100 % Kaisu Keskinen Diat

Transkriptio

1 100 % Kaisu Keskinen Diat

2 Chapter 4 Network Layer A note on the use of these ppt slides: We re making these slides freely available to all (faculty, students, readers). They re in PowerPoint form so you see the animations; and can add, modify, and delete slides (including this one) and slide content to suit your needs. They obviously represent a lot of work on our part. In return for use, we only ask the following: If you use these slides (e.g., in a class) that you mention their source (after all, we d like people to use our book!) If you post any slides on a www site, that you note that they are adapted from (or perhaps identical to) our slides, and note our copyright of this material. Thanks and enjoy! JFK/KWR Computer Networking: A Top Down Approach 6 th edition Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley March 2012 All material copyright J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved Network Layer 4-2

3 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 4-3

4 Kappale 4: verkkokerros luvun tavoitteet: ymmärtää verkkokerroksen palvelujen periaatteet: verkkokerroksen palvelumallit välitys vs. reititys miten reititin toimii reititys (polun valinta) lähetys, monilähetys (lähetys usealle vastaanottajalle) Internetin ilmentymä, toteutus Network Layer 4-4

5 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 4-5

6 Kappale 4: sisällys 4.1 esittely 4.2 virtuaaliset piirit ja datagrammiverkot 4.3 mitä on reitittimen sisällä 4.4 IP: Internet Protokolla datagram-muoto IPv4 osoitus ICMP IPv6 4.5 reititys algoritmit linkin vaihe etäisyys vektori hierarkkinen reititys 4.6 Reititys Internetissä RIP OSPF BGP 4.7 lähetyksen ja monilähetyksen reititys Network Layer 4-6

7 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 data link physical 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 Network Layer 4-7

8 Verkkokerros kuljettaa segmentin lähettävältä isännältä vastaanottavalle isännälle lähettäjän puolella kapseloi segmentit datagrammeiksi vastaanottajan puolella, toimittaa segmentit kuljetuskerrokselle verkkokerroksen protokollat ovat joka isännällä, reitittimessä reititin tutkii jokaisen läpimenevän IP-datagrammin otsikkokentät 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 data link physical 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 Network Layer 4-8

9 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 4-9

10 Kaksi tärkeintä verkkokerroksen toimintoa edelleenlähetys: siirtää paketit reitittimen syötteestä sopivaan ulostuloon reititys: määrittää pakettien reitti lähteestä kohteeseen reititys algoritmit vastaavuudet: reititys: matkan suunnittelu prosessi, lähteestä kohteeseen edelleenlähetys: yhden eritasoliittymän läpimenon prosessi Network Layer 4-10

11 Interplay between routing and forwarding routing algorithm local forwarding table header value output link routing algorithm determines end-end-path through network forwarding table determines local forwarding at this router value in arriving packet s header Network Layer 4-11

12 Reitityksen ja edelleenlähetyksen vuorovaikutus routing algorithm local forwarding table header value output link reititysalgoritmi päättää loppu-loppu-polun verkon läpi edelleenlähetys taulukko määrittää paikallisen edelleenlähetyksen tällä reitittimellä saapuvan paketin arvo otsikossa Network Layer 4-12

13 Connection setup 3 rd 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 4-13

14 Yhteyden muodostaminen 3. tärkeä toiminto joissain verkon arkkitehtuureissa: ATM, frame relay, X.25 ennen datagrammin liikkumista, kaksi loppuisäntää ja välissä olevat reitittimet muodostavat virtuaalisen yhteyden reitittimet osallistuvat verkko vs kuljetuskerros yhteyspalvelu: verkko: kahden isännän välillä (voi myös liittyä välissä olevat reitittimet VC:ien tapauksessa) kuljetus: kahden prosessin välillä Network Layer 4-14

15 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 4-15

16 Verkon palvelumalli Q: Mikä palvelumalli kanava datagrammien kuljettamiseen lähettäjältä vastaanottajalle? esimerkkipalvelut yksittäisille datagrammeille: takuuvarma toimitus takuuvarma toimitus alle 40 msek. viiveellä esimerkkipalvelut datagrammien vuolle: datagrammien toimitus järjestyksessä takuuvarma min. kaistanleveys vuolle rajoitukset muutoksiin pakettien välisessä välistyksessä Network Layer 4-16

17 Network layer service models: Network Architecture Service Model Bandwidth Guarantees? Loss Order Timing Congestion feedback Internet ATM ATM ATM ATM best effort CBR VBR ABR UBR none constant rate guaranteed rate guaranteed minimum none no yes yes no no no yes yes yes yes no yes yes no no no (inferred via loss) no congestion no congestion yes no Network Layer 4-17

18 Verkkokerroksen palvelumallit Kaistanleveys Takuut? Ajoitus Verkkoarkkitehtuuri Palvelumalli Menetys Järjestys Ruuhkapalaute Internet ATM ATM ATM ATM best effort none CBR VBR ABR UBR constant rate guaranteed rate guaranteed minimum none no yes yes no no no yes yes yes yes no yes yes no no no (inferred via loss) no congestion no congestion yes no Network Layer 4-18

19 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 4-19

20 Kappale 4: sisällys 4.1 esittely 4.2 virtuaaliset piirit ja datagrammiverkot 4.3 mitä on reitittimen sisällä 4.4 IP: Internet Protokolla datagram-muoto IPv4 osoitus ICMP IPv6 4.5 reititys algoritmit linkin vaihe etäisyys vektori hierarkkinen reititys 4.6 Reititys Internetissä RIP OSPF BGP 4.7 lähetyksen ja monilähetyksen reititys Network Layer 4-20

21 Connection, connection-less service datagram network provides network-layer connectionless service virtual-circuit network provides network-layer connection service analogous 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 4-21

22 Yhteys, yhteydetön palvelu datagrammi verkko tarjoaa verkkokerrokselle yhteydetöntä palvelua virtuaalinen piiri verkko tarjoaa verkkokerroksen yhteyspalvelua vastaava kuin TCP/UDP yhteysorientoitunut / yhteydetön kuljetuskerroksen palvelut, mutta: palvelu: isännältä-isännälle ei vaihtoehtoa: verkko tarjoaa yhden tai toisen toteutus: verkon ytimessä Network Layer 4-22

23 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 4-23

24 Virtuaaliset piirit lähteestä-kohteeseen-polku käyttäytyy kuten puhelinlinja suorituskyky verkon toiminta lähteestä-kohteeseen-polulla puhelun asetukset, jokaisen puhelun purkaminen ennen kuin data voi virrata jokaisella paketilla on VC-tunniste (ei kohteen isännän osoite) jokaisella reitittimellä lähtö-kohde-polulla on vaihe jokaiselle läpimenevälle yhteydelle linkki, reititin resurssit (kaistanleveys, puskurit) voidaan jakaa VC:lle (omat resurssit = ennakoitava palvelu) Network Layer 4-24

25 VC implementation a VC consists of: 1. path from source to destination 2. VC numbers, one number for each link along path 3. 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 4-25

26 VC:n toteutus VC sisältää: 1. polun lähteestä kohteeseen 2. VC-numerot, yksi numero jokaiselle linkille polun varrella 3. merkinnät edelleenlähetystauluissa reitittimissä polun varrella paketti joka kuuluu VC:lle kantaa VC-numeron (ennemmin kuin kohdeosoite) VC-numero voi muuttua joka linkissä. uusi VC-numero tulee edelleenlähetystaulusta Network Layer 4-26

27 VC forwarding table forwarding table in northwest router: VC number interface number Incoming interface Incoming VC # Outgoing interface Outgoing VC # VC routers maintain connection state information! Network Layer 4-27

28 VC edelleenlähetystaulu edelleenlähetystaulu pohj-länsi-reititin: VC-numero liitäntänumero Saapuva liitäntä Saapuva VC # Lähtevä liitäntä Lähtevä VC # VC-reitittimet säilyttävät yhteystilan tiedot! Network Layer 4-28

29 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 6. receive 4. begins call 3. data accept 1. initiate connected call 2. incoming call call application transport network data link physical Network Layer 4-29

30 Virtuaaliset piirit: signalointiprotokollat käytetään asennuksessa, säilyttää purkamisessa VC:n käytetään ATM:ssä, kehys-lähetys, X.25 ei käytetä nykypäivän Internetissä application transport network data link physical 5. data flow 6. receive 4. begins call 3. data accept 1. initiate connected call 2. incoming call call application transport network data link physical Network Layer 4-30

31 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 data link physical 1. send datagrams application transport network data link physical Network Layer 4-31

32 Datagrammiverkot ei puheluasetusta verkkokerroksella reittimet: ei loppu-loppu-yhteyden vaihetta ei verkkotason konseptia yhteys paketit edelleenlähetetään käyttämällä kohdeisännän osoitetta application transport network data link physical 1. lähetä datagrammeja 2. vastaanota datagrammeja application transport network data link physical Network Layer 4-32

33 Datagram forwarding table routing algorithm local forwarding table dest address output link address-range 1 address-range 2 address-range 3 address-range 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 4-33

34 Datagrammin edelleenlähetystaulu routing algorithm local forwarding table dest address output link address-range 1 address-range 2 address-range 3 address-range biljoonaa IP-osoitetta, joten mieluummin kuin lista yksittäisistä kohdeosoitteista, lista joukosta osoitteita (kerätty tauluun) IP destination address in arriving packet s header Network Layer 4-34

35 Datagram forwarding table Destination Address Range through through through otherwise Link Interface Q: but what happens if ranges don t divide up so nicely? Network Layer 4-35

36 Datagrammin edelleenlähetystaulu Destination Address Range through through through otherwise Link Interface Q: mutta mitä tapahtuu, jos joukot eivät jakaannu mukavasti? Network Layer 4-36

37 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 *** ********* ********* *** ********* otherwise Link interface examples: DA: DA: which interface? which interface? Network Layer 4-37

38 Pisin etuliitteiden sovitus pisin etuliitteiden sovitus kun katsotaan edelleenlähetystaulun merkintöjä annetulle kohdeosoitteelle, käytetään pisintä osoitteen etuliitettä, mikä vastaa kohdeosoitetta. Destination Address Range *** ********* ********* *** ********* otherwise Link interface examples: DA: DA: which interface? which interface? Network Layer 4-38

39 Datagram or VC network: why? Internet (datagram) data exchange among computers elastic service, no strict timing req. many link types different characteristics uniform service difficult smart end systems (computers) can adapt, perform control, error recovery simple inside network, complexity at edge ATM (VC) evolved from telephony human conversation: strict timing, reliability requirements need for guaranteed service dumb end systems telephones complexity inside network Network Layer 4-39

40 Datagrammi vai VC-verkko: miksi? Internet (datagrammi) datan vaihto koneiden välillä elastinen palvelu, ei tarkkaa ajastusta monia linkkityyppejä eri merkkejä yhtenäisen palvelun vaikeus älykkäät loppujärjestelmät (tietokoneet) voivat sopeutua, suorittaa valvontaa, virheen korjausta yksinkertaista verkon sisällä, monimutkaista reunalla ATM (VC) kehittynyt puhelinpalveluista ihmis-keskustelu: tarkka ajoitus, luotettavuuden vaatimukset tarve takuuvarmalle palvelulle tyhmät loppujärjestelmät puhelimet monimutkaisuus verkon sisällä Network Layer 4-40

41 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 4-41

42 Kappale 4: sisällys 4.1 esittely 4.2 virtuaaliset piirit ja datagrammiverkot 4.3 mitä on reitittimen sisällä 4.4 IP: Internet Protokolla datagram-muoto IPv4 osoitus ICMP IPv6 4.5 reititys algoritmit linkin vaihe etäisyys vektori hierarkkinen reititys 4.6 Reititys Internetissä RIP OSPF BGP 4.7 lähetyksen ja monilähetyksen reititys Network Layer 4-42

43 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 4-43

44 Katsaus reitittimen arkkitehtuuriin kaksi tärkeintä reitittimen toimintoa: ajaa reititys algoritmejä/protokollia (RIP, OSPF, BGP) edelleenlähettää datagrammit saapuvasta linkistä lähtevään 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 4-44

45 Input port functions line termination link layer protocol (receive ) lookup, forwarding queueing switch fabric 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 4-45

46 Sisääntuloportin toiminnot line termination link layer protocol (receive ) lookup, forwarding queueing hajautettu kytkentä: datagrammin kohde annettu, lähtöportin tarkistus sisääntuloportin muistin edelleenlähetystaulusta ( match plus action ) tavoite: sisääntuloportti prosessoi linjanopeudella jonotus: jos datagrammit saapuvat nopeammin kuin lähtevät pääsevät kytkentäyksikköön Network Layer 4-46

47 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 4-47

48 Kytkentäkehikot siirtävät paketin sisääntulopuskurista oikeaan ulosmeno puskuriin kytkentätaso: taso, jolla paketit voidaan siirtää sisääntulosta ulosmenoon mitataan usein useilla sisääntulos/ulosmeno linjatasoilla N sisääntuloa: kytkentätaso N kertaa linjatason toivottava taso kolmenlaisia kytkentäkehikkoja memory muisti väylä risteys? Network Layer 4-48

49 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 4-49

50 Kytkentä muistin kautta 1. sukupolven reitittimet: perinteiset tietokoneet, kytkentä suorassa CPU:n valvonnassa paketti kopioidaan järjestelmän muistiin nopeutta rajoittaa muistin kaistanleveys (2 väyläristeystä per datagrammi) input port (e.g., Ethernet) memory output port (e.g., Ethernet) system bus Network Layer 4-50

51 Switching via a bus datagram from input port memory to output port memory via a shared bus bus contention: switching speed limited by bus bandwidth 32 Gbps bus, Cisco 5600: sufficient speed for access and enterprise routers bus Network Layer 4-51

52 Kytkentä väylän kautta datagrammi sisääntuloportin muistista ulosmenoportin muistiin jaetun väylän kautta väylän ristiriita: kytkentävauhtia rajoittaa väylän kaistanleveys 32 Gbps väylä, Cisco 5600: riittävä nopeus pääsyyn ja yritysreitittimille bus Network Layer 4-52

53 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 4-53

54 Kytkentä yhteenliitettyjen verkkojen kautta voittaa kaistanleveyksien rajoitukset banyan-verkot, risteykset, muut yhteenliitety verkot lähtökohtaisesti kehitetty yhdistämään prosessoreita multiprosessoreihin edistynyt design: sirpaloituva datagrammi sovitun pituisiin soluihin, kytkee solut kehikon kautta. Cisco 12000: kytkee 60 Gbps yhteenliitetyn verkon kautta crossbar Network Layer 4-54

55 Output ports This slide in HUGELY important! switch fabric datagram buffer queueing link layer protocol (send) line termination buffering required when datagrams arrive from fabric faster than the transmission rate scheduling discipline chooses among queued datagrams performance, transmission network neutrality Datagram (packets) can be lost due to congestion, lack of buffers Priority scheduling who gets best Network Layer 4-55

56 Ulosmenoportit Tämä dia on todella tärkeä kytkinkehikko datagram buffer queueing link layer protocol (send) line termination puskurointi vaaditaan, kun datagrammit saapuvat kehikosta nopeammin kuin kuljetustaso ajastuksen järjestys valitsee jonottavista datagrammeista kuljetettavan Datagrammit (paketit) voidaan menettää ruuhkan takia, tai puskurien puutteessa Prioriteettiajatus kuka saa parhaan suoritustason, verkon neutraalius Network Layer 4-56

57 Output port queueing switch fabric switch fabric at t, packets more from input to output 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 4-57

58 Jonotuksen tulosmenoportti switch fabric switch fabric at t, packets more from input to output one packet time later puskurointi, kun saapumistaso kytkimen kautta ylittää ulosmeno linjan nopeuden jonotus (viive) ja menetys ulosmenoportin puskurista puskurin ylikuormittuessa! Network Layer 4-58

59 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 4-59

60 Miten paljon puskurointia? RFC 3439 sääntö: keskimääräinen puskurointi vastaa tyypillistä RTT (esim. 250 msec) kertaa linkin kapasiteetti C e.g., C = 10 Gpbs link: 2.5 Gbit buffer lähiaikojen suositus: N vuolla, puskurointi on RTT. C N Network Layer 4-60

61 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 switch fabric output port contention: only one red datagram can be transferred. lower red packet is blocked one packet time later: green packet experiences HOL blocking Network Layer 4-61

62 Sisääntuloportin jonotus kehikko hitaampi kuin sisääntuloportit yhdessä jonotusta voi esiintyä sisääntulossa jonotusviive ja menetys johtuvat sisääntulopuskurin ylikuormittumisesta! Linjan-pää (Head-of-the-Line) (HOL) blokkaus: jonottanut datagrammi ensimmäisenä jonossa estää muita jonossa etenemästä switch fabric switch fabric ulosmeno portin kannanotto: vain yksi punainen datagrammi voidaan siirtää. alempi punainen paketti on blokattu yksi paketti myöhemmin: vihreä paketti kokee HOL-blokkauksen Network Layer 4-62

63 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 4-63

64 Kappale 4: sisällys 4.1 esittely 4.2 virtuaaliset piirit ja datagrammiverkot 4.3 mitä on reitittimen sisällä 4.4 IP: Internet Protokolla datagram-muoto IPv4 osoitus ICMP IPv6 4.5 reititys algoritmit linkin vaihe etäisyys vektori hierarkkinen reititys 4.6 Reititys Internetissä RIP OSPF BGP 4.7 lähetyksen ja monilähetyksen reititys Network Layer 4-64

65 The Internet network layer host, router network layer functions: transport layer: TCP, UDP network layer routing protocols path selection RIP, OSPF, BGP forwarding table IP protocol addressing conventions datagram format packet handling conventions ICMP protocol error reporting router signaling link layer physical layer Network Layer 4-65

66 Internetin verkkokerros isäntä, reititin verkkokerroksen toiminnot: transport layer: TCP, UDP verkkokerros routing protocols - path selection - RIP, OSPF, BGP forwarding table IP protocol - addressing conventions - datagram format - packet handling conventions ICMP protocol - error reporting - router signaling link layer physical layer Network Layer 4-66

67 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 ver head. len 16-bit identifier time to live type of service upper layer 32 bits flgs length fragment offset header checksum 32 bit source IP address 32 bit destination IP address options (if any) data (variable length, typically a TCP or UDP segment) total datagram length (bytes) for fragmentation/ reassembly e.g. timestamp, record route taken, specify list of routers to visit. Network Layer 4-67

68 IP datagrammin muoto IP protokollan versionumero otsikon pituus (bytes) datan tyyppi maks jäljellä oleva määrä hyppää (pienennetään joka reitittimellä) ylemmän kerroksen protokolla, jolle hyötykuorma toimitetaan paljonko yläpuolella? 20 bittiä TCP:stä 20 bittiä IP:stä = 40 bittiä + sovelluskerros yläpuolella ver head. len 16-bit identifier time to live type of service upper layer 32 bits flgs length fragment offset header checksum 32 bit source IP address 32 bit destination IP address options (if any) data (variable length, typically a TCP or UDP segment) datagrammin täysi pituus (bittiä) hajontaa/ uudelleenkokoamista varten esim. aikaleima, reitti varattu, tarkenna käytettävien reitittimien listaa. Network Layer 4-68

69 IP fragmentation, 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 reassembly fragmentation: in: one large datagram out: 3 smaller datagrams Network Layer 4-69

70 IP:n hajanaisuus, uudelleenkoonti verkon linkeillä on MTU (max. transfer size) - suurin mahdollinen linkki - tason kehys erilaisia linkkityyppejä, eri MTU:ja iso IP datagrammi jaetaan ( hajotetaan ) nettiin yhdestä datagrammistä tulee useita datagrammeja uudelleenkoonti vain lopullisessa kohteessa IP-otsikon bitit identifioivat, järjestykseen liittyvät palaset reassembly fragmentation: in: one large datagram out: 3 smaller datagrams Network Layer 4-70

71 IP fragmentation, reassembly example: 4000 byte datagram MTU = 1500 bytes length =4000 ID =x fragflag =0 offset =0 one large datagram becomes several smaller datagrams 1480 bytes in data field length =1500 ID =x fragflag =1 offset =0 offset = 1480/8 length =1500 ID =x fragflag =1 offset =185 length =1040 ID =x fragflag =0 offset =370 Network Layer 4-71

72 IP:n hajanaisuus, uudelleenkoonti esimerkki: 4000 bitin datagrammi MTU = 1500 bittiä length =4000 ID =x fragflag =0 offset =0 one large datagram becomes several smaller datagrams 1480 bittiä datakentässä length =1500 ID =x fragflag =1 offset =0 vastine = 1480/8 length =1500 length =1040 ID =x ID =x fragflag =1 fragflag =0 offset =185 offset =370 Network Layer 4-72

73 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 4-73

74 Kappale 4: sisällys 4.1 esittely 4.2 virtuaaliset piirit ja datagrammiverkot 4.3 mitä on reitittimen sisällä 4.4 IP: Internet Protokolla datagram-muoto IPv4 osoitus ICMP IPv6 4.5 reititys algoritmit linkin vaihe etäisyys vektori hierarkkinen reititys 4.6 Reititys Internetissä RIP OSPF BGP 4.7 lähetyksen ja monilähetyksen reititys Network Layer 4-74

75 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 4-75

76 IP-osoitus: esittely IP-osoite: 32-bittinen isännän määrittelevä tunniste, reitittimen liitäntä liitäntä: yhteys isännän/reitittimen ja fyysisen linkin välillä reitittimillä on yleensä useita liitäntöjä isännällä on yleensä yksi tai kaksi liitäntää (esim., langallinen Ethernet, langaton ) IP-osoitteet liittyvät joka liitäntään = Network Layer 4-76

77 IP addressing: introduction Q: how are interfaces actually connected? A: we ll learn about that in chapter 5, 6. 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 4-77

78 IP-osoitus: esittely Q: miten liitännät ovat oikeastaan yhdistetty? A: opimme siitä kappaleissa 5 ja A: langallinen Ethernet liitäntä yhdistetty Ethernet kytkimillä Toistaiseksi: älä murehdi, miten yksi liitäntä yhdistetään toiseen (ilman osallistuvaa reititintä) A: langaton WiFi liitäntä yhdistetty WiFi perusasemaan Network Layer 4-78

79 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 4-79

80 Aliverkot IP-osoite: aliverkon osa - järjestyksessä ylemmät bitit isännän osa - järjestyksessä alemmat bitit mikä on aliverkko? laitteet liitetty aliverkossa osaksi IP-osoitetta voivat fyysisesti saada yhteyden toiseen ilman reititintä välissä subnet verkko, jossa 3 aliverkkoa Network Layer 4-80

81 Subnets 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 4-81

82 Aliverkot resepti aliverkkojen määrittämiseen, irrota jokainen liitäntä isännästä tai reitittimestä, luo erillisten verkkojen saarekkeita jokainen erillinen verkko on aliverkko / / subnet /24 aliverkon maski: /24 Network Layer 4-82

83 Subnets how many? Network Layer 4-83

84 Aliverkot montako? Network Layer 4-84

85 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 /23 host part Network Layer 4-85

86 IP osoitus: CIDR CIDR: Classless InterDomain Routing aliverkon osa osoitteesta, mielivaltainen pituus osoitteen muoto: a.b.c.d/x, jossa x on bittien määrä aliverkon osassa osoitetta subnet part /23 host part Network Layer 4-86

87 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 4-87

88 IP osoitteet: miten saada osoite? Q: Miten isäntä saa IP-osoitteen? ylläpitäjä koodannut järjestelmän taustatiedostoon Windows: control-panel->network->configuration- >tcp/ip->properties UNIX: /etc/rc.config DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol: hakee dynaamisesti osoitteen serveriltä heti käyttövalmis Network Layer 4-88

89 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 4-89

90 DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol tavoite: antaa isännälle IP-osoite dynaamisesti verkon serveriltä, kun se liittyy verkkoon voi uusia sopimuksen käyttämästään osoitteesta sallii osoitteiden uudelleenkäytön (pitää osoitetta ainoastaan kun on yhteydessä) tukee mobiilikäyttäjiä, jotka haluavat liittyä verkkoon (lyhyemmäksi aikaa) DHCP yleiskuva: isäntä lähettää DHCP discover msg [optional] DHCP serveri vastaa DHCP offer msg [optional] isäntä pyytää IP-osoitetta: DHCP request msg DHCP serveri lähettää osoitteen: DHCP ack msg Network Layer 4-90

91 DHCP client-server scenario / DHCP server arriving DHCP client needs address in this network / /24 Network Layer 4-91

92 DHCP asiakas-serveri-tilanne / DHCP server saapuva DHCP asiakas tarvitsee osoitteen tässä verkossa / /24 Network Layer 4-92

93 DHCP client-server scenario DHCP server: DHCP discover src : , 68 dest.: ,67 yiaddr: transaction ID: 654 Broadcast: is there a DHCP server out there? arriving client DHCP request DHCP offer src: , 68 dest:: , 67 yiaddrr: that transaction IP address! ID: 655 lifetime: 3600 secs Broadcast: OK. I ll take src: , 67 dest: , 68 yiaddrr: transaction ID: 654 lifetime: 3600 secs Broadcast: I m a DHCP server! Here s an IP address you can use DHCP ACK src: , 67 dest: , 68 yiaddrr: transaction ID: 655 lifetime: 3600 secs Broadcast: OK. You ve got that IP address! Network Layer 4-93

94 DHCP asiakas-serveri-tilanne DHCP serveri: DHCP discover src : , 68 dest.: ,67 yiaddr: transaction ID: 654 Broadcast: is there a DHCP server out there? arriving client DHCP request DHCP offer src: , 68 dest:: , 67 yiaddrr: transaction ID: 655 lifetime: 3600 secs Broadcast: OK. I ll take that IP address! src: , 67 dest: , 68 yiaddrr: transaction ID: 654 lifetime: 3600 secs Broadcast: I m a DHCP server! Here s an IP address you can use DHCP ACK src: , 67 dest: , 68 yiaddrr: transaction ID: 655 lifetime: 3600 secs Broadcast: OK. You ve got that IP address! Network Layer 4-94

95 DHCP: more than IP addresses DHCP can return more than just allocated IP address on subnet: address of first-hop router for client name and IP address of DNS sever network mask (indicating network versus host portion of address) Network Layer 4-95

96 DHCP: enemmän kuin IP-osoitteita DHCP voi tehdä enemmän, kuin vain jaetun IPosoitteen aliverkkoon: osoite asiakkaan ensimmäiselle reitittimelle DNS serverin nimi ja IP-osoite verkon maski (kertoo verkon vs. isännän osuuden osoitteesta) Network Layer 4-96

97 DHCP: example DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP UDP IP Eth Phy 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 4-97

98 DHCP: esimerkki DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP UDP IP Eth Phy DHCP yhdistävä läppäri tarvitsee IP-osoitteen, ensimmäisen reitittimien osoitteen, ja DNS-serverin osoitteen: käytä DHCP:tä DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP UDP IP Eth Phy router with DHCP server built into router DHCP pyyntö kapseloitu UDP:hen, kapseloitu IP:hen, kapseloitu Ethernetiin Ethernet kehyksen lähetys (kohde: FFFFFFFFFFFF) LANissa, vastaanotettu reitittimelle DHCP serveriltä Ethernet, IP ja UDP yhdistetty DHCP:hen Network Layer 4-98

99 DHCP: example DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP UDP IP Eth Phy 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 encapsulation server 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 4-99

100 DHCP: esimerkki DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP UDP IP Eth Phy DCP serveri luo DHCP ACK:n, jossa on asiakkaan IP-osoite, ensimmäisen reitittimen IP-osoite, DNS serverin asiakas, nimi ja IP-osoite DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP UDP IP Eth Phy router with DHCP server built into router DHCP-serverin kapselointi, kehys ed. lähetetty asiakkaalle, yhdistetty asiakkaan DHCP:hen Asiakas tietää nyt IPosoitteensa, nimensä ja DNS-serverin nimen ja IP-osoitteen, ja polun ensimmäisen reitittimen IP-osoitteen Network Layer 4-100

101 DHCP: Wireshark output (home LAN) Message type: Boot Request (1) Hardware type: Ethernet Hardware address length: 6 Hops: 0 request 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 Message type: Boot Reply (2) Hardware type: Ethernet reply 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." Network Layer 4-101

102 DHCP: Wireshark ulostulo (kotiverkko) Message type: Boot Request (1) Hardware type: Ethernet Hardware address length: 6 Hops: 0 pyyntö 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 Message type: Boot Reply (2) Hardware type: Ethernet vastaus 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." Network Layer 4-102

103 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 /23 Organization /23 Organization / Organization /23 Network Layer 4-103

104 IP-osoitteet: miten saada osoite? Q: miten verkko saa aliverkon osan IP-osoitteen? A: sille jaetaan osa palveluntarjoajan osoitetilasta ISP's block /20 Organization /23 Organization /23 Organization / Organization /23 Network Layer 4-104

105 Hierarchical addressing: route aggregation hierarchical addressing allows efficient advertisement of routing information: Organization /23 Organization /23 Organization /23 Organization / Fly-By-Night-ISP ISPs-R-Us Send me anything with addresses beginning /20 Send me anything with addresses beginning /16 Internet Network Layer 4-105

106 Hierarkkinen osoitus: reitin aggregaatti hierarkkinen osoitus sallii tehokkaan reititystiedon mainostamisen: 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 4-106

107 Hierarchical addressing: more specific routes ISPs-R-Us has a more specific route to Organization 1 Organization /23 Organization /23 Organization /23 Organization / Fly-By-Night-ISP ISPs-R-Us Send me anything with addresses beginning /20 Send me anything with addresses beginning /16 or /23 Internet Network Layer 4-107

108 Hierarkkinen osoitus: tarkemmat reitit ISPs-R-U:illa on tarkempi reitti Organization 1:een Organization /23 Organization /23 Organization /23 Organization / Fly-By-Night-ISP ISPs-R-Us Send me anything with addresses beginning /20 Send me anything with addresses beginning /16 or /23 Internet Network Layer 4-108

109 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 4-109

110 IP-osoitus: viimeiset sanat... Q: miten palveluntarjoaja saa osoitelohkon? A: ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers jakaa osoitteita hallitsee DNS:ää osoittaa domain-nimet, selvittää riidat Network Layer 4-110

111 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 4-111

112 NAT: network address translation, verkko-osoitteen kääntäminen rest of Internet local network (e.g., home network) / kaikki datagrammit lähtevät paikallisesta verkosta omaavaat saman lähde- NAT-IP-osoitteen: , eri lähdeporttinumerot datagrammit, joilla on lähde tai kohde tässä verkossa, omaavat /24 osoitteen lähde, kohde (kuten yleensä) Network Layer 4-112

113 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 4-113

114 NAT: verkko-osoitteen kääntäminen motivaatio: lähiverkko käyttää yhtä IP-osoitetta, kun muu maailma otetaan huomioon: osoitteiden valikoimaa ei tarvita ISPltä: vain yksi IP-osoite kaikille laitteille voi vaihtaa laitteiden osoitteet lähiverkossa ilman muulle maailmalle ilmoittamista voi vaihtaa ISP:tä muuttamatta lähiverkon laitteiden osoitteita laitteet lähiverkon sisällä eivät ole suoraan osoitettavissa, näkyvissä muulle maailmalle (plussaa turvallisuudesta) Network Layer 4-114

115 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 4-115

116 NAT: verkko-osoitteen kääntäminen toteutus: NAT reitittimen täytyy: lähtevät datagrammit: korvaa (lähde IP-osoite, port #) jokaiseen lähtevään datagrammiin (NAT IP-osoite, uusi portti #)... etäasiakkaat/serverit vastaavat käyttämällä (NAT IP-osoite, uusi portti #) kohdeosoitteena muista ( NAT kääntötaulu) joka (lähde IP-osoite, portti #) NAT IPosoite, uusi portti #) käännöspari saapuvat datagrammit: korvaa (NAT IP-osoite, uusi portti #) kohteen kentissä jokaiselle saapuvalle datagrammille vastaava (lähde IP-osoite, portti #) NAT-taulusta Network Layer 4-116

117 NAT: network address translation 2: NAT router changes datagram source addr from , 3345 to , 5001, updates table 2 NAT translation table WAN side addr LAN side addr , , 3345 S: , 5001 D: , S: , 3345 D: , : host sends datagram to , S: , 80 D: , : reply arrives dest. address: , 5001 S: , 80 D: , : NAT router changes datagram dest addr from , 5001 to , 3345 Network Layer 4-117

118 NAT: verkko-osoitteen kääntäminen 2: NAT-reititin vaihtaa datagrammin lähdeosoitteen , , 5001, päivittää tauluun 2 NAT translation table WAN side addr LAN side addr , , 3345 S: , 5001 D: , S: , 3345 D: , : isäntä lähettää datagrammin , S: , 80 D: , : vastaus saapuu kohdeosoite: , 5001 S: , 80 D: , : NAT reititin vaihtaa datagrammin kohdeosoitteen , , 3345 Network Layer 4-118