1. 7. lekcija Datortīkli dr. dat. Valdis Vītoliņš 2011. gada pavasaris
Pēc Scott Shenker Networks & Protocols

2. IP adresēšanas apkopojums IP pakešu pārsūtīšana Transporta slānis
Plāns
IP adresēšanas apkopojums
IP pakešu pārsūtīšana
Transporta slānis
Uzticama piegāde neieskaitot:
TCP detaļas
Sastrēgumu kontroli 2 2

3. IP adresēšanas apkopojums
32-bitu skaitlis nosaka saskarnes
Tiek izdalīts, nosakot tīkla adreses garumu (prefikss)
Nevienveidīga hierarhija nodrošina mērogojamību un elastību
Maršrutēšana tiek balstīta uz CIDR adresēm
Ir vairāki rezervēti apgabali
Adrešu apgabalus izdala sekojoši:
ICANN  RIR  ISP  lietotāja tīkls  mītne
Apskatīsim vēlāk
Kā mītnes iegūst adresi (DHCP)
Kā IP adresi piesaista tīkla saites adresei (ARP) 3 3

4. CIDR: hierarhiska adrešu izdalīšana
Adreses sākums (priedēklis) ir mērogošanas pamats
Adreses izdala nepārtrauktos apgabalos ar vienotu sākumu
Maršrutēšanas likumus veido šiem kopīgajiem apgabaliem
/17 /8
/15
/16
/16
/16 :
/22
/24
/23
/19
/19
/19
/30
/18 4 4

5. Hierarhiskā struktūra
Nodrošina ne tikai mērogojamību
Bet arī vienkāršu deleģēšanu un kontroli
ICANN  RIR  ISP  lietotāja tīkls  mītne
Mērogošana atkārtojas atkal un atkal (arī DNS, kas būs nākamajā lekcijā)
Mērogojamībā svarīga ir arī decentralizācija 5

6. Ļauj nosūtīt paketes uz vajadzīgo vietu
Kam izmanto adresi?
Ļauj nosūtīt paketes uz vajadzīgo vietu
Ir līdzeklis, lai sasniegtu mērķi
Bet nav mērķis
To veic ar pakāpenisku pakešu pārsūtīšanu
Ko tagad arī apskatīsim... 6

7. Pakešu pārsūtīšana 7 7

8. Katram maršrutētājam ir pārsūtīšanas tabula
Pakešu pārsūtīšana
Katram maršrutētājam ir pārsūtīšanas tabula
Salāgo mērķa adresi …
… ar izejošo saskarni (= saiti)
Pārsūtīšanas tabulu veido:
Maršrutēšanas algoritmi
Statiski likumi
Saņemot paketi
No paketes IP iesākuma uzzina mērķa adresi
Atrod to pārsūtīšanas tabulā
Pārsūta paketi uz atbilstošu saskarni 8 8

9. Ar klašu adresēm tas ir vienkārši Adreses vecākie biti nosaka masku
Maršrutēšanas tabula
Ar klašu adresēm tas ir vienkārši Adreses vecākie biti nosaka masku
A klase[0]: /8
B klase [10]: /16
C klase [110]: /24
Var atrast precīzu adreses atbilstību
prefiksa izmanto kā maršrutēšanas sarakstu
Kāpēc tas nestrādā ar CIDR?
Adrese nenosaka masku
CIDR adresēšana rada 2 problēmas
Atrast atbilstību nav triviāli
Adreses neatspoguļo tīkla topoloģiju 9

10. 1. piemērs: Piegādātājs ar 4 klientiem
Link 1
Link 4
/22
/24
/24
/23
Provider
Link 2
Link 3
Prefix
Link
/22
Link 1
/24
Link 2
/24
Link 3
/23
Link 4 10 10

11. Atbilstības atrašana
Katrai adresei ir tikai 1 atbilstība
Bet to nav viegli atrast
Piemēram:
Pirmie 21 biti atbilst 4 prefiksiem
Pirmie 22 biti atbilst 3 prefiksiem
Pirmie 23 biti atbilst 2 prefiksiem
Pirmie 24 biti atbilst tieši vienam prefiksam
000000−−
−−−−−−−
/22
−−−−−−−
/24
−−−−−−−
/24 −
−−−−−−−
/23 11

12. 2. piemērs: Klientu apvienošana
Prefix
Link
/21
Provider 1
/21
Provider 2
/21
/22
/24
/24
/23
Provider 2
/21
/22
/24
/24
/23
Provider 1 12 12

13. 3. piemērs: Sarežģījumi
Pārsūtīšanas tabulas paliek sarežģītas, kad adreses neataino tīkla topoloģiju
/21
/22
/24
/24
/23
Provider 2
/21
/22
/24
/24
/23
Provider 1 13 13

14. Unikālie prefiksi
Provider 1
000000−−
−−−−−−−
−−−−−−− −
−−−−−−−
−−−−−−−
Provider 2
−−−−−−−
000000−−
−−−−−−−
−−−−−−− −
−−−−−−− 14

15. Likumu vienkāršošana /21 masku izmanto vairumā gadījumu,
/24 masku izmanto izņēmumiem
/21
/22
/24
/24
/23
Provider 2
/21
/22
/24
/24
/23
Provider 1 15 15

16. Garākā prefiksa atrašana
Paketes mērķis:
Paketes mērķis:
Garākā prefiksa atrašana
Provider 1
00000−−−
−−−−−−−
/21
−−−−−−−
/24
Provider 2
00000−−−
−−−−−−−
/21
−−−−−−−
/24 16

17. Garākā prefiksa atrašana
CIDR adrešu maršruta atrašanu veic pēc garākā prefiksa (longest prefix meach – LPM)
Iepriekš nevar pateikt, kad beidzas tīkla adrese
Jāpārbauda bitu pa bitam
LPM samazina maršrutēšanas tabulu
Paātrina atrašanu
Samazina nepieciešamo atmiņas apjomu
Bet kā LPM strādā?
Un kā to paātrināt? 17

18. LPM pārsūtīšana Forwarding Table prefix outgoing link destination
destination /4 2
/17 1
/21 3
/23
201: : 7:
17:
192: 18 18

19. LPM pārsūtīšana Forwarding Table prefix outgoing link destination
destination /4 2
/17 1
/21 3
/23
201: : 7:
17:
192: 19 19

20. LPM pārsūtīšana Forwarding Table prefix outgoing link destination
destination /4 2
/17 1
/21 3
/23
201: : 7:
17:
4: :
128: 20 20

21. LPM pārsūtīšana Forwarding Table prefix outgoing link destination
destination /4 2
/17 1
/21 3
/23
201: : 7:
17:
201: : 0: 21 21

22. LPM pārsūtīšana Forwarding Table prefix outgoing link destination
destination /4 2
/17 1
/21 3
/23
201: : 7:
17:
201: : 6: 22 22

23. Algoritmiska problēma: kā to darīt ātri?
LPM pārsūtīšana
Forwarding Table
prefix
outgoing link
destination /4 2
/17 1
/21 3
/23
201: : 7:
17: 2
Algoritmiska problēma: kā to darīt ātri? 23 23

24. Pa vienam pārlasa visus maršrutēšanas likumus
Vienkāršs algoritms
Pa vienam pārlasa visus maršrutēšanas likumus
Pārbauda, vai adrese atbilst prefiksam
Atceras atrastā ieraksta garumu un izmanto visgarāko
Ja neatrod, izmanto noklusēto maršrutu
Darbietilpība ir lineāra no ierakstu skaita
Šodien maršrutētājiem var būt – ierakstu!
Bet atrašanas laiks ir nanosekundes
… jo tad tīklā pienāk nākamā pakete
Tāpēc nepieciešami efektīvāki algoritmi, kas atbilst līniju ātrumiem
Labāki algoritmi
Realizēti aparatūrā 24 24

25. Saglabā maršrutus kā koku
Adrešu koks
Saglabā maršrutus kā koku
Katrs adreses bits atbilst vienam koka līmenim
Dažās virsotnēs ir atļautie prefiksi
Kad pienāk pakete
Pārlūko koku atbilstoši mērķa adresei
Meklēšanas laiks: atkarībā no bitu skaita kokā 1
00* 0*
11*
100*
101* 25 25

26. Kā pārsūta mītne? Maršrutēšana ir vienkārša
Vai pakete ir paredzēta mītnei (piem., /32)
Nosūta mītnei
Vai pakete paredzēta lokālam tīklam (piem., /25)
Nosūta uz saskarni ar atbilstošu LAN adresi (ARP)
Ta vai tā ir lokāla adrese, nosaka pēc tīkla maskas (piem., )
Vai pakete ir ārējā tīkā
Nosūta paketi lokālai vārtejai
Piem., lokālā tīkla maršrutētājam vai Interneta piegādātājam
Kā šos likumus nosaka
Ar statisku adreses, tīkla maskas un vārtejas konfigurēšanu
Dinamiski ar Dynamic Host Configuration Protocol ( DHCP) 26 26

27. Kā tiek atrastas mītnes?
Kā pēdējais maršrutētājs atrod mītni?
Katrai saskarnei ir unikāls nemainīgs identifikators
MAC adrese (Media Access Control) - 2 slānis
Kas ir iešūts tīkla saskarnē (NIC)
Parast adrese ir plakana (nav hierarhiska)
Tiek izveidota adrešu atrises (resolution) tabulu
Salāgo MAC adresi ar IP adresi
Izmanto Address Resolution Protocol (ARP)
...
host
host
host
LAN
router 27 27

28. 5 min pauze
Jautājumi? 28 28

29. Transporta slānis 29 29

30. Saziņa starp procesiem (piem., ligzdām)
Transporta slāņa loma
Lietojumu slānis
Lietotņu saziņa
Piem., HyperText Transfer Protocol (HTTP), File Transfer Protocol (FTP), Network News Transfer Protocol (NNTP)
Transporta slānis
Saziņa starp procesiem (piem., ligzdām)
Balstās uz tīkla slāni; atbalsta lietojumu slāni
Piem., TCP un UDP
Tīkla slānis
Saziņa starp tīkla mezgliem
Noslēpj konkrēto saišu realizāciju
Piem., IP 30 30

31. logical end-end transport
Transporta protokoli
Nodrošina loģisko saziņu starp lietotņu procesiem, kas stādā dažādās mītnēs
Darbojas mītnēs
Sūtītājs: sadala lietotnes ziņojumus segmentos, un nodod tīkla slānim
Saņēmējs: apvieno segmentus ziņojumos, nodot lietotņu slānim
Ir izmantojami dažādi transporta protokoli
Internetā: TCP, UDP, ICMP (galvenokārt)
application
transport
network
data link
physical
logical end-end transport
network
data link
physical
network
data link
physical
network
data link
physical
network
data link
physical
network
data link
physical
application
transport
network
data link
physical 31 31

32. Interneta transporta protokoli
Datagrammu ziņojumu serviss (UDP)
Vienkāršs IP "labākā iespējamā" servisa paplašinājums
Multipleksēšana/demultipleksēšana starp procesiem
Uzticama, sakārtota piegāde (TCP)
Savienojuma izveide un izbeigšana
Salauzto pakešu izmešana
Pakešu pārsūtīšana
Plūsmas kontrole
Sastrēgumu kontrole
Ko nenodrošina
Kavējuma vai caurlaidspējas garantijas
Savienojumus, kas pārdzīvo IP adreses maiņu 32 32

33. 16b iesākuma kontrolsumma
versija
iesāk.
garums
8b servisa tips (TOS)
16b kopējais garums (B)
16b identifikācija 3b
Karogi
13b fragmenta nobīde
8b dzīves laiks (TTL)
8b protokols
16b iesākuma kontrolsumma
32b avota IP adrese
32b mērķa IP adrese
Opcijas (ja ir)
Vērtums 33

34. 4 5 Payload 16-bit Total Length (Bytes) 16-bit Identification
Type of Service
(TOS)
16-bit Total Length (Bytes)
3-bit
Flags
16-bit Identification
13-bit Fragment Offset
8-bit Time to
Live (TTL)
8-bit Protocol
16-bit Header Checksum
32-bit Source IP Address
32-bit Destination IP Address
Payload 34

35. 4 5 Payload 16-bit Total Length (Bytes) 16-bit Identification
Type of Service
(TOS)
16-bit Total Length (Bytes)
3-bit
Flags
16-bit Identification
13-bit Fragment Offset
8-bit Time to
Live (TTL)
6 = TCP 17 = UDP
16-bit Header Checksum
32-bit Source IP Address
32-bit Destination IP Address
Payload 35

36. 4 5 Payload 16-bit Total Length (Bytes) 16-bit Identification
Type of Service
(TOS)
16-bit Total Length (Bytes)
3-bit
Flags
16-bit Identification
13-bit Fragment Offset
8-bit Time to
Live (TTL)
6 = TCP 17 = UDP
16-bit Header Checksum
32-bit Source IP Address
32-bit Destination IP Address
16-bit Source Port
16-bit Destination Port
More transport header fields ….
Payload 36

37. Multipleksēšana un demultipleksēšana
Mītne saņem IP datagrammas
Katrai datagrammai ir avota un mērķa adreses,
Katrā datagrammā ir transporta slāņa segments
Katram segmentam ir avota un mērķa ports
Mītne izmanto IP adreses un portu numurus, lai aizvadītu segmentu uz noteiktu ligzdu
32 bits
source port #
dest port #
other header fields
application
data
(message)
TCP/UDP segment format 37 37

38. Porti Kā noteikt, kurai lietotnei pienākas kuras paketes?
Risinājums: katrai ligzdai nosaka portu Klientam ir jāzina servera ports
Atsevišķi 16-bitu porti UDP unTCP
(avota_IP, avota_ports, mērķa_IP, mērķa_ports) nosaka TCP savienojumu
Kā ar UDP?
Labi zināmie porti (0-1023): visi ir vienojušies, kas ir pievienots šiem portiem
piem., ssh:22,
Īslaicīgos portus ( ) izmanto klienti
Piem., pārlūkprogrammas, pļāpu lietotnes, vienranga tīkli 38 38

39. UDP: neuzticama ziņojumu nosūtīšana
Vienkāršs starpprocesu saziņas veids
Novērš garantētas nosūtīšanas papildu izmaksas
Nosūta un saņem ziņojumus ligzdā
User Datagram Protocol (UDP; RFC !)
IP un porta numurs nodrošina (de)multipleksēšanu
Iespējama pakešu satura kļūdu kontrole
(checksum field = 0 nozīmē “nepārbaudīt kontrolsummu”)
SRC port
DST port
checksum
length
DATA 39 39

40. Kāpēc kādam vajadzīgs UDP?
Precīzāka kontrole, kad un kā sūtīt datus
Tiklīdz process iesūta datus ligzdā
… UDP sagatavo un nosūta paketi
Nav savienojuma izveides aiztures
UDP vienkārši sūta datus bez jebkādiem priekšnoteikumiem
… kas novērš nevēlamas aiztures
Nav savienojuma stāvokļa
Nav nepieciešami buferi, kārtas skaitļi, taimeri …
… vienkāršāk apkalpot daudzus paralēlus klientus
Nelieli paketes datu virstēriņi
UDP iesākums ir tikai 8 baiti 40 40

41. Populāras lietotnes, kas izmanto UDP
Multivides straumēšana
Zaudēto/bojāto pakešu atkārtotai pārraidei nav jēgas, jo ir jau par vēlu
Piem., telefona zvani, video konferences, spēles
Jaunākie straumēšanas protokoli izmanto TCP (un HTTP)
Vienkāršu pakalpojumu protokoli, piemēram, Domain Name System
Savienojuma izveide dubultotu pakešu skaitu
Ja nepieciešams, vienkāršāk lietotnei pārsūtīt datus
“Address for bbc.co.uk?”
“ ” 41 41

42. Transmission Control Protocol (TCP)
Savienojumu orientēts
Tieša TCP savienojuma izveide un izbeigšana
Piedāvā uzticamu datu straumi
Nosūta un saņem baitu straumes, nevis ziņojumus
Sastrēgumu kontrole
Dinamiski pielāgojas tīkla caurlaidspējai
Uzticama, sakārtota piegāde
TCP pamatīgi strādā, lai nodrošināt uzticamu baitu straumi
Lai arī ir datu bojājumi un zudumi
Plūsmas kontrole
Nodrošina, ka sūtītājs nepārslogo saņēmēju 42 42

43. Uzticama piegāde Kā tā tiek nodrošināta?
Kā jūs sarunājaties trokšņainā telefona līnijā?
Pozitīvs apstiprinājums (“Ack”)
Saņēmējs tieši norāda, ka ir saņēmis
TCP apstiprinājumi ir kumulatīvi (“Esmu saņēmis visu līdz #N”)
Iespējams apstiprināt arī atsevišķus segmentus (“SACK”)
Negatīvs apstiprinājums (“Nack”)
“Neesmu saņēmis: …”
Kā saņēmējs zina, ka kaut ko nav saņēmis? Vai to vienmēr var noteikt?
(Izmanto TCP netieši izmantoto "ātro pārsūtīšanu") 43 43

44. Uzticama piegāde (turpinājums)
Noildze
Ja no saņēmēja ilgi nav ziņu, sūtīt vēlreiz
Problēma: cik ilgi gaidīt?
TCP izmanto novērtēto atbildes laiku (estimated RTT)
Problēma: ko darīt ja neapstiprina atkārtotu pārraidi?
TCP (u.c.) izmanto exponenciālo atkāpšanos (backoff)
Nākamo pārsūtīšanu veic pēc 2* ilgāka laik, līdz sasniedz maksimāli pieļauto
Samazina slodzi sastrēgumu laikā
Pavisam cits uzticamības nodrošināšanas veids: sūtīt pārpalicīgus datus
Telefona piemērs: “Tiksimies 14:00, atkārtoju, 14:00”
Vienkārša kļūdu kontrole
Zaudētos datus atgūst gandrīz momentā!
Bet: iespējams tikai noteiktā zudumu diapazonā
Un: tīklam rada papildu slodzi 44 44

45. TCP atbalsts garantētai piegādei
Kārtas numuri
Izmanto, lai noteiktu zudušos datus
... un lai saņemtos datus sakārtotu
Kontrolsummas
Izmanto, lai atklātu bojātos datus
… saņēmējs šādu paketi nomet
Ja netiek saņemta kļūda – atgriežas pie normālas pārraides
Pārsūtīšana
Sūtītājs pārsūta zudušos vai bojātos datus
Noildzi nosaka pēc aprites laika (RTT)
Ātrā pārsūtīšana straujai bojāto datu pārsūtīšanai 45 45

46. Veiktspējīgas uzticamības nodrošināšana46 46

47. Vienkāršs "atkārtot pārraidi" (ARQ)
Automatic Repeat Request
Saņēmējs nosūta apstiprinājumu (ACK), kad ir saņēmis paketi
Sūtītājs gaida ACK līdz iestājas noildze
Viekāršs ARQ protokols
Nosūti un gaidi
Nosūti paketi un gaidi apstiprinājumu
Sender
Receiver
Packet
ACK
Timeout
Time 47 47

48. Cik ātri darbojas "nosūti un gaidi"?
Pieņemam, ka sūtam no UCB uz Ņujorku:
Caurlaidspēja = 1 Mb/s (megabits/sek)
RTT = 100 msec
Maximum Transmission Unit (MTU) = 1500 B = 12,000 b
Nav citas slodzes un pakešu zudumu vai bojājumu
Kāds ir aptuvenais "nosūti un gaidi" datu apmaiņas ātrums?
Kas mainās, ja tīkla caurlaidspēja ir = 1 Gb/s? 48 48

49. Vairākas paketes lidojumā
“Lidojumā” = “Neapstiprinātas”
Sūtītāja problēma: cik daudz pakešu (baitu)?
Saņēmēja problēma: cik daudz buferēt datiem, kas ir “virs apstiprinātā”?
piem., datus nevar pārsūtīt, jo trūkst iepriekš sūtītie dati
Pieņem, ka serviss nodrošina sakārtotu piegādi (kā TCP) 49 49

50. Pieļauj lielus datu apjomus “lidojumā”
Slīdošais logs
Pieļauj lielus datu apjomus “lidojumā”
Ļauj sūtītājam skriet pa priekšu saņēmējam
… tomēr, ne pārāk tālu pa priekšu
Sending process
Receiving process
TCP
TCP
Last byte written
Last byte read
Receiver Window
Sender Window
Next byte needed
Last byte ACKed
Last byte received
Last byte can send 50 50

51. Slīdošais logs (turpinājums)
Sūtītājs un saņēmējs uztur logu, kurā tiek uzskaitīti dati, kas ir lidojumā, kurus sūtītājs ir nosūtījis, bet saņēmējs vēl nav saņēmis
Loga kreisā mala:
Sūtītājam: neapstiprināto datu sākums
Saņēmējam: nenosūtīto datu sākums
Sūtītājam:
Loga izmērs = datu lidojumā apjoms
Nosaka datu apmaiņas ātrums
Sūtītājam vajag vismaz tik lielu, vai nedaudz lielāku buferi
Saņēmējam:
Loga izmērs = maksimālais nesaņemto datu daudzums
Saņēmējam vajag vismaz šādā izmēra buferi 51 51

52. Kad sūtītājs saņem apstiprinājumu, logs virzās uz priekšu
Slīdošais logs
Kad sūtītājs saņem apstiprinājumu,
logs virzās uz priekšu
Sending process
TCP
Last byte written
Sender Window
Last byte ACKed
Last byte can send 52 52

53. Kad sūtītājs saņem apstiprinājumu, logs virzās uz priekšu
Slīdošais logs
Kad sūtītājs saņem apstiprinājumu,
logs virzās uz priekšu
Sending process
TCP
Last byte written
Sender Window
Last byte ACKed
Last byte can send 53 53

54. Saņēmējam logs virzās uz priekšu, kad sakārtotos datus savāc process
Slīdošais logs
Saņēmējam logs virzās uz priekšu, kad sakārtotos datus savāc process
Receiving process
TCP
Last byte read
Receiver Window
Next byte needed
Last byte received 54 54

55. Saņēmējam logs virzās uz priekšu, kad sakārtotos datus savāc process
Slīdošais logs
Saņēmējam logs virzās uz priekšu, kad sakārtotos datus savāc process
Receiving process
TCP
Last byte read
Next byte needed
Receiver Window
Last byte received 55 55

56. Slīdošais logs (turpinājums)
Sūtītāja: logs bīdās uz priekšu, kad saņem apstiprinājumu
Saņēmēja: logs virzās uz priekšu, kad process savāc datus
Kas notiek, ja sūtītāja logs izstiepjas garāks par saņēmēja logu?
Saņēmējs brīdina sūtītāju, kur beidzas saņēmēja logs (loga “labā mala”)
Sūtītājs piekrīt nepārkāpt šo robežu
Tas izveido savu logu tādu, lai tā mala nepārsniedz saņēmēja loga malu 56 56

57. Slīdošā loga veiktspēja
Tas pats UCB  Ņujorka
1 Mb/s ar 100 msec RTT
sūtītāja un saņēmēja logi = 100 Kb = 12.5 KB
Cik ātri var pārraidīt?
Kas notiek, ja ir 12.5 KB logs un 1 Gb/s tīkls?
Lai pilnībā izmantotu tīklu, logs ir:
Caurlaidspēja*aizture
1 Gb/s * 100 msec = 100 Mb = 12.5 MB
Piezīme: lieli logi = daudzas paketes lidojumā 57 57

58. Balstīta uz garāko atbilstošo prefiksu
Apkopojums
IP pakešu pārsūtīšana
Balstīta uz garāko atbilstošo prefiksu
Tīkla gala sistēmas (mītnes) izmanto tīkla masku, lai noteiktu, vai pakete pieder lokālajam tīklam (LAN)
... un šajā gadījumā tās sūta paketes pa tiešo, izmantojot ARP lai noteiktu MAC adresi
… ja pakete pieder citam tīklam
... tad paketi pārsūta lokālā tīkla vārtejai (maršrutētājam)
To iestata manuāli, vai arī dinamiski ar DHCP
Transporta protokoli
Multipleksēšana/demultipleksēšana notiek, izmantojot portu numurus
UDP nodrošina vienkāršu datagrammu servisu
TCP nodrošina uzticamu baitu straumi
Uzticamība uzreiz rada veiktspējas problēmas
Piem. "Pārtrauc un gaidi" un "Slīdošais logs" 58 58