát hálózat és az internet határán a belső címek lecserélődnek a cég külső IP címére (címeire)

30

NAT/PAT


NAT: a hatékonyabb IP cím felhasználás és a biztonság növelése (2) A címfordítást a NAT box végzi, ami gyakran egy egységet alkot a routerrel és a tűzfallal A címfordító router nem hirdeti a belső hálózatot kifelé, de a külső hálózatból jövő routing információt a szokásos módon hirdeti a belső hálózatban Ha a fordítás nem lehetséges (pl. betelt a táblázat), a NAT box eldobja a csomagot és egy ICMP „Host Unreachable” üzenetet küld a forrásnak Alkalmazási területek • A szolgáltató váltás egyszerűvé válik (nem szükséges minden gép IP címét átállítani) • Több gép érheti el az internetet, mint ahány IP címmel rendelkezik a szervezet • Terhelésmegosztás – virtuális szerver (pl. egy IP cím mögött több azonos tartalommal rendelkező web szerver van) 31

NAT/PAT


Milyen IP címek használhatók belső címként?

32

Címtartomány (rfc 1918)

Gépek maximális száma

10.0.0.0 -10.255.255.255/8

>16M host

172.16.0.0 – 172.31.155.255/12

>1M host

192.168.0.0 – 193.168.255.255/16

>65e host

NAT/PAT


NAT (Network Address Translation): Hogyan változnak az IP címek? Pl.: web szerver A határfelületen a lokális forráscímek globális forráscímre lesznek cserélve IP csomag IP csomag Lokális forrás

Globális cél Globális forrás

Lokális cél

Globális cél

Globális forrás

Globális forrás

IP csomag

Külső hálózat

Belső hálózat

Globális cél

IP csomag A határfelületen a globális célcímek lokális célcímre lesznek cserélve

A lokális és globális címek között egy-egy értelmű összerendelés van.

33

NAT/PAT


PAT: Sok belső és csak néhány külső IP cím

34

Eljárás küldéskor

• Amikor egy IP csomag elhagyja a hálózatot a belső IP címe le lesz cserélve külső IP címre (címfordítás) • A csomag TCP(UDP) headerében a forrás port is le lesz cserélve egy pointerre, amely egy táblázat egy bejegyzésére mutat • A táblázat a határfelülten levő eszközön tárolódik • (Az headerek control szummáit újraszámolják és az új értékkel helyettesítik) • A bejegyzés tartalmazza az eredeti (belső) IP címet és az eredeti forrás port értéket

Eljárás a válasz visszaérkezésekor

• A TCP (UDP) header cél port mezőjében pointer szerepel, az IP headerben pedig a külső IP cím • A táblázat és a pointer alapján külső IP cím le lesz cserélve a belső IP címre, a cél port pedig az eredeti forrás port értékre • (Az headerek control szummáit újraszámolják és az új értékkel helyettesítik) • A csomag a belső IP címnek megfelelően továbbításra kerül

NAT/PAT


A címfordítás történhet statikusan és dinamikusan • Egy-egy értelmű megfeleltetés a belső és külső címek között, ez esetben a csere nincs adminisztrálva a Statikus táblázatban (ha bizonyos gépeknek mindig azonos IP címfordítás címmel kell megjelenniük a külső hálózaton) • Tipikusan kívülről elérhető szerverek esetén

Dinamikus • A belső IP címekhez a külső IP címek egy címfordítás tartományából (pool) lesz külső IP cím rendelve

35

NAT/PAT


A NAT/PAT nem teljes mértékben követi az alapelveket, emiatt problémákat okozhat Az IP architektúrális modellje sérül • Minden IP cím egyértelmű módon kellene, hogy azonosítson egy gépet • A k-adik réteg nem tudhat semmit arról, hogy mi van a k+1-edik réteg headerében (pl. nem TCP vagy UDP kapcsolat, továbbfejlesztett TCP header stb.)

Összeköttetés nélküli kapcsolat alapelve nem teljesül • A NAT box a kapcsolatról információt tárol: a kapcsolatállapot nyilvántartási tulajdonság az összeköttetés alapú hálózatokat jellemzi • A NAT box kritikus elem: kiesésével a táblázat elvész, az egész TCP kapcsolat megszűnik

A forrás port tartománya (16bit) limitálja a táblázat méretét • A fenntartott első 4096 port miatt a táblázat maximális mérete 65535-4096 • Ennél több aktív session esetén több külső IP cím szükséges

Némelyik alkalmazással nem feltétlenül működik együtt • Szabványos FTP • H.323 Kadlecsik József: IPv6 csomagszűrés http://videotorium.hu/hu/recordings/details/773,IPv6_csomagszures 36

NAT/PAT


Ellenőrző kérdések 1. Melyek a szállítási réteg feladatai és jellemzői? 2. Jellemezze a TCP headert! 3. Jellemezze az UDP headert! 4. Miért szükséges háromutas kézfogás? 5. Miben különbözik egymástól a TCP és az UDP?

6. Mi a NAT? 7. Mit jelent a lokális és a globális cím?

+1: Írjon még öt ellenőrző kérdést 37


Teszt feladatok (1) 1. A szállítási réteg a hálózati architektúrából kihagyható, az alkalmazás megfelelő beállításával elérhető, hogy az alkalmazási réteg közvetlenül forduljon a hálózati réteghez._____ 2. A szállítási rétegben nincs szükség külön címzésekre, mert a címzések a hálózati rétegben megvalósulnak.______ 3. A TCP a Time Compenzation Puffer – arra utal, hogy a real-time alkalmazások esetén a jitter

okozta problémák pufferek alkalmazásával kezelhetők._____ 4. Az UDP a Uniform Data Package rövidítése. Arra utal, hogy az azonos szerkezetű csomagok továbbítása során nincs szükség hálózati rétegre – a szállítási réteg közvetlenül az adatkapcsolati réteghez kapcsolódik.____ 5. A well-known portokat oktatási/didaktikai célból különböztetik meg más portoktól.____ 6. Az OSI-ban nincs külön szállítási réteg, funkciói a hálózati rétegben valósulnak meg.____ 7. A megbízható adatátvitel azt jelenti, hogy nyugtázások valósulnak meg._____

8. A TCP-ben addig nem küldhető új szegmens, amíg az előzőről a nyugta meg nem érkezett.___

38


Teszt feladatok (2) 9. Az UDP-ben nem fordulhat elő újraküldés.___

10. Az UDP-ben legfeljebb egyszer lehetséges újraküldés.___ 11. Az UDP-ben alkalmazott háromutas kézfogás a robusztusságot biztosítja._____ 12. Az UDP protokoll alkalmazható real-time kapcsolatok esetén, mivel ekkor az újraküldés értelmetlen lenne.____ 13. A TCP headerben szereplő ablakméret azt jelenti, hogy hány szegmens küldhető el nyugta nélkül.____ 14. A TCP headerben levő TCP fejrész hossz mező a TCP és UDP header együttes hosszát adja

meg.___ 15. Az UDP általában a TCP-nél alacsonyabb átviteli költségeket eredményez._____ 16. A háromutas kézfogás az összes elveszett szegmens okozta hibát kezeli.____

39


Teszt feladatok (3) 17. A szállítási réteg javítja a hálózati réteg hibáit, mivel a hálózati réteg nem valósít meg megbízható kapcsolatot.

18. A szállítási entitás az alkalmazások (pl. web szerver) egyik összetevőjeként valósul meg.____ 19. Az UDP forgalomszabályozást, újraküldést, hibakezelést nem végez.______ 20. Tipikus hiba lehet, hogy a régi csomagok egy idő után újra felbukkannak, csomagkettőzések jönnek létre.___ 21. A háromutas kézfogás során gyakori, hogy időzítés miatt következik be egy újraküldés.____ 22. Az UDP HBR D-je azt arra utal, hogy a szállítás nem megbízható ugyanakkor biztosított a sorrendhelyes szállítás.

23. Az ábra azt fejezi ki, hogy a vivő (carrier CR) – modulálva lesz az adatjellel (CA), majd alapsávi adatátvitel valósul meg (ADAT)____

40


Teszt feladatok (4)

24. NAT-olás során minden IP cím megváltozik.______ 25. Szerverek esetén nem kerül sor címfordításra.______ 26. Ha címfordítás történik, a szállítási rétegbeli header megváltozik.______ 27. Címfordítás esetén az eredeti belső IP cím az IP header opciók mezőjébe kerül.____ 28. A NAT box tárolja az eredeti belső IP címeket._____

+1: Írjon még öt teszt kérdést


Feladat: Egészítsük ki az ábrát! (Töröljük a fölösleges(eke)t!) Tüntessük fel a timeoutot! s1 a1

Ablak=4 Timeout:100

s2 a2 S3 (elveszett) s_ a_ s_ a_ s_ a_ s_ a_

s_ a_

42

s_ Dr. Beinschróth József: Távközlési informatika II.

Feladat: Egészítsük ki az ábrát! (Töröljük a fölösleges(eke)t!) Tüntessük fel a timeoutot! s1

Timeout megáll

a1 s2 a2 S3 (elveszett) s4_ a2 s5_ a2 s6_

Ablak=4 (4=6-2)

a2 s_

Timeout:100 a_

Timeout lejár

s3_ a6

43

s7 Dr. Beinschróth József: Távközlési informatika II.

Távközlési informatika II

Recommend Documents