Systemy Teleinformatyczne

w Transporcie Morskim

Joanna Szłapczyńska

Katedra Nawigacji, ZD Podstaw Informatyki i Sieci Komputerowych

Wykład 2

Page
2

Model TCP/IP a ISO/OSI

Schemat adresowania w TCP/IP

Protokoły TCP/IP

•

IP (v.4 i v.6)

•

ICMP

•

ARP

•

TCP

•

UDP

Wykład 2

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Page
3

Model ISO/OSI a TCP/IP

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Page
4

Encapsulacja w TCP/IP

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Page
5

Warstwa sieci / internetu jest 3-cią warstwą ISO/OSI w modelu

TCP/IP oferującą

• usługi bezpołączeniowe – każdy datagram jest obsługiwany

niezależnie

• usługi typu „best-effort” – brak gwarancji, że datagram wysłany za

pośrednictwem protokołu IP dotrze do celu (dbają o to warstwy
wyższe!)

• usługi routingu datagramów

• protokoły: IPv4, IPv6, ICMP

TCP/IP – warstwa sieci / internetu

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Page
6

Format datagramu IP v.4

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Teraz to „zróżnicowane usługi”

wykorzystywane w monitorowaniu QoS

Maksymalny rozmiar enkapsulowanych danych to 65

535 bajtów – 20/24 bajtów (nagłówek)

Długość nagłówka datagramu IP + danych

Monitoruje czas życia datagramu

(przeskoki między routerami)

ID protokołu transportowego w

sekcji danych (np. 0x06 dla TCP)

p

re

a

m

b

u

ła

a

d

re

s

y

o

p

c

je

d

a

n

e

n

a

g

łó

w

e

k

Page
7

Kolejność bitów

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

W sieciach TCP/IP wykorzystywany jest schemat Big Endian

Page
8

IP – Internet Protocol

IP v.4 address jest 32-bitową liczbą (4 oktety) zdefiniowaną w RFC 791

Adresowanie w sieciach TCP/IP

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Request For Comments (RFC) to memorandum opracowane przez

Internet Engineering Task Force (IETF) na temat systemów i standardów

w Internecie

Jeden bajt = osiem bitów = jeden oktet

32 bity (4 * 8 bitów) lub 4 bajty lub 4 oktety

Adres IP v.4 (notacja dziesiętna)

Page
9

MAC to adres wykorzystywany przez warstwę łącza danych

(2-ga warstwa OSI) przypisany fizycznemu urządzeniu
sieciowemu

np. 00-16-76-C8-63-C1

IP

to adres wykorzystywany w warstwie sieci (3-cia warstwa

OSI) przypisany logicznemu urządzeniu sieciowemu

np. 192.168.1.15

Jeden interfejs sieciowy (np. karta sieciowa) może mieć

przypisane

• dokładnie jeden adres fizyczny MAC

• jeden lub więcej adresów IP (np. w sieci LAN z dostępem do Internetu)

Adresy IP oraz MAC

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Page
10

Klasy adresów IP (IP v.4)

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Page
11

Adres IP (klasy A lub B) dzielony jest na wiele drobniejszych

podsieci (jeden adres IP może obsłużyć większą liczbę sieci ale o

mniejszej liczbie stacji/hostów w każdej w nich)

Maska podsieci to adres IP zdefiniowany następująco

• 1 oznaczają (maskują) sieciową (network prefix) część adresu

• 0 oznaczają część adresu z numerem stacji/hosta (host number)

255.255.255.240 => 11111111.11111111.11111111.11110000

Podsieci IP

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Adres sieci + podsieci

Host

Page
12

Classless Inter-Domain Routing (CIDR) jest sposobem tworzenia

wyższego adresu IP z ciągłej grupy adresów niższych

CIDR jest notacją prefiksową, w której slash (/) oddziela bazowy adres IP

od

liczby bitów części sieciowej, np. 156.17.4.32/28

W dostępnej puli adresów hostów adresy: pierwszy (sieć) i ostatni

(rozgłoszeniowy) są z góry zarezerwowane

• dla notacji: xx.xx.xx.xx / k mamy faktycznie dostępne 2

(32 – k)

-2 adresów hostów

Przykład: adres w notacji CIDR:

156.17.4.32/28

maska:

225.225.225.240

adres sieci:

156.17.4.32

adres rozgłoszeniowy:

156.17.4.47

dostępne adresy hostów:

156.17.4.33 – 156.17.4.46

(14 adresów)

CIDR

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

32 dec = 100000 bin

32 -> 0010

0000

47 -> 0010

1111

Page
13

Adresy prywatne wykorzystywane są w sieciach LAN – pakiety

z tymi adresami nigdy nie będą transferowane do sieci
publicznej

• 10.0.0.0/8 (klasa A)

• 172.16.0.0/12 (klasa B)

• 192.168.0.0/16 (klasa C)

Pętla sprzężenia zwrotnego (127.0.0.1 = localhost) –

specjalny adres IP zdefiniowany jako adres wskazujący na
samego siebie (ten sam interfejs sieciowy)

Adresy prywatne IP i pętla sprzężenia zwrotnego

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Page
14

IP v.6 posiada rozszerzoną przestrzeń adresową (adres 128-bitowy

zamiast 32-bitowego w IP v.4), notacja szesnastkowa:

1234:5678:9ABC:DEF0:0000:0000:0000:0123

notacja uproszczona:

1234:5678:9ABC:DEF0:0:0:0:123

1234:5678:9ABC:DEF0::123

IP v.6 – podstawowe nowe właściwości

• bezstanowa autokonfiguracja adresu – ułatwia przypisywanie adresów na

podstawie unikatowych numerów MAC

• standaryzowany rozmiar maski - 64 bitów

• wbudowane mechanizmy zapewniające bezpieczeństwo (obowiązkowy

IPsec)

IP v.6

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

1 bajt = 8 bitów

Page
15

Internet Control Message Protocol (ICMP) jest jednym z

podstawowych protokołów sygnalizacyjnych warstwy sieci,
transportowanych przez pakiety IP

ICMP jest protokołem monitorowania sieci wykorzystywanym

zazwyczaj do sprawdzania obecności danego adresu IP w sieci

Nagłówek ICMP rozpoczyna się zaraz po nagłówku IP

ICMP

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

np. ECHO Request

lub ECHO Reply

Page
16

Address Resolution Protocol (ARP) – protokół TCP/IP służący do

konwersji adresów IP na adresy fizyczne MAC

ARP / RARP

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

IP v.4: 153.19.114.89

=>

MAC: 00-16-76-C8-63-C1

Kody operacji:

1 – żądanie MAC
2 – odpowiedź MAC
3 – żądanie IP (RARP)
4 – odpowiedź IP (RARP)

Page
17

Reverse Address Resolution Protocol (RARP) – protokół TCP/IP

odwrotny do ARP, konwertuje adresy MAC na adresy IP

RARP korzysta z tych samych pakietów do ARP z kodami operacji 3 i 4

Każdy węzeł lokalny (host, router, itd.) utrzymuje swoją tablicę ARP z

mappingiem IP<-> MAC aby zminimalizować komunikację

ARP / RARP

ARP oraz RARP są protokołami umieszczonymi na pograniczu warstw

łącza danych oraz sieci

ARP / RARP

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

MAC: 00-16-76-C8-63-C1

=>

IP v.4: 153.19.114.89

Page
18

W sieciach TCP/IP warstwa transportowa oferuje dwie usługi typu

end-to-end w ramach protokołów

• Transport Communication Protocol (

TCP) – zorientowany połączeniowo &

niezawodny

• User Datagram Protocol (

UDP) – bezpołączeniowy & zawodny (typu „best-

effort”)

W warstwie transportowej logiczna komunikacja pomiędzy

procesami aplikacji wykorzystywana jest przez najwyższą warstwę
(aplikacji)

Gniazdo sieciowe jest elementem wprowadzającym multipleksację /

demultipleksację statystyczną do procesu komunikacji (za
pośrednictwem portów)

TCP/IP – warstwa transportowa

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Page
19

Multipleksacja / demultipleksacja statystyczna

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Page
20

Gniazdo sieciowe definiuje połączenie transportowe i zawiera

• typ protokołu transportowego (TCP lub UDP)

• lokalny (źródłowy) adres IP oraz numer portu

• zdalny (docelowy) adres IP oraz numer portu

Port

• identyfikator procesu lub aplikacji służący jako punkt odniesienia w

procesie komunikacji sieciowej

• 16-bitowa liczba całkowita (0 – 65 535)

Numery portów w zakresie od 0 do 1023 są przypisane na stałe

do pewnych znanych typów aplikacji i stanowią tzw.

ogólnie

znane porty (well-known ports)

Gniazdo sieciowe

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Page
21

Zazwyczaj procesy nasłuchują na ogólnie znanych portach, a kiedy

aplikacja kliencka przysyła żądanie połączenia, jest ono ustanawiane z
wykorzystaniem innego, prywatnego (>1024) numeru portu (aby umożliwić
innym klientom na połączenie z danym ogólnie znanym portem)

Ogólnie znane porty (well-known ports)

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Page
22

Protokół TCP (Transport Communication Protocol) zapewnia niezawodną

i uporządkowaną transmisję strumienia danych pomiędzy końcowymi
procesami aplikacji

Obecnie większość transmisji w sieci Internet oraz sieciach LAN

wykorzystuje protokół

TCP

Proces transmisji TCP dzieli się na fazy

• ustanawianie połączenia - inicjalizacja połączenia przez powitanie 3-etapowe

• transfer danych – właściwy transfer danych

• zamknięcie połączenia – rozłączanie (zamykanie połączenia) i zwolnienie

zaalokowanych wcześniej zasobów

Wymiana danych w protokole TCP polega na wysyłaniu i odbieraniu

potwierdzeń (ACK) -> dane odebrano i są prawidłowe

Protokół TCP (Transport Communication Protocol)

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Page
23

Ustanawianie połączenia TCP: powitanie 3-etapowe

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

SN=100 flaga SYN

SN=300 AN=101
flagi SYN ACK

SN=101 AN=301
flaga ACK

Page
24

Drogi Panie Serwer,

Cieszę się, że chce Pan podjąć
współpracę. Oczekuję od Pana
danych numerowanych począwszy
od 10 012. Zamierzam transferować
dane bez dalszych opóźnień.

Z poważaniem
Jan Klient

Ustanawiane połączenia TCP: przykład 1

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Klient

193.12.33.23

Serwer

194.11.13.123

Drogi Panie Serwer,

Chciałbym ustanowić połączenie z Panem
aby przesłać Panu pewne dane do dalszego
przetwarzania na porcie nr 25. Moje dane
będą numerowane począwszy od 55 367 –
przykro mi z powodu tej dziwnej
numeracji, szkoda, że nie mogę zacząć po
prostu od 1!

W oczekiwaniu na Pan odpowiedź,
Jan Klient

Drogi Panie Klient,

Dziękuję za list i ofertę połączenia,
którą akceptuję z przyjemnością.
Biorąc pod uwagę ten w istocie
dziwny system numeracji
rozpocznę transfer od 10 011. Na
podstawie Pańskiego listu
wnioskuję, że Pan będzie
numerował swoje dalsze przesyłki
począwszy od 55 368.

Z poważaniem
Paweł Serwer

Page
25

Pakiet (segment) TCP

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Flagi:

CWR – (Congestion Window Reduced) flaga potwierdzająca odebranie powiadomienia przez
nadawcę, umożliwia odbiorcy zaprzestanie wysyłania echa.
ECE – (ECN-Echo) flaga ustawiana przez odbiorcę w momencie otrzymania pakietu z ustawioną
flagą CE
URG – informuje o istotności pola "Priorytet"
ACK – informuje o istotności pola "Numer potwierdzenia"
PSH – wymusza przesłanie pakietu
RST – resetuje połączenie (wymagane ponowne uzgodnienie sekwencji)
SYN – synchronizuje kolejne numery sekwencyjne
FIN – oznacza zakończenie przekazu danych

ISS1 lub SN

ISS2 lub AN

Page
26

Ustanawiane połączenia TCP: przykład 2

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

SN

X

= 6545666,

SYN(SN

X

)=1,

ACK(?)=0

SN

Y

= 1545088,

AN

Y

= 6545667,

SYN(SN

Y

) =1, ACK(AN

Y

)=1

AN

X

= 1545089

ACK(AN

X

) =1

Klient: inicjalizacja

połączenia

SN=ISN

X

(np. 6545666)

Serwer:

SN=ISN

Y

(np. 1545088)

Page
27

Transfer danych w TCP

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Uporządkowany transfer danych- host docelowy porządkuje

przychodzące pakiety zgodnie z numerem sekwencyjnym

Retransmisja zagubionych pakietów – każdy skumulowany oraz

niepotwierdzony strumień danych jest retransmitowany

Transfer bez przekłamań zapewniany jest przez sumy kontrolne CRC

Kontrola przepływu – ograniczanie prędkości nadawania danych w

celu zagwarantowania niezawodnego dostarczenia danych. Odbiorca
musi na bieżąco informować nadawcę jak dużo danych może jeszcze
odebrać (sterowanie ze pomocą

przesuwnego okna). Kiedy bufory

odbiorcze są przepełnione, najbliższe potwierdzenie zawiera rozmiar
okna = 0 aby zatrzymać dalszy transfer na czas przetwarzania danych z
bufora.

Kontrola przeciążeń– za pomocą sterowania rozmiarem okna

przesuwnego

Page
28

Mechanizm przesuwnego okna w TCP (1)

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Mechanizm przesuwnego okna w TCP jest implementacją protokołu

Go-Back-N Automatic Repeat reQuest (GBK-N ARQ)

W protokole GBK-N ARQ proces wysyłania trwa tak długo dopóki

wysłana zostanie bez oczekiwania na natychmiastowe
potwierdzenie liczba pakietów o wielkości zgodnej z rozmiarem
okna N (podanego w bajtach)

Proces odbiorczy śledzi numery sekwencyjne nadchodzących

pakietów. Po nadejściu pakietu którego się spodziewa odbiorca
wysyła potwierdzenie (ACK) wraz z tym numerem

Page
29

Mechanizm przesuwnego okna w TCP (2)

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Odbiorca ignoruje pakiety przychodzące z innym numerem

sekwencyjnym niż też oczekiwany (o 1 większy od ostatnio odebranego)
niezależnie czy jest to

• „stary” pakiet już dawno potwierdzony który dopiero dotarł

• „przyszły” pakiet wobec pakietu oczekiwanego

Kiedy nadawca wyśle wszystkie pakiety ze swojego okna ustala które z

wysłanych pakietów zostały już potwierdzone i ustawia nowy początek
okna na pakiecie następującym po tym ostatnio potwierdzonym.
Nadawca kontynuuje wysyłanie dalszych pakietów w ramach okna i
powtarza cały proces po ponownym wypełnieniu się okna

Page
30

Faza połączenia TCP : ustawianie rozmiaru okna

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Klient

193.12.33.23

Serwer

194.11.13.123

Szanowny Panie Serwerze,

Chciałbym ustanowić połączenie z Panem
….

W oczekiwaniu na Pan odpowiedź,
Jan Klient

Szanowny Panie Serwerze,

Niestety ostatnio nie czuję się zbyt
dobrze, dlatego bez potwierdzenia
mogę przyjąć od Pana jedynie
2 000 bajtów. Poinformuję Pana jeśli
coś w tej kwestii ulegnie zmianie,
jednakże proszę nie oczekiwać ode
mnie więcej niż zadeklarowałem.

Z poważaniem
Jan Klient

Szanowny Panie Kliencie,

Chciałbym Pana poinformować, że
śmiało może mi Pan przesyłać aż
do 20 000 bajtów danych bez
potwierdzenia. W kolejnych listach
będę Pana informował o zmianach.

Z poważaniem
Paweł Serwer

Page
31

Rozmiar okna N odzwierciedla zdolności odbiorcze oraz rozmiary buforów

odbiorczych

W momencie gdy rozmiar N jest zadeklarowany nadawca może z dowolną

prędkością nadać pakiety nie przekraczające rozmiaru okna

Przeciążenie następuje wtedy gdy połączenie lub węzeł muszą przenieść

tak wiele danych, że powoduje to obniżenie jakości świadczonych przez
nie usług. W związku z tym wprowadzono dodatkowy rozmiar okna dla
przeciążeń C (okno przeciążenia)

Liczba wysłanych bajtow – Liczba potwier. bajtów <= min {N, C}

Rozmiar okna C powinien oddawać obecną sytuację w sieci i być

resetowany w przypadku wystąpienia przeciążenia

• w przypadku przeciążenia gdy gubione są pakiety (a wysyłane są pakiety

zadławienia – choke packets) rozmiar okna powinien być zmniejszony o połowę
a opóźnienie retransmisji znacząco wydłużone

Zmiana rozmiaru okna

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Page
32

Kontrola przeciążeń

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

W celu unikania przeciążeń w TCP wykorzystywane są następujące

mechanizmy

• zmiana rozmiaru przesuwnego okna (okno przeciążenia C)

• pakiety zadławienia (choke packets) wysyłane przez routery, informujące

nadawców o występującym przeciążeniu dla danego kierunku transmisji

• mechanizm powolnego startu – rozmiar okna przeciążenia C jest początkowo

ustawiany na małą wartość a później w szybkim tempie zwiększany aż do
osiągnięcia pożądanej wartości docelowej oraz umożliwienia przyspieszenia
transmisji

Page
33

Przesuwne okno i powolny start - symulacja

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

http://www.osischool.com/protocol/Tcp/slidingWindow/index.php

Page
34

Szanowny Panie Kliencie,

Dziękuję za list oraz ofertę
połączenia, lecz niestety nie mogę
jej przyjąć. Nasz pracownik
pracujący w pokoju nr 25 (port 25)
ma w tej chwili wolne. W związku w
tym proszę spróbować później.

Z wyrazami szacunku
Paweł Serwer

Odrzucenie połączenia TCP (1)

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Serwer

194.11.13.123

Klient

193.12.33.23

Szanowny Panie Serwerze,

Chciałbym ustanowić połączenie z Panem
aby przesłać Panu pewne dane do dalszego
przetwarzania na porcie nr 25. Moje dane
będą numerowane począwszy od 55 367 –
przykro mi z powodu tej dziwnej
numeracji, szkoda, że nie mogę zacząć po
prostu od 1!

W oczekiwaniu na Pan odpowiedź,
Jan Klient

Page
35

Odrzucenie połączenia TCP (2)

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

SYN(ISN

X

)=1,

ACK(?)=0

RST=1

X

Y

X

Y

Klient

193.12.33.23

Serwer

194.11.13.123

Page
36

Zamknięcie połączenia TCP

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Page
37

User Datagram Protocol (UDP) jest bezpołączeniowym typu „best

effort” protokołem transportowym w sieciach TCP/IP

Żadne dodatkowe pola ani flagi nie są wymagane dla porządkowania

pakietów oraz zapewnienia niezawodności transmisji -> stąd krótszy
nagłówek niż w TCP

Brak ścisłego nadzoru nad procedurami transmisji czynią ten protokół

bardzo szybkim, lecz dostarczającym usługi które mogą być zawodne

UDP jest wykorzystywany przez np.

• Domain Name System (DNS)

• aplikacje strumieniowego dostępu do mediów (IPTV)

• VoIP

• gry online

UDP

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim

Page
38

Pakiet UDP

Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim