Chapter 4 Network Layer

Transkriptio

1 Chapter 4 Network Layer Antti Sinkkonen 2-37 Patrik Tikka Esko Mäkelä Saku Käsnänen Markus Leppioja Henri Takki Computer Networking: A Top Down Approach th 6 edition Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley March 2012 Network Layer 4-1

2 Chapter 4: network layer chapter goals: understand principles behind network layer services: network layer service models forwarding versus routing how a router works routing (path selection) broadcast, multicast instantiation, implementation in the Internet Network Layer 4-2

3 Kappale 4: verkkotaso Kappaleen tavoitteet: ymmärtää verkkotason periaatteet: verkkotason palvelumallit edelleenlähetys vs. reititys kuinka reititin toimii reititys (polun valinta) lähetys, ryhmälähetys Instanssit, toimeenpano verkossa Network Layer 4-3

4 Chapter 4: outline 4.1 introduction 4.2 virtual circuit and datagram networks 4.3 what s inside a router 4.4 IP: Internet Protocol datagram format IPv4 addressing ICMP IPv6 4.5 routing algorithms link state distance vector hierarchical routing 4.6 routing in the Internet RIP OSPF BGP 4.7 broadcast and multicast routing Network Layer 4-4

5 Network layer transport segment from sending to receiving host on sending side encapsulates segments into datagrams on receiving side, delivers segments to transport layer network layer protocols in every host, router router examines header fields in all IP datagrams passing through it application transport network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network network data link data link physical physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical application transport network data link physical Network Layer 4-5

6 Verkkotaso kuljetuslohko lähettävältä vastaanottavalle palvelimelle lähetyspuolella enkapsuloi datagrammeiksi vastaanottopuolella toimittaa lohkot kuljetustasolle verkkotason protokollat joka palvelimella ja reitittimellä reititin tutkii kaikkien sen ohi kulkevien IP datagrammien otsikkokenttiä. application transport network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network network data link data link physical physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical application transport network data link physical Network Layer 4-6

7 Two key network-layer functions forwarding: move packets from router s input to appropriate router output routing: determine route taken by packets from source to dest. routing algorithms analogy: routing: process of planning trip from source to dest forwarding: process of getting through single interchange Network Layer 4-7

8 Kaksi verkkotason tärkeintä toimintoa edelleenlähetys: siirtää paketteja reitittimen sisääntulosta oikeaan reitittimen ulostuloon reititys: päättää pakettien reitti lähteeltä kohteeseen reititys algoritmit analogia: reititys: matkan suunnittelu prosessi lähtöpaikasta kohteeseen edelleenlähetys: toiminto, jolla päästään läpi kaikista risteyksistä Network Layer 4-8

9 Interplay between routing and forwarding routing algorithm routing algorithm determines end-end-path through network local forwarding table header value output link forwarding table determines local forwarding at this router value in arriving packet s header Network Layer 4-9

10 Reitityksen ja edelleenlähetyksen välinen vuorovaikutus reititys algoritmi päättää loppu-loppu-reitin läpi verkon. reititys algoritmi paikallinen edelleenläh. otsikkoarvo ulostulolinkki edelleenlähetystaulukko päättää paikallisen edelleenlähetyksen tässä reitittimessä. saapuvan paketin otsikkoarvo Network Layer 4-10

11 Connection setup 3rd important function in some network architectures: ATM, frame relay, X.25 before datagrams flow, two end hosts and intervening routers establish virtual connection routers get involved network vs transport layer connection service: network: between two hosts (may also involve intervening routers in case of VCs) transport: between two processes Network Layer 4-11

12 Yhteysjärjestely 3. tärkeä toiminto joissain verkkoarkkitehtuureissa: ATM, kehysviesti, X.25 ennen kuin datagrammit siirtyy, kaksi loppupalvelinta ja välissä olevat reitittimet avaavat virtuaalisen yhteyden reitittimet tulee peliin verkkotaso vs kuljetustaso palvelumalli: verkko: kahden palvelimen välillä (saattaa sisältää välissä olevia reittimiä VC:n tapauksessa) kuljetus: kahden prosessin välillä Network Layer 4-12

13 Network service model Q: What service model for channel transporting datagrams from sender to receiver? example services for individual datagrams: guaranteed delivery guaranteed delivery with less than 40 msec delay example services for a flow of datagrams: in-order datagram delivery guaranteed minimum bandwidth to flow restrictions on changes in inter-packet spacing Network Layer 4-13

14 Verkkopalvelumalli K: Mikä palvelumalli kanavoimaan kuljetusdatagrammeja lähettäjältä vastaanottajalle? esimerkkipalveluita yksittäisillä datagrammeille: varma toimitus varma toimitus alle 40 msek. viiveellä esimerkkipalveluita datagrammivuolle: järjestystoimitus datagrammeille varma minimikaistanleveys vuolle rajoituksia paketinsisäisiin muutoksiin Network Layer 4-14

15 Network layer service models: Network Architecture Internet Service Model Guarantees? Congestion Bandwidth Loss Order Timing feedback best effort none ATM CBR ATM VBR ATM ABR ATM UBR constant rate guaranteed rate guaranteed minimum none no no no yes yes yes yes yes yes no yes no no (inferred via loss) no congestion no congestion yes no yes no no Network Layer 4-15

16 Verkkotason palvelumallit: Verkkoarkki tehtuuri Internet Palvelum alli paras yritys ATM CBR ATM Varmaa Kaistanleveys Häviö Order Ajoitus ei mitään ei ei ei jatkuva tahti kyllä kyllä kyllä kyllä kyllä kyllä ei kyllä ei kyllä ei taattu tahti VBR taattu minimi ATM ABR ATM UBR ei mitään ei Ruuhkapal aute ei(päätellään häviön kautta) ei ruuhkaa ei ruuhkaa ruuhkaa ei Network Layer 4-16

17 Chapter 4: outline 4.1 introduction 4.2 virtual circuit and datagram networks 4.3 what s inside a router 4.4 IP: Internet Protocol datagram format IPv4 addressing ICMP IPv6 4.5 routing algorithms link state distance vector hierarchical routing 4.6 routing in the Internet RIP OSPF BGP 4.7 broadcast and multicast routing Network Layer 4-17

18 Connection, connection-less service datagram network provides network-layer connectionless service virtual-circuit network provides network-layer connection service analogous to TCP/UDP connecton-oriented / connectionless transport-layer services, but: service: host-to-host no choice: network provides one or the other implementation: in network core Network Layer 4-18

19 Yhdistetty, yhteydetön palvelu datagrammi verkko tarjoaa verkkotason yhteydettömän palvelun virtual-circuit verkko tarjoaa verkkotason yhteydellisen palvelun Analoginen TCP/UDP:n yhteydellsillä/yhteydettömille palveluille, mutta: palvelu: palvelin-palvelin ei valintaa: verkko tarjoaa jommankumman implementoitu: verkon ytimessä Network Layer 4-19

20 Virtual circuits source-to-dest path behaves much like telephone circuit performance-wise network actions along source-to-dest path call setup, teardown for each call before data can flow each packet carries VC identifier (not destination host address) every router on source-dest path maintains state for each passing connection link, router resources (bandwidth, buffers) may be allocated to VC (dedicated resources = predictable service) Network Layer 4-20

21 Virtuaaliset piirit lähde-kohde reitti käyttäytyy pitkälti kuin puhelinpiiri suorituskyvyltään verkkotoiminnot lähde-kohde reittiä pitkin soittaa järjestelyn, purku joka soitolle ennen kuin data voi virrata joka paketti kuljettaa VP tunnisteen (ei kohdepalvelimen osoitetta) joka reititin reitillä säilyttää tason jokaisella ohittavalle yhteydelle linkki, reitittimen resurssia (kaistanleveyttä) voidaan varata VP:lle Network Layer 4-21

22 VC implementation a VC consists of: path from source to destination VC numbers, one number for each link along path entries in forwarding tables in routers along path packet belonging to VC carries VC number (rather than dest address) VC number can be changed on each link. new VC number comes from forwarding table Network Layer 4-22

23 VP implementointi virtuaalinen piiri koostuu: reitistä lähteeltä kohteelle VP numeroista, yksi numero / reitti pääsyistä edelleenlähetystaulukoille reitin varrella oleville reitittimille VP:lle kuuluva paketti kuljettaa VP tunnisteen (eikä kohteen palvelimen osoitetta) VP numero voidaan vaihtaa joka linkissä. uusi VP numero tulee edelleenlähetystaulukosta Network Layer 4-23

24 VC forwarding table VC number forwarding table in northwest router: Incoming interface interface number Incoming VC # Outgoing interface Outgoing VC # VC routers maintain connection state information! Network Layer 4-24

25 VP edelleenlähetystaulukko VP numero edelleenlähetystaulukko: Saapuva rajapinta Saapuva VP # rajapinn an numero Lähtevä rajapinta Lähtevä VP # VP reitittimet säilyttävät yhteystilojen tiedot Network Layer 4-25

26 Virtual circuits: signaling protocols used to setup, maintain teardown VC used in ATM, frame-relay, X.25 not used in today s Internet application transport network data link physical 5. data flow 4.begins call connected 1. initiate call 6. receive 3.data accept call 2. incoming call application transport network data link physical Network Layer 4-26

27 Virtuaaliset piirit: protokollien signaalointi käytetään järjestämiseen, ylläpitoon ja purkuun käytetään ATM, frame-relay, X.25 Ei käytössä nykypäivän Internetissä application transport network data link physical 5. data flow begins 4. call connected 1. initiate call 6. receive 3.data accept call 2. incoming call application transport network data link physical Network Layer 4-27

28 Datagram networks no call setup at network layer routers: no state about end-to-end connections no network-level concept of connection packets forwarded using destination host address application transport network 1. send datagrams data link physical application transport 2. receive datagrams network data link physical Network Layer 4-28

29 Datagrammi verkot ei kutsuta järjestelmää verkkotasolla reitittimet: ei tilaa loppu-loppu yhteyksistä ei verkkotason konseption yhteydestä paketit edelleenlähetetään käyttäen kohteen osoitetta application transport network 1. send datagrams data link physical application transport 2. receive datagrams network data link physical Network Layer 4-29

30 Datagram forwarding table routing algorithm local forwarding table dest address output link address-range 1 address-range 2 address-range 3 address-range 4 4 billion IP addresses, so rather than list individual destination address list range of addresses (aggregate table entries) IP destination address in arriving packet s header Network Layer 4-30

31 Datagrammin edelleenlähetystaulukko 4 miljardia IP osoitetta, joten mieluummin listaa osoiteluokkia kuin yksittäisiä osoitteita reititysalgoritmi paikallinen edelleenläh. taulukko kohteen osoite ulostulolinkki address-range 1 address-range 2 address-range 3 address-range 4 kohteen IP osoite saapuvan paketin otsikossar Network Layer 4-31

32 Datagram forwarding table Destination Address Range Link Interface through through through otherwise 3 Q: but what happens if ranges don t divide up so nicely? Network Layer 4-32

33 Datagrammin edelleenläh.taul Kohteen osoiteluokka muuten Linkin rajapinta K: mutta mitä tapoahtuu jos luokat eivät jakaannu niin Network Layer 4-33 nätisti?

34 Longest prefix matching longest prefix matching when looking for forwarding table entry for given destination address, use longest address prefix that matches destination address. Destination Address Range Link interface *** ********* ********* *** ********* 2 otherwise 3 examples: DA: DA: which interface? which interface?network Layer 4-34

35 Pisin etuliite -paritus pisin etuliite -paritus kun etsitään edellenläh.taulukon merkintää annetulle kohdeosoittelle, käytetään pisintä etuliitettä, joka sopii yhteen kohteen osoitteen kanssa. Kohdeosoitteen luokka linkkirajapint *** ********* ********* *** ********* 2 muuten 3 esim: DA: mikä rajapinta? DA: Network Layer 4-35

36 Datagram or VC network: why? Internet (datagram) data exchange among computers elastic service, no strict ATM (VC) strict timing, reliability requirements need for guaranteed service timing req. many link types different characteristics uniform service difficult smart end systems (computers) evolved from telephony human conversation: dumb end systems telephones complexity inside network can adapt, perform control, error recovery simple inside network, complexity at edge Network Layer 4-36

37 Datagrammi vai VP verkko: miksi? Internet (datagrammi) datan vaihto tietokoneiden välillä elastinen palvelu, ei tiukkaa ATM (VP) tiukka ajoitus, luotettavuus rajoitukset tarve varmoille palveluille ajoitusta vaativa monta linkkityyppiä eri luonteenpiirteet yksimuotoinen palvelu vaikeaat saapunut puhelimista ihmiskeskustelu: tyhmät päätteet (telephones) mutkikkuus verkon sisällä viisaat päätteet (tietokoneet) voivat sopeutua, kontrolloida, virheistä palautuminen yksinkertaista verkon sisällä, mutkikasta reunoilla Network Layer 4-37

38 Chapter 4: outline 4.1 introduction 4.2 virtual circuit and datagram networks 4.3 what s inside a router 4.4 IP: Internet Protocol datagram format IPv4 addressing ICMP IPv6 4.5 routing algorithms link state distance vector hierarchical routing 4.6 routing in the Internet RIP OSPF BGP 4.7 broadcast and multicast routing Network Layer 4-38

39 Router architecture overview two key router functions: run routing algorithms/protocol (RIP, OSPF, BGP) forwarding datagrams from incoming to outgoing link forwarding tables computed, pushed to input ports routing processor routing, management control plane (software) forwarding data plane (hardware) high-seed switching fabric router input ports router output ports Network Layer 4-39

40 Reititin arkkitehtuuri katsaus Kahden avaimen reitittimien toiminta: Ajaa reititysalgoritmejä/protokollia (RIP, OSPF, BGP) Välittää datapaketteja tulolinkiltä lähtölinkille Välitys lähtöporttiin Reitityspr osessori Ohjauspaneeli Välitysdatapaneeli Suurnope uskytkent ä kanta Reitittimen tuloportit Reitittimen lähtöportit Network Layer 4-40

41 Input port functions link layer protocol (receive ) line termination lookup, forwarding switch fabric queueing physical layer: bit-level reception data link layer: e.g., Ethernet see chapter 5 decentralized switching: given datagram dest., lookup output port using forwarding table in input port memory ( match plus action ) goal: complete input port processing at line speed queuing: if datagrams arrive faster than forwarding rate into switch fabric Network Layer 4-41

42 Tuloportin toiminta Linkki kerrokse n protokoll a (Vastaa notto) Linjan päätevastus Fyysinen taso: Bittitason vastaanotto Linkkitaso: Esim. Ethernet Tarkistus, välitys Kytkent äkanta Jonotus Hajautettu kytkentä: Annettu toimitusosoite., Ohjaus oikeaan lähtöporttiin välitystaulun avulla( match plus action ) Tarkoitus: Viedä käsittely prosessi läpi, hidastamatta reitittimen toimintaa Jonotus: Jos dataa tulee enemmän, kun kytkentäkanta pystyy sitä ohjaamaan. Network Layer 4-42

43 Switching fabrics transfer packet from input buffer to appropriate output buffer switching rate: rate at which packets can be transfer from inputs to outputs often measured as multiple of input/output line rate N inputs: switching rate N times line rate desirable three types of switching fabrics memory memory bus crossbar Network Layer 4-43

44 Kytkentäkanta Siirtää datan tulojonosta oikeaan lähtöjonoon Kytkentätaajuus: Taajuus jolla paketteja voidaan siirtää tuloista lähtöihin Mitataan useimmiten verraten monen tulon ja lähdön kuormitusta (tulo/lähtö) N tulot: kytkentätaajuus N kertaa haluttu linjataajuus Kolme erilaista kytkentäkantaa memory Muisti Vä ylä Poikkipuu Network Layer 4-44

45 Switching via memory first generation routers: traditional computers with switching under direct control of CPU packet copied to system s memory speed limited by memory bandwidth (2 bus crossings per datagram) input port (e.g., Ethernet) memory output port (e.g., Ethernet) system bus Network Layer 4-45

46 Muistikytkentä 1. sukupolven reitittimet: Perinteisiä tietokoneita, CPU hoiti kytkennän ohjauksen Paketit kopioitiin järjestelmän muistiin Nopeus rajoittui muistin kaistanleveyteen (kaksi väylän ylitystä / datapaketti) input port (e.g., Ethernet) memory output port (e.g., Ethernet) system bus Network Layer 4-46

47 Switching via a bus vdatagram from input port memory to output port memory via a shared bus vbus contention: switching speed limited by bus bandwidth 32 Gbps väylä, Cisco 5600: vsufficient speed for access and enterprise routers Bus Network Layer 4-47

48 Väyläkytkentä Datapaketti sijoitettiin tuloportin muistiin Ja sieltä lähtöportin muistiin käyttäen yhteistä väylää Väylän heikkous: Kytkentätaajuus rajoittuu väylän nopeuteen 32 Gbps väylä, Cisco 5600: Riittävä nopeus yritys- ja pääsyreitittimille Väylä Network Layer 4-48

49 Switching via interconnection network overcome bus bandwidth limitations banyan networks, crossbar, other interconnection nets initially developed to connect processors in multiprocessor advanced design: fragmenting datagram into fixed length cells, switch cells through the fabric. Cisco 12000: switches 60 Gbps through the interconnection network crossbar Network Layer 4-49

50 Yhteisverkkokytkentä Selvittää kaistanleveysongelman banyan verkko, poikkipuu, muut verkot kehitettiin yhdistämään prosessorinsa yhdeksi moniydinprosessoriksi Kehittynyt rakenne: Sirpaloitudatapaketti muutettiin määrämittaisiksi soluiksi, Jotka kulkevat kytkentäkannan läpi kytkentäsoluina. Cisco 12000: switches 60 Gbps Saavutettiin yhteiskytkentätekniikalla crossbar Network Layer 4-50

51 Output ports switch fabric datagram buffer queueing This slide in HUGELY important! link layer protocol (send) line termination buffering required when datagrams Datagram (packets) arrive can be lost due tothe congestion, lack of buffers from fabric faster than transmission rate Priority chooses schedulingamong who gets best scheduling discipline performance, network neutrality queued datagrams for transmission Network Layer 4-51

52 Lähtöportit Kytkentä kanta datagram buffer queueing Jäätävän tärkeä DIA! link layer protocol (send) line termination Datapaketteja saattaa hä hallinnan aikana, tämä jo puskurien puutteesta Puskuri tarvitaan kun paketteja saapuukytkentäkannasta nopeammin, kun niitä voidaan lähettää Aikataulutus valitsee jonottettavista lähetettävät paketit Prioriteetti aikataulutus Millä paketilla on todennäköisimmin nopein yhteys Network Layer 4-52

53 Output port queueing switch fabric at t, packets more from input to output switch fabric one packet time later buffering when arrival rate via switch exceeds output line speed queueing (delay) and loss due to output port buffer overflow! Network Layer 4-53

54 Lähtöporttijonotus switch fabric Enemmän paketteja tuloista lähdöille, kun lähdöistä ulos switch fabric Yhtä pakettia myöhemmin Puskurointi aloitetaan, kun paketteja ei saada lähetettyä tarpeeksi nopeasti Jonotus (Viive) ja häviö aiheutuvat lähtöporttien muistin vuodosta, kapasiteetin ylittävän toimintaasteen vallitessa (Wadap kujo)! Network Layer 4-54

55 How much buffering? RFC 3439 rule of thumb: average buffering equal to typical RTT (say 250 msec) times link capacity C e.g., C = 10 Gpbs link: 2.5 Gbit buffer recent recommendation: with N flows, buffering equal to RTT. C N Network Layer 4-55

56 Kuinka paljon puskurointia? RFC 3439 Peukkusääntö: keskimääräinen puskurointi = tyypillinen viive (eli 250 msec) kerrottuna linkin kapasiteetillä C e.g., C = 10 Gpbs linkki: 2.5 Gbit puskuri Viimeisin suositus: N määrällä, puskurointi = RTT. C N Network Layer 4-56

57 Input port queuing fabric slower than input ports combined -> queueing may occur at input queues queueing delay and loss due to input buffer overflow! Head-of-the-Line (HOL) blocking: queued datagram at front of queue prevents others in queue from moving forward switch fabric output port contention: only one red datagram can be transferred. lower red packet is blocked switch fabric one packet time later: green packet experiences HOL blocking Network Layer 4-57

58 Tuloportilla jonotus Kanta on hitaampi kuin tuloportit yhteensä -> Jonotusta saattaa ilmetä tuloporteilla Viiveet ja häviöt aiheutuvat muistin ylittymisestä! Head-of-the-Line (HOL) blokkaus: Etummaisina jonottavat paketit estävät muita jonossa olevia etenemästä switch fabric Lähtöportti: Vain yksi punainen datapaketti voidaan siirtää. Alempi punainen paketti blokataan switch fabric yhtä pakettia myöhemmin: vihreälle paketille tehdään HOL blokkaus Network Layer 4-58

59 Chapter 4: outline 4.1 introduction 4.2 virtual circuit and datagram networks 4.3 what s inside a router 4.4 IP: Internet Protocol datagram format IPv4 addressing ICMP IPv6 4.5 routing algorithms link state distance vector hierarchical routing 4.6 routing in the Internet RIP OSPF BGP 4.7 broadcast and multicast routing Network Layer 4-59

60 The Internet network layer host, router network layer functions: transport layer: TCP, UDP IP protocol routing protocols network layer path selection RIP, OSPF, BGP forwarding table addressing conventions datagram format packet handling conventions ICMP protocol error reporting router signaling link layer physical layer Network Layer 4-60

61 Internetin verkkokerros Isäntä, reititin verkkokerroksen toiminta: Kuljetuskerros: TCP, UDP IP protokolla Reititysprotokollat Verkko kerros Osoitteenmuutos Datapaketin muoto Paketinhallinta path selection RIP, OSPF, BGP Välitystaulu ICMP protokolla virhe raportointi reitittimen hälyttäminen Linkkikerros Fyysinenkerros Network Layer 4-61

62 IP datagram format IP protocol version number header length (bytes) type of data max number remaining hops (decremented at each router) upper layer protocol to deliver payload to how much overhead? 20 bytes of TCP 20 bytes of IP = 40 bytes + app layer overhead 32 bits total datagram length (bytes) type of ver head. len service length 16-bit identifier upper time to layer live fragment flgs offset header checksum for fragmentation/ reassembly 32 bit source IP address 32 bit destination IP address options (if any) data (variable length, typically a TCP or UDP segment) e.g. timestamp, record route taken, specify list of routers to visit. Network Layer 4-62

63 IP kehyksen rakenne IP protokollan versio Tunnisteen pituus datan muoto Kestoaika (Vähenee jokaisella reitittimellä) Ylemmän tason protokolla kuorman toimittamiseksi Kuinka paljon kuormitusta? 20 byteäf TCP 20 byteä IP = 40 byteä + sovelluskerroksen kuormitus 32 bits type of ver head. len service 16-bit identifier upper time to layer live length flgs fragment offset header checksum Todellinen datapaketin pituus (byteä) Uudelleenkas aamista varten 32 bit source IP address 32 bit destination IP address options (if any) data (variable length, typically a TCP or UDP segment) e.g. Aikaleima, määrittää reititinlistan, joilla tullaan käymään Network Layer 4-63

64 IP fragmentation, reassembly fragmentation: in: one large datagram out: 3 smaller datagrams reassembly network links have MTU (max.transfer size) largest possible link-level frame different link types, different MTUs large IP datagram divided ( fragmented ) within net one datagram becomes several datagrams reassembled only at final destination IP header bits used to identify, order related fragments Network Layer 4-64

65 IP fragmentointi, uudelleenkokous fragmentointi: sisään: yksi iso datagrammi ulos: 3 pienempää datagrammia reassembly verkkolinkeillä on MTU (maksimi lähetyskoko) mahdollisimman iso linkkitason kehys erilaisia linkkityyppejä erilaisia MTU:ita suuri IP datagrammi jaettuna ( fragmentoidussa ) verkossa yhdestä datagrammista tulee useita datagrammeja uudelleenkootaan vain viimeisessä päämäärässä IP tunniste bittejä käytetään tunnistamiseen, järjestykseen liittyviä fragmentteja Network Layer 4-65

66 IP fragmentation, reassembly example: 4000 byte datagram MTU = 1500 bytes 1480 bytes in data field offset = 1480/8 length ID fragflag =4000 =x =0 offset =0 one large datagram becomes several smaller datagrams length ID fragflag =1500 =x =1 offset =0 length ID fragflag =1500 =x =1 offset =185 length ID fragflag =1040 =x =0 offset =370 Network Layer 4-66

67 IP fragmentointi, uudelleenkokous esimerkki: 4000 tavun datagrammi MTU = 1500 tavua pituus ID fraglippu kuittaus =4000 =x =0 =0 yhdestä isosta datagrammista tulee useampi pienempi datagrammi 1480 tavua data kentässä pituus ID fragflag kuittaus =1500 =x =1 =0 kuittaus = 1480/8 pituus ID fragflag kuittaus =1500 =x =1 =185 pituus ID fragflag kuittaus =1040 =x =0 =370 Network Layer 4-67

68 Chapter 4: outline 4.1 introduction 4.2 virtual circuit and datagram networks 4.3 what s inside a router 4.4 IP: Internet Protocol datagram format IPv4 addressing ICMP IPv6 4.5 routing algorithms link state distance vector hierarchical routing 4.6 routing in the Internet RIP OSPF BGP 4.7 broadcast and multicast routing Network Layer 4-68

69 IP addressing: introduction IP address: 32-bit identifier for host, router interface interface: connection between host/router and physical link router s typically have multiple interfaces host typically has one or two interfaces (e.g., wired Ethernet, wireless ) IP addresses associated with each interface = Network Layer 4-69

70 IP osoittaminen: johdanto IP osoite: 32-bit tunniste isännälle, reititin rajapinta rajapinta: yhteys isännän/reitittimen ja fyysisen linkin välillä reitittimellä tyypillisesti monta rajapintaa isännällä tyypillisesti yksi tai kaksi rajapintaa (esim., Ethernet, langaton ) IP osoitteet liitetään kuhunkin rajapintaan = Network Layer 4-70

71 IP addressing: introduction Q: how are interfaces actually connected? A: we ll learn about that in chapter 5, A: wired Ethernet interfaces connected by Ethernet switches For now: don t need to worry about how one interface is connected to another (with no intervening router) A: wireless WiFi interfaces connected by WiFi base station Network Layer 4-71

72 IP osoittaminen: johdanto Q: kuinka rajapinnat ovat oikeasti yhdistety? A: opimme tästä lisää kappaleissa 5, A: langallinen Ethernet rajapinta yhdistetty Ethernet kytkimillä Toistaiseksi: ei tarvitse murehtia kuinka yksi rajapinta on A: langaton WiFi rajapinta yhdistetty toiseen (ilman, että yhdistetty WiFi asemalla reitin tulee väliin) Network Layer 4-72

73 Subnets IP address: subnet part - high order bits host part - low order bits what s a subnet? device interfaces with same subnet part of IP address can physically reach each other without intervening router subnet network consisting of 3 subnets Network Layer 4-73

74 Aliverkot IP osoite: aliverkko-osa - korkean järjestyksen bittejä isäntäosa - matalan järjestyksen bittejä mikä on aliverkko? laitteen rajapinta, jolla on sama osa aliverkon IP-osoitteesta voi fyysisesti tavoittaa toisensa ilman väliin tulevaa reititintä aliverkko verkko sisältää 3 aliverkkoa Network Layer 4-74

75 Subnets / /24 recipe to determine the subnets, detach each interface from its host or router, creating islands of isolated networks each isolated network is called a subnet subnet /24 subnet mask: /24 Network Layer 4-75

76 Aliverkot / /24 resepti aliverkon määrittämiseksi, irroita kukin rajapinta isännästään tai reitittimestään luoden eristyksissä olevien verkkojen saarekkeita kutakin erillistä verkkoa kutsutaan aliverkoksi subnet /24 aliverkon maski: /24 Network Layer 4-76

77 Subnets how many? Network Layer 4-77

78 Aliverkot kuinka monta? Network Layer 4-78

79 IP addressing: CIDR CIDR: Classless InterDomain Routing subnet portion of address of arbitrary length address format: a.b.c.d/x, where x is # bits in subnet portion of address subnet part host part /23 Network Layer 4-79

80 IP osoittaminen: CIDR CIDR: Classless InterDomain Routing aliverkon osa osoitteesta joka on satunnaisen pituinen osoitteen muoto: a.b.c.d/x, missä x on # bittiä aliverkon osasta osoitteesta aliverkko osa isäntä osa /23 Network Layer 4-80

81 IP addresses: how to get one? Q: How does a host get IP address? hard-coded by system admin in a file Windows: control-panel->network->configuration>tcp/ip->properties UNIX: /etc/rc.config DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol: dynamically get address from as server plug-and-play Network Layer 4-81

82 IP osoitteet: kuinka saada? Q: Kuinka isäntä saa IP-osoitteen? kovakoodattu systeemin järjestelmänvalvojan toimesta tiedostoon Windows: ohjauspaneeli->verkko->asetukset->tcp/ip->lisä asetukset UNIX: /etc/rc.config DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol: dynaamisesti hakee osoitteen palvelimelta plug-and-play Network Layer 4-82

83 DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol goal: allow host to dynamically obtain its IP address from network server when it joins network can renew its lease on address in use allows reuse of addresses (only hold address while connected/ on ) support for mobile users who want to join network (more shortly) DHCP overview: host broadcasts DHCP discover msg [optional] DHCP server responds with DHCP offer msg [optional] host requests IP address: DHCP request msg DHCP server sends address: DHCP ack msg Network Layer 4-83

84 DHCP: Dynaaminen isännän konfigurointi protokolla tavoite: sallii isännän hankkia dynaamisesti IP-osoitteensa verkon palvelimelta kun se yhdistää verkkoon voi uudistaa vuokransa käytössä olevasta osoitteesta sallii osoitteiden uudelleenkäytön (pitää vain osoitteita jotka ovat yhteydessä / päällä ) tuki mobiilikäyttäjille, jotka haluavat liittyä verkkoon (kohta lisää) DHCP yleiskatsaus: isäntä lähettää DHCP löytö viestin [valinnainen] DHCP palvelin vastaa DHCP tarjous viestillä [valinnainen] isäntä pyytää IP-osoitetta: DHCP pyyntö viesti DHCP palvelin lähettää osoitteen: DHCP kuittaus viesti Network Layer 4-84

85 DHCP client-server scenario DHCP server / arriving DHCP client needs address in this network / /24 Network Layer 4-85

86 DHCP asiakas-palvelin skenaario DHCP palvelin / saapuva DHCP asiakas tarvitsee osoitteen tässä verkossa / /24 Network Layer 4-86

87 DHCP client-server scenario DHCP server: DHCP discover src : , 68 arriving client Broadcast: is there a dest.: ,67 DHCPyiaddr: server out there? transaction ID: 654 DHCP offer src: , 67 Broadcast: I m a DHCP dest: , 68 yiaddrr:here s server! an IP transaction ID: 654 address you can use lifetime: 3600 secs DHCP request src: , 68 dest:: , 67 Broadcast: OK. I ll take yiaddrr: that IP address! transaction ID: 655 lifetime: 3600 secs DHCP ACK src: , 67 dest: , 68 Broadcast: OK. You ve yiaddrr: got that IPID: address! transaction 655 lifetime: 3600 secs Network Layer 4-87

88 DHCP asiakas-palvelin skenaario DHCP palvelin: DHCP löytö src :onko ,siellä 68 Lähetys: dest.: ,67 DHCP palvelinta jossain? yiaddr: saapuva asiakas transaction ID: 654 DHCP tarjous src: , 67 Lähetys: Minä olen DHCP dest: , 68 palvelin!yiaddrr: Tässä on IP-osoite transaction ID: 654 jota voit käyttää! lifetime: 3600 secs DHCP pyyntö src: , 68 dest:: , Lähetys: OK. Minä otan67 yiaddrr: tuontransaction IP-osoitteen ID: 655 lifetime: 3600 secs DHCP kuittaus src: , 67 dest: 68 Lähetys: , OK. Sinä saat yiaddrr: kyseisen IP-osoitteen! transaction ID: 655 lifetime: 3600 secs Network Layer 4-88

89 DHCP: enemmän kuin IP-osoitteita DHCP voi palauttaa enemmänkin kuin vain allokoidun IP-osoitteen aliverkossa: osoitteet ensimmäisen hyppäyksen reitittimestä asiakkaalle DNS palvleimen nimi ja IP-osoite verkon maski (kertoo verkon vs. isännän osa osoitteesta) Network Layer 4-89

90 DHCP: example DHCP UDP IP Eth Phy DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP UDP IP Eth Phy router with DHCP server built into router connecting laptop needs its IP address, addr of first-hop router, addr of DNS server: use DHCP DHCP request encapsulated in UDP, encapsulated in IP, encapsulated in Ethernet Ethernet frame broadcast (dest: FFFFFFFFFFFF) on LAN, received at router running DHCP server Ethernet demuxed to IP demuxed, UDP demuxed to DHCP Network Layer 4-90

91 DHCP: esimerkki DHCP UDP IP Eth Phy DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP pyyntö kapseloidaan UDP: ssä, kapseloidaan IP:ssä, kapseloidaan Ethernetissä DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP UDP IP Eth Phy yhdistääkseen kannettava tarvitsee IP-osoitteen, ensimmäisen hyppäyksen reitittimen osoitteen, DNS palvelimen osoitteen: käytä DHCP:tä reititin jossa DHCP palvelin sisäänrakennettu reitittimeenä Ethernet kehys lähettää (päämäärä: FFFFFFFFFFFF) LAN:ssa, vastaan otetaan reitittimessä, jossa DHCP palvelin pyörii Ethernet epämultipleksataan IP epämultipleksaus, UDP epämultipleksataan DHCP Network Layer 4-91

92 DHCP: example DHCP UDP IP Eth Phy DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP UDP IP Eth Phy router with DHCP server built into router DCP server formulates DHCP ACK containing client s IP address, IP address of first-hop router for client, name & IP address of DNS server encapsulation of DHCP server, frame forwarded to client, demuxing up to DHCP at client client now knows its IP address, name and IP address of DSN server, IP address of its firsthop router Network Layer 4-92

93 DHCP: example DHCP UDP IP Eth Phy DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP UDP IP Eth Phy reititin jossa DHCP palvelin sisäänrakennettu reitittimeenä DHCP palvelin kasaa DHCP kuittauksen, joka sisältää asiakkaan IP-osoitteen, IPosoite ensimmäisen hyppäkysen reittimille, DNS palvelimen nimi ja IP-osoite Kapsuloitu DHCP palvelin, kehys lähetetään eteenpäin asiakkaalle, demultipleksataan DHCP asiakkaalla asiakas tietää nyt IP-osoitteensa, DNS palvelimen nimen ja osoitteen, ensimmäisen hyppäyksen reitittimen osoitteen Network Layer 4-93

94 DHCP: Wireshark output (home LAN) Message type: Boot Request (1) Hardware type: Ethernet Hardware address length: 6 Hops: 0 Transaction ID: 0x6b3a11b7 Seconds elapsed: 0 Bootp flags: 0x0000 (Unicast) Client IP address: ( ) Your (client) IP address: ( ) Next server IP address: ( ) Relay agent IP address: ( ) Client MAC address: Wistron_23:68:8a (00:16:d3:23:68:8a) Server host name not given Boot file name not given Magic cookie: (OK) Option: (t=53,l=1) DHCP Message Type = DHCP Request Option: (61) Client identifier Length: 7; Value: D323688A; Hardware type: Ethernet Client MAC address: Wistron_23:68:8a (00:16:d3:23:68:8a) Option: (t=50,l=4) Requested IP Address = Option: (t=12,l=5) Host Name = "nomad" Option: (55) Parameter Request List Length: 11; Value: 010F03062C2E2F1F21F92B 1 = Subnet Mask; 15 = Domain Name 3 = Router; 6 = Domain Name Server 44 = NetBIOS over TCP/IP Name Server request Message type: Boot Reply (2) Hardware type: Ethernet Hardware address length: 6 Hops: 0 Transaction ID: 0x6b3a11b7 Seconds elapsed: 0 Bootp flags: 0x0000 (Unicast) Client IP address: ( ) Your (client) IP address: ( ) Next server IP address: ( ) Relay agent IP address: ( ) Client MAC address: Wistron_23:68:8a (00:16:d3:23:68:8a) Server host name not given Boot file name not given Magic cookie: (OK) Option: (t=53,l=1) DHCP Message Type = DHCP ACK Option: (t=54,l=4) Server Identifier = Option: (t=1,l=4) Subnet Mask = Option: (t=3,l=4) Router = Option: (6) Domain Name Server Length: 12; Value: E F ; IP Address: ; IP Address: ; IP Address: Option: (t=15,l=20) Domain Name = "hsd1.ma.comcast.net." reply Network Layer 4-94

95 DHCP: Wireshark tuloste (koti LAN) Message type: Boot Request (1) Hardware type: Ethernet Hardware address length: 6 Hops: 0 Transaction ID: 0x6b3a11b7 Seconds elapsed: 0 Bootp flags: 0x0000 (Unicast) Client IP address: ( ) Your (client) IP address: ( ) Next server IP address: ( ) Relay agent IP address: ( ) Client MAC address: Wistron_23:68:8a (00:16:d3:23:68:8a) Server host name not given Boot file name not given Magic cookie: (OK) Option: (t=53,l=1) DHCP Message Type = DHCP Request Option: (61) Client identifier Length: 7; Value: D323688A; Hardware type: Ethernet Client MAC address: Wistron_23:68:8a (00:16:d3:23:68:8a) Option: (t=50,l=4) Requested IP Address = Option: (t=12,l=5) Host Name = "nomad" Option: (55) Parameter Request List Length: 11; Value: 010F03062C2E2F1F21F92B 1 = Subnet Mask; 15 = Domain Name 3 = Router; 6 = Domain Name Server 44 = NetBIOS over TCP/IP Name Server pyyntö Message type: Boot Reply (2) Hardware type: Ethernet Hardware address length: 6 Hops: 0 Transaction ID: 0x6b3a11b7 Seconds elapsed: 0 Bootp flags: 0x0000 (Unicast) Client IP address: ( ) Your (client) IP address: ( ) Next server IP address: ( ) Relay agent IP address: ( ) Client MAC address: Wistron_23:68:8a (00:16:d3:23:68:8a) Server host name not given Boot file name not given Magic cookie: (OK) Option: (t=53,l=1) DHCP Message Type = DHCP ACK Option: (t=54,l=4) Server Identifier = Option: (t=1,l=4) Subnet Mask = Option: (t=3,l=4) Router = Option: (6) Domain Name Server Length: 12; Value: E F ; IP Address: ; IP Address: ; IP Address: Option: (t=15,l=20) Domain Name = "hsd1.ma.comcast.net." vastaus Network Layer 4-95

96 IP addresses: how to get one? Q: how does network get subnet part of IP addr? A: gets allocated portion of its provider ISP s address space ISP's block /20 Organization 0 Organization 1 Organization / / /23. Organization /23 Network Layer 4-96

97 IP osoitteet: kuinka saada? Q: kuinka verkko saa aliverkon osan IP-osoitteesta? A: saa allokoidun osan palveluntarjoajansa osoiteavaruudesta ISP' pala /20 Organisaatio 0 Organisaatio 1 Organisaatio / / /23. Organisaatio /23 Network Layer 4-97

98 Hierarchical addressing: route aggregation hierarchical addressing allows efficient advertisement of routing information: Organization /23 Organization /23 Organization /23 Organization Fly-By-Night-ISP Send me anything with addresses beginning /20 Internet /23 ISPs-R-Us Send me anything with addresses beginning /16 Network Layer 4-98

99 Hierarkinen osoittamien: reitin koostaminen hierarkinen osoittaminen mahdollistaa tehokkaan tavan mainostaa reititystietoa: Organisaatio /23 Organisaatio /23 Organisaatio /23 Organisaatio Fly-By-Night-ISP Lähetä minulle mitä vain osoitteista jotka alkaa /20 Internet /23 ISPs-R-Us Lähetä minulle mitä vain osoitteista jotka alkaa /16 Network Layer 4-99

100 Hierarchical addressing: more specific routes ISPs-R-Us has a more specific route to Organization 1 Organization /23 Organization /23 Organization Fly-By-Night-ISP Send me anything with addresses beginning /20 Internet /23 ISPs-R-Us Organization /23 Send me anything with addresses beginning /16 or /23 Network Layer 4-100

101 Hierarkinen osoittaminen: tarkempia reittejä ISPs-R-U:lla on tarkempi reitti Organisaatio ykköselle Organisaatio /23 Organisaatio /23 Organisaatio Fly-By-Night-ISP Lähetä minulle mitä vain osoitteista jotka alkaa /20 Internet /23 ISPs-R-Us Organisaatio /23 Lähetä minulle mitä vain osoitteista jotka alkaa /16 tai /23 Network Layer 4-101

102 IP addressing: the last word... Q: how does an ISP get block of addresses? A: ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers allocates addresses manages DNS assigns domain names, resolves disputes Network Layer 4-102

103 IP osoittaminen: viimeiset sanat... Q: kuinka palvelintarjoaja saa osan osoitteista? A: ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers allokoi osoitteita hallitsee DNS myöntää domain nimiä, päättää erimielisyyksistä Network Layer 4-103

104 NAT: network address translation rest of Internet local network (e.g., home network) / all datagrams leaving local network have same single source NAT IP address: ,different source port numbers datagrams with source or destination in this network have /24 address for source, destination (as usual) Network Layer 4-104

105 NAT: verkko-osoitteen käännös muu Internet paikallinen verkko (esim. kotiverkko) / kaikki lähtevät paikallisverkon datagrammit jakavat saman lähde NAT IP osoitteen: , lähtöportin numero datagrammeilla, joilla lähtö tai määränpää tässä verkossa on lähdön tai määränpään osoite /24 (kuten tavallisesti) Network Layer 4-105

106 NAT: network address translation motivation: local network uses just one IP address as far as outside world is concerned: range of addresses not needed from ISP: just one IP address for all devices can change addresses of devices in local network without notifying outside world can change ISP without changing addresses of devices in local network devices inside local net not explicitly addressable, visible by outside world (a security plus) Network Layer 4-106

107 NAT: verkko-osoitteen käännös motivaatio: paikallinen verkko käyttää vain yhtä IPosoitetta ulkopuolisen maailman silmissä: osoitelistaa ei tarvita ISP:ltä, vain 1 IP-osoite kaikille laitteille Voi vaihtaa laitteen osoitetta paikallisverkossa ilman että ulkopuolisen maailman tarvitsee huomioida sitä Voi vaihtaa ISP:n ilman että vaihtaa paikallisverkossa laitteiden osoitteita Laitteet paikallisverkkossa ei suoraan osoitettavissa, tai nähtävillä ulkomaailmalle (turvallisuuslisä) Network Layer 4-107

108 NAT: network address translation implementation: NAT router must: outgoing datagrams: replace (source IP address, port #) of every outgoing datagram to (NAT IP address, new port #)... remote clients/servers will respond using (NAT IP address, new port #) as destination addr remember (in NAT translation table) every (source IP address, port #) to (NAT IP address, new port #) translation pair incoming datagrams: replace (NAT IP address, new port #) in dest fields of every incoming datagram with corresponding (source IP address, port #) stored in NAT table Network Layer 4-108

109 NAT: verkko-osoitteen käännös käyttöönotto: NAT reitittimen täytyy: lähtevät datagrammit: korvata (lähtö IP osoite, portin nro) jokaiselle lähtevälle datagrammille (NAT IP osoite, uusi portin nro)... etä käyttäjät/palvelimet vastaavat käyttäen (NAT IP osoitetta, uutta porttinroa) määränpääosoitteena muistaa (NATin käännöstaulussa) jokaisen (lähde IP osoitteen, portin nron) ja (NAT IP osoitteen, uuden portin nron) käännöspari tulevat datagrammit: korvata (NAT IP osoite, uusi portin nro) jokaisen saapuvan datagrammin määränpääkentässä vastaavan (lähde IP osoitteen, portin nro:n), jotka tallessa Network Layer 4-109

110 NAT: network address translation 2: NAT router changes datagram source addr from , 3345 to , 5001, updates table NAT translation table WAN side addr LAN side addr 1: host sends datagram to , , , 3345 S: , 3345 D: , S: , 5001 D: , S: , 80 D: , : reply arrives dest. address: , S: , 80 D: , : NAT router changes datagram dest addr from , 5001 to , 3345 Network Layer 4-110

111 NAT: verkko-osoitteen käännös 2: NAT reititin vaihtaa datagrammin lähdeosoitteen , 3345 :stä , 5001: n, päivittää taulun 2 NAT käännöstaulu WAN puoli os. LAN puoli os. 1: palvelin lähettää datagrammin osoitteeseen , , , 3345 L: , 3345 M: , L: , 5001 M: , L: , 80 M: , : vastaus saapuu määränpääosoitte eseen: , L: , 80 M: , : NAT reititin vaihtaa datagrammin määränpää osoitteen , 5001 :stä , 3345 :n Network Layer 4-111

112 NAT: network address translation 16-bit port-number field: 60,000 simultaneous connections with a single LAN-side address! NAT is controversial: routers should only process up to layer 3 violates end-to-end argument NAT possibility must be taken into account by app designers, e.g., P2P applications address shortage should instead be solved by IPv6 Network Layer 4-112

113 NAT: verkko-osoitteen käännös 16-bittinen porttinumerokenttä: 60,000 yhdenaikaista yhteyttä yhdellä LANpuolen osoitteella! NAT on mielipiteitä jakava: reitittimien pitäisi prosessoida vain kerrokseen 3 asti rikkoo päästä-päähän argumenttia NAT mahdollisuus pitää ottaa huomioon sovelluskehittäijen toimesta, esim, P2P sovellukset osoitepula pitäisi mieluummin ratkaista käyttämällä IPv6:tta. Network Layer 4-113

114 NAT traversal problem client wants to connect to server with address server address local to client LAN (client can t use it as destination addr) only one externally visible NATed address: solution1: statically configure NAT to forward incoming connection requests at given port to server ? NAT router e.g., ( , port 2500) always forwarded to port Network Layer 4-114

115 NAT: kulkuongelma käyttäjä haluaa yhdistää palvelimeen osoitteella palvelinosoite paikallisessa LAN-verkossa (käyttäjä ei voi käyttää sitä kohdeosoitteena) vain yksi ulospäin näkyvä NATosoite:: ratkaisu1: staattisesti määrittää NAT:n yhdistämään tulevat yhteyspyynnöt tietylle palvelimen portille: käyttäjä? NAT reititin esim., ( , portti 2500) aina ohjattuna osoitteeseen porttiin Network Layer 4-115

116 NAT traversal problem solution 2: Universal Plug and Play (UPnP) Internet Gateway Device (IGD) Protocol. Allows NATed host to: learn public IP address ( ) add/remove port mappings (with lease times) IGD NAT router i.e., automate static NAT port map configuration Network Layer 4-116