Přednáška č - fei.doevil.czZS] IPS1 - Site 1/Prednasky/ips1 09... · ATM (Classical IP over...

Přednáška č.9

Role transportní vrstvy Druhy transportních protokolů

TCP protokol Porty & sokety TCP segmentace

TCP proces komunikace Zahlcení sítě UDP protokol

QoS DCCP SCTP

Josef J. Horálek, Soňa Neradová IPS1 - Přednáška č.9

Hlavním úkolem transportní vrstvy je realizovat spojení mezi dvěma klienty v síti

Zprostředkovává spojení mezi nižšími vrstvami a aplikační vrstvou

Transportní vrstva umožňuje jednotlivým programům vznášet nároky na zajištění regulace, spolehlivosti a dalších potřeb vznikajících při realizaci přenosu


Role IP a Transportní vrstvy

IP vrstva využívá nespojované a nespolehlivé komunikaceo neumožňuje řešit specifické potřeby jednotlivých

aplikací

o nerozlišuje mezi službami jednotlivých klientů

o na jednom serveru může běžet více služeb (jedné IP adrese je třeba konkrétně doručit a zařadit jednotlivé služby)

Transportní vrstva rozděluje bytový tok do jednotlivých částí (segmentů)

Samotná realizace výše uvedených úkolů je zajištěna transportními protokoly


Transportních protokolů existuje větší množství, rozdílné jsou zejména díky charakteristice služeb, pro které jsou vhodné

Charakteristika služeb

◦ Spojovaná služba - spojení – přenos – konec

◦ Nespojovaná služba – spojení se nezřizuje

◦ Potvrzovaná služba – spolehlivá

◦ Nepotvrzovaná služba – nespolehlivá


Nejznámější zástupci transportních protokolů

◦ TCP – funguje spojově a spolehlivě, pozměňuje původní vlastnosti IP protokolu (vhodné pro typ služeb vyžadující vysokou spolehlivost přenosu)

◦ UDP – funguje nespojově a nespolehlivě (vhodné pro datově náročné přenosy s tolerancí nespolehlivosti)

◦ Další možné protokoly RTP, RTCP, SCTP, RTSP, RVSP,DCCP – zajišťující obvykle specifické požadavky aplikací na přenos v reálném čase (multimédia, videokonference, VoIP...)


TCP (Transmision Control Protocol) zajišťuje komunikaci spojovým a spolehlivým způsobem mezi dvěma konkrétními klienty v síti

V rámci komunikačního procesu je vytvořen (emulován) plně duplexní virtuální okruh po dobu spojení

Integrita dat je zabezpečena kontrolním součtem (neposkytuje však ochranu proti hackingu)

TCP protokol využívá potvrzování zprav při přenosu a předchází zahlcení počítačové sítě

Cílová aplikace je určena IP adresou, transportním protokolem a číslem portu


Základní jednotkou přenosu je TCP segment (TCP paket) podmíněný vazbou na nižší síťové vrstvy

o aplikace potřebuje přenést např. 700 MB = běžný počítačový film

o soubor je rozdělen do jednotlivých segmentů, které by měly korespondovat s velikostí linkového rámce (MTU)

o data TCP jsou segmentována a vložena do jednotlivých IP datagramů

o pokud je vytvořen příliš velký IP datagram, je nutné jej fragmentovat (viz. předchozí přednášky)

o nutná fragmentace však zpomaluje komunikační proces

o IP datagram je následně vložen například do ethernetovéhorámce

o po přenosu příjemce provede obrácený proces


Fyzická vrstva má omezení velikosti přenášených dat dle standardů:

Ethernet (Ethernet II encapsulation) 1500

Ethernet (IEEE 802.3 SNAP encapsulation) 1492

FDDI 4352

X.251 600

Frame Relay 1600

ATM (Classical IP over ATM) 9180

Minimum MTU 576


TCP segment rozděluje datový proud na jednotlivé segmenty

Maximální velikost TCP segment je 65535 bajtů –mínus velikost záhlaví (obvykle 20 bajtů)

Jednou z nejdůležitější informací obsaženou v segmentu je číslo portu zdrojového a cílového počítače je informace o zdrojové a cílovém portu

Záhlaví segmentu obsahuje následující položky


Zdrojový port a cílový port – jednoznačná definice číslo zdroje a cíle během vysílání na úrovni transportní vrstvy

Pořadové číslo odesílaného bajtu – je pořadové číslo prvního bajtu TCP segmentu v datovém toku od odesílatele k příjemci (nese bajty od pořadového čísla odesílaného bajtu až do délky segmentu)

Pořadové číslo přijímaného bajtu – vyjadřuje číslo následujícího bajtu, který je příjemce připraven přijmout (potvrzení přijetí bajtů až do pořadového čísla přijatého bajtu mínus jedna)


Délku záhlaví – stejné jako u IP záhlaví 32 bitů (viz. předchozí přednášky)

Délku okna – vyjadřuje přírůstek pořadového čísla přijatého bajtu, který bude příjemcem ještě akceptován (zajišťuje ochranu před zahlcením sítě)

Ukazatel naléhavých dat – ukazuje na úsek naléhavých dat (přednostní zpracování pro naléhavá data využívá např. TELNET)

Volitelné složky TCP záhlaví

Kontrolní součet je počítán



Skupina Rozsah

Známé porty 0 - 1023

Registrované 1024 - 49151

Dynamické 49152 - 65535

Služby protokolu TCP

Port Služba

20 FTP

21 FTP

23 Telnet

22 SSH

25 SMTP

53 DNS

80 HTTP

110 POP3

123 NTP

143 IMAP 4

220 IMAP 3

443 HTTPS

990 FTPS

993 IMAPS

995 POP3S

1863 MSN Messenger

5190 ICQ

Služby protokolu UDP

Port Služba

53 DNS

69 TFTP

137 NetBIOS

161 SNMP

520 RIP

2840 Windows Messenger

známá čísla portů – přiděluje

organizace IANA


Nejpoužívanější komunikační architekturou je klient – server – na tuto architekturu ve vztahu k TCP se zaměřuje další výklad

Protokol TCP využívá k transportu dat protokol IP –nad tímto protokolem zřizuje spojovanou službu a řeší následující problematiku

o navazování spojení

o ukončení spojení

o potvrzování přijatých dat

o vyžádání ztracených dat

o problémy průchodnosti přenosové cesty


Komunikační prostředí je definováno v API každého operačního systému

o umožňuje definovat styl práce s porty

o realizovat proces komunikace jednotlivým aplikacím

o konkrétní proces komunikace a styl práce s porty v počítačové síti může být realizován například

o soketovým rozhráním – socket vznikl jako abstrakce souboru v BSD Unixu (Winsock)

o sdílení XML dat – které se díky své univerzálnosti a jednoduchosti poslední dobou prosazuje


Pro vlastní proces komunikace je důležitá součást TCP segmentu:

o URG – TCP segment nese naléhavá data

o ACK – TCP segment má platné pořadové číslo přijatého bajtu

o PSH – TCP segment nese aplikační data

o RST – odmítnutí spojení

o SYN – odesílatel začíná s novou sekvencí číslování, TCP-segment nese pořadové číslo prvního odesílaného bajtu

o FIN – odesílatel ukončil odesílání

Výměny TCP segmentů (handshaking) – mezi oběma konci vytváří komunikační základnu, na které je postaveno komunikační rozhrání aplikační vrstvy (včetně soketového)


V každém okamžiku je spojení v nějakém stavu –při navazování spojení

o server ve stavu:

o LISTEN - server je připraven na spojení s klienty

o SYN_RCVD – server přijal od klienta první TCP segment –segment s příznakem SYN

o klient ve stavu:

o SYN_SEND – klient odeslal první segment se SYN

o navázaní spojení ESTABLISHED – v tomto stavu mohou oba konce současně přenášet data (duplexní spoj)



Součástí seg. může být volitelná položka záhlaví –MSS (Maximum segment size)

o položka oznamuje druhé straně max. délku datové části TCP segmentu, jakou si přeje přijímat

o volba MSS se může vyskytovat pouze v TCP segmentech s nastaveným SYN (první dva segmenty)

o implicitně je MSS = 536 bajtů (použitelné pro spojení mimo lokální síť – WAN)

o pro Ethernet II je max. délka datové části rámce = 1500 (1500 – 20 pro IP-záhlaví – 20 pro TCP záhlaví = 1460)

SERVER – KLIENT (druhý segment)

o již potvrzuje přijatá data – nastaven příznak ACK

o od segmentu (2) budou již všechny segmenty potvrzovat přijatá data – bude nastaven příznak ACK


KLIENT – SERVER (třetí segment)

◦ potvrzuje příznak SYN

◦ další segmenty již nemohou nést volitelnou položku záhlaví MSS

◦ končí navazovaní spojení

◦ Protokol TCP navazuje spojení třífázovým handshakingem

KLIENT-SERVER-KLIENT... (čtvrtý a pátý segment)

◦ po obdržení ACK od druhé strany je možné začít s vysíláním dat

◦ jedná se o duplexní spoj

◦ segment, který nese aplikační data má nastaven příznak PSH

◦ segment s nastaveným ACK a PSH (.AP...) nese aplikační data a potvrzuje příjem dat od druhé strany

◦ segment s pouze ACK (.A....) pouze potvrzuje příjem dat


Ukončení spojení může provést libovolná strana

Spojení ukončuje TCP segment s příznakem FIN

◦ provádí tzv. aktivní ukončení spojení (active close)

◦ druhá strana je nucena provést tzv. pasivní ukončení (pasive close)

Šestý segment aktivuje uzavření spojení nastavením FIN

Sedmý segment potvrzuje uzavření spojení – zahájeno polouzavřené spojení – half duplex

Strana, která aktivně spojení uzavřela, již nemůže poslat data

◦ většinou sedmý segment obsahuje také příznak FIN a spojení uzavře i druhá strana

◦ strana, která zatím neposlala FIN, může v přenosu dat pokračovat (half duplex) – polouzavřené spojení


osmý segment uzavírá spojení i druhá strana (.A...F)

devátý segment potvrzuje uzavření spojení (.A....)

Spojení se odmítá nastavením příznaku RST (Reset) v záhlaví TCP segmentu◦ klient požaduje spojení na portu, na kterém neběží žádný

server

◦ je odmítnuto pokračovat v již navázaném spojení

aplikace chce ihned po odeslání ukončit spojení (nechce vyčkávat ve stavu TIME_WAIT)

jedna ze dvou stran zjistí, že protějšek je nedůvěryhodný, pak okamžitě ukončí spojení (použití protokolu SSL)



Výpis všech spojení protokoly TCP a UDP lze získat pomocí příkazu netstat (práce s příkazem je součástí cvičení)

Technika zpoždění odpovědí je jedna z možností, jak snížit zahlcení sítě

Typické interaktivní aplikace, respektive protokoly vyžadují rychlou a nepřetržitou odezvu mezi klientem a serverem


Původně definovaná architektura by však pro jakoukoliv sebemenší interakci musela vystavit segment potvrzení◦ operační systém spustí pro tento účel hodiny zpravidla s tikem

200 ms◦ délka tiku musí být pod 500 ms◦ po každém tiku systém zkontroluje, zdali není něco k odeslání◦ pokud je třeba něco odeslat, pak vše odešle najednou

Pro aplikace přenášející velké objemy dat technika zpoždění dat nemá smysl

Existují další inteligentní techniky zvyšující dále efektivitu komunikace interaktivní aplikací (Nagleůvalgoritmus)


Okna definují maximální možnou délku dat, které je možné odeslat bez potvrzení

Okna a velikost segmentu MSS jsou definována a inzerována před zahájením přenosu


Jestliže server není schopen přijímat data◦ potvrdí přijaté byty◦ nastaví velikost okna rovno nule – zamezí dalšímu

zahlcování◦ poté, co je schopen dalšího přijmutí dat, okno otevře

(nastaví menší velikost okna)

V případě odesílání velkého množství dat je tedy možné zvýšit velikost okna dle potřeby (využitím volitelných položek až do cca 1 GB)


Cílem však je přenášet s maximální velikostí okna nezpůsobující zahlcení komunikujících sítí (tyto sítě mají velmi často rozdílnou architekturu)

Maximální možná velikost okna se určuje dynamicky

◦ CWND (Congestion Window) určuje velikost okna odesílatele◦ optimální velikost bloku dat leží je nastavena automaticky◦ SSTHRESH definuje hranice vysoké pravděpodobnosti

zahlcení◦ odesílatel zvětšuje velikost okna postupně exponenciálním

způsobem (2n) až do doby, něž dojde k zahlcení (sekvence segmentů nebyla potvrzena)

◦ SSTRESH se v takovém případě nastaví na polovinu CWND


UDP protokol (User Datagram Protocol) je nespolehlivý protokol

Zajišťuje jednoduchou nadstavbu nad protokolem IP

◦ nemění základní vlastnosti protokolu IP◦ navíc poskytuje jen multiplexing/demultiplexing◦ má kontrolní součet, který pokrývá hlavičku i data kontrolní součet IP datagramu pokrývá pouze hlavičku kontrolní součet UDP datagramu lze vypnout


Typickým využitím je potřeba co nejrychlejší a nejefektivnější komunikaci

Vlastnosti

◦ funguje nespolehlivě & nespojovaně◦ vytváří iluzi blokového přenosu přenáší UDP Datagramy obvykle je velikost menší datagramu (512 bytů) musí se vtěsnat tak, jako TCP datagram do IP datagramu

◦ může být použit pro rozesílání broadcast i multicast◦ komunikace je narozdíl od IP protokolu bezestavová



Efektivní rozdělení šířky pásma v síti je nutné pro zachování stability a propustnosti sítě

Mezi základní možnosti zahrnujeme

◦ Agregace fyzických linek v jednu virtuální ( agregace na druhé vrstvě dle ISO/OSI)

◦ Vyrovnávání zátěže pomocí směrovacího procesu (agregace a rozložení zátěže na třetí vrstvě vrstvě dle ISO/OSI)

◦ Regulace šířky pásma pro klienta, respektive část sítě (bandwith shaping)

◦ Regulace a nastavení priority služeb pomocí QoS◦ Implementace ACL (přístupových sezamů) a bezpečnostní

politiky v síti => v síti proudí pouze ta data, která mají právo být odesílány nwbo přijímány


Jedná se o jednu ze základních možností, jak limitovat propustnost pásma

Ve větších sítích je nutná regulace pásma pro:

◦ Snížení latence v síti

◦ Udržení dostupnosti služeb

◦ Vykrytí „špiček“ v síti

◦ Ochrana proti přetížení sítě

◦ Definici politicko-obchodních pravidel v síti

◦ Redukci chybovosti vysílání v síti

Implementace Shapingu může být provedena na různých platformách

◦ WINDOWS ( Pro řízení toku dat a bezpečnostní politiku je vhodné využít Microsoft ISA server)

◦ LINUX(UNIX) (např. menšími poskytovateli používaný Zorp Traffic spolu s Prometeus)

◦ HW zařízení (např. Mikrotik, Cisco…)


Quality of Services umožňuje dále propustnost sítě podle určitého typu služeb

QoS je možné rozdělit do dvouhlavních domén využití◦ Kvalita služeb pro poskytovatele služeb

◦ Kvalita služeb v rámci sítě organizace

Typické služby, které bývají upřednostňovány◦ IP telefonie

◦ Video konference ( přenos videa a hlasu obecně)

◦ Důležité služby v síti s potřebou okamžité dostupnosti a funkčnosti


Typické služby, které nebývají upřednostňovány

◦ Sdílení dat mezi uživateli

◦ Prohlížení webu

◦ Služby sítě definované s nižší prioritou datového přenosu

Implementace Shapingu může být opět provedena na různých platoformách

Typickým zástupce je CISCO QoS Manager

Více užitečných informací naleznete na:

◦ http://www.cisco.com/en/US/products/ps6558/products_ios_technology_home.html


TCP a UDP nejsou jedinými transportními protokoly

Mezi novější protokoly navržené pro speciální aplikace patří

◦ DCCP

◦ SCTP


DCCP – RFC 4340 (2006)

Datagram Congestion Control Protocol

Původní protokol TCP není vhodný pro všechny typy vysílání, jeho využití je omezeno vlastnostmi tohoto protokolu

TCP není příliš vhodný pro přenos hlasových a video služeb

◦ založen na principu označení sekvencí pro jednotlivé byte

◦ zaručuje spolehlivé doručení dat


DCCP je vhodný pro tyto služby

◦ garantuje spolehlivé doručení paketů, ale negarantuje došlé pořadí a vyžádání nového vysílání (pomocí ECN Explicit Congestion Notification – rozšíření původního IP protokolu)

◦ kontroluje a řídí zahlcení vysílání

◦ umožňuje implementovat transport specifických služeb bez využití nadstavbových mechanizmů v aplikační vrstvě

◦ dodržuje sémantiku TCP protokolu

Většina současných služeb využívá stále TCP nebo UDP s nadstavbou v aplikační vrstvě


SCTP – RFC 2960 (2001)

Stream Control Transmission Protocol

Protokol vhodný pro přenos telefonie přes IP sítě

Na rozdíl od TCP nepřiřazuje sekvenční čísla jednotlivým bitově reprezentovaným datagramům ale zprávám (balíky vysílané v proudech vztahu odesílané službě)

Balík je označován jako DATA CHUNK

Umožňuje paralelní vícenásobný přenos datových proudů

Jeden klient může být reprezentován více IP adresami (IPv4 či IPv6)

Dle spolehlivosti jsou data doručována na různé IP adresy klienta => je zajištěn redundantní přenosový mechanizmus


Konec


Date post:	11-May-2018
Category:	Documents
Upload:	vantruc
View:	223 times
Download:	4 times

Přednáška č - fei.doevil.czZS] IPS1 - Site 1/Prednasky/ips1 09... · ATM (Classical IP over...

Documents