Основы TCP/IP для будущих дилетантов / Habr

Предположим, что вы плохо владеете сетевыми технологиями, и даже не знаете элементарных основ. Но вам поставили задачу: в быстрые сроки построить информационную сеть на небольшом предприятии. У вас нет ни времени, ни желания изучать толстые талмуды по проектированию сетей, инструкции по использованию сетевого оборудования и вникать в сетевую безопасность. И, главное, в дальнейшем у вас нет никакого желания становиться профессионалом в этой области. Тогда эта статья для вас.

Вторая часть этой статьи, где рассматривается практическое применение изложенных здесь основ: Заметки о Cisco Catalyst: настройка VLAN, сброс пароля, перепрошивка операционной системы IOS

Понятие о стеке протоколов

Задача — передать информацию от пункта А в пункт В. Её можно передавать непрерывно. Но задача усложняется, если надо передавать информацию между пунктами A<-->B и A<-->C по одному и тому же физическому каналу. Если информация будет передаваться непрерывно, то когда С захочет передать информацию в А — ему придётся дождаться, пока В закончит передачу и освободит канал связи. Такой механизм передачи информации очень неудобен и непрактичен. И для решения этой проблемы было решено разделять информацию на порции.

На получателе эти порции требуется составить в единое целое, получить ту информацию, которая вышла от отправителя. Но на получателе А теперь мы видим порции информации как от В так и от С вперемешку. Значит, к каждой порции надо вписать идентификационный номер, что бы получатель А мог отличить порции информации с В от порций информации с С и собрать эти порции в изначальное сообщение. Очевидно, получатель должен знать, куда и в каком виде отправитель приписал идентификационные данные к исходной порции информации. И для этого они должны разработать определённые правила формирования и написания идентификационной информации. Далее слово «правило» будет заменяться словом «протокол».

Для соответствия запросам современных потребителей, необходимо указывать сразу несколько видов идентификационной информации. А так же требуется защита передаваемых порций информации как от случайных помех (при передаче по линиям связи), так и от умышленных вредительств (взлома). Для этого порция передаваемой информации дополняется значительным количеством специальной, служебной информацией.

В протоколе Ethernet находятся номер сетевого адаптера отправителя (MAC-адрес), номер сетевого адаптера получателя, тип передаваемых данных и непосредственно передаваемые данные. Порция информации, составленная в соответствии с протоколом Ethernet, называется кадром. Считается, что сетевых адаптеров с одинаковым номером не существует. Сетевое оборудование извлекает передаваемые данные из кадра (аппаратно или программно), и производит дальнейшую обработку.

Как правило, извлечённые данные в свою очередь сформированы в соответствии с протоколом IP и имеют другой вид идентификационной информации — ip адрес получателя (число размером в 4 байта), ip адрес отправителя и данные. А так же много другой необходимой служебной информации. Данные, сформированные в соответствии с IP протоколом, называются пакетами.

Далее извлекаются данные из пакета. Но и эти данные, как правило, ещё не являются изначально отправляемыми данными. Этот кусок информации тоже составлен в соответствии определённому протоколу. Наиболее широко используется TCP протокол. В нём содержится такая идентификационная информация, как порт отправителя (число размером в два байта) и порт источника, а так же данные и служебная информация. Извлечённые данные из TCP, как правило, и есть те данные, которые программа, работающая на компьютере В, отправляла «программе-приёмнику» на компьютере A.

Вложность протоколов (в данном случае TCP поверх IP поверх Ethernet) называется стеком протоколов.

ARP: протокол определения адреса

Существуют сети классов A, B, C, D и E. Они различаются по количеству компьютеров и по количеству возможных сетей/подсетей в них. Для простоты, и как наиболее часто встречающийся случай, будем рассматривать лишь сеть класса C, ip-адрес которой начинается на 192.168. Следующее число будет номером подсети, а за ним — номер сетевого оборудования. К примеру, компьютер с ip адресом 192.168.30.110 хочет отправить информацию другому компьютеру с номером 3, находящемуся в той же логической подсети. Это значит, что ip адрес получателя будет такой: 192.168.30.3

Важно понимать, что узел информационной сети — это компьютер, соединённый одним физическим каналом с коммутирующим оборудованием. Т.е. если мы отправим данные с сетевого адаптера «на волю», то у них одна дорога — они выйдут с другого конца витой пары. Мы можем послать совершенно любые данные, сформированные по любому, выдуманному нами правилу, ни указывая ни ip адреса, ни mac адреса ни других атрибутов. И, если этот другой конец присоединён к другому компьютеру, мы можем принять их там и интерпретировать как нам надо. Но если этот другой конец присоединён к коммутатору, то в таком случае пакет информации должен быть сформирован по строго определённым правилам, как бы давая коммутатору указания, что делать дальше с этим пакетом. Если пакет будет сформирован правильно, то коммутатор отправит его дальше, другому компьютеру, как было указано в пакете. После чего коммутатор удалит этот пакет из своей оперативной памяти. Но если пакет был сформирован не правильно, т.е. указания в нём были некорректны, то пакет «умрёт», т.е. коммутатор не будет отсылать его куда либо, а сразу удалит из своей оперативной памяти.

Для передачи информации другому компьютеру, в отправляемом пакете информации надо указать три идентификационных значения — mac адрес, ip адрес и порт. Условно говоря, порт — это номер, который, выдаёт операционная система каждой программе, которая хочет отослать данные в сеть. Ip адрес получателя вводит пользователь, либо программа сама получает его, в зависимости от специфики программы. Остаётся неизвестным mac адрес, т.е. номер сетевого адаптера компьютера получателя. Для получения необходимой данной, отправляется «широковещательный» запрос, составленный по так называемому «протоколу разрешения адресов ARP». Ниже приведена структура ARP пакета.

Сейчас нам не надо знать значения всех полей на приведённой картинке. Остановимся лишь на основных.

В поля записываются ip адрес источника и ip адрес назначения, а так же mac адрес источника.

Поле «адрес назначения Ethernet» заполняется единицами (ff:ff:ff:ff:ff:ff). Такой адрес называется широковещательным, и такой фрейм будер разослан всем «интерфейсам на кабеле», т.е. всем компьютерам, подключённым к коммутатору.

Коммутатор, получив такой широковещательный фрейм, отправляет его всем компьютерам сети, как бы обращаясь ко всем с вопросом: «если Вы владелец этого ip адреса (ip адреса назначения), пожалуйста сообщите мне Ваш mac адрес». Когда другой компьютер получает такой ARP запрос, он сверяет ip адрес назначения со своим собственным. И если он совпадает, то компьютер, на место единиц вставляет свой mac адрес, меняет местами ip и mac адреса источника и назначения, изменяет некоторую служебную информацию и отсылает пакет обратно коммутатору, а тот обратно — изначальному компьютеру, инициатору ARP запроса.

Таким образом ваш компьютер узнаёт mac адрес другого компьютера, которому вы хотите отправить данные. Если в сети находится сразу несколько компьютеров, отвечающих на этот ARP запрос, то мы получаем «конфликт ip адресов». В таком случае необходимо изменить ip адрес на компьютерах, что бы в сети не было одинаковых ip адресов.

Построение сетей

Задача построения сетей

На практике, как правило, требуется построить сети, число компьютеров в которой будет не менее ста. И кроме функций файлообмена, наша сеть должна быть безопасной и простой в управлении. Таким образом, при построении сети, можно выделить три требования:

Простота в управлении. Если бухгалтера Лиду переведут в другой кабинет, ей по-прежнему понадобится доступ к компьютерам бухгалтеров Анны и Юлии. И при неправильном построении своей информационной сети, у администратора могут возникнуть трудности в выдаче Лиде доступа к компьютерам других бухгалтеров на её новом месте.
Обеспечение безопасности. Для обеспечения безопасности нашей сети, права доступа к информационным ресурсам должны быть разграничены. Так же сеть должна быть защищена от угроз раскрытия, целостности и отказа в обслуживании. Подробнее читайте в книге «Атака на Internet» автора Илья Давидович Медведовский, глава «Основные понятия компьютерной безопасности».
Быстродействие сети. При построении сетей есть техническая проблема — зависимость скорости передачи от количества компьютеров в сети. Чем больше компьютеров — тем ниже скорость. При большом количестве компьютеров, быстродействие сети может стать настолько низким, что она станет неприемлемой заказчику.

Из-за чего при большом количестве компьютеров снижается скорость сети? — причина проста: из-за большого количества широковещательных сообщений (ШС). ШС — это сообщение, которое, приходя на коммутатор, отправляется всем хостам сети. Или, грубо говоря, всем компьютерам, находящимся в вашей подсети. Если компьютеров в сети 5, то каждый компьютер будет принимать по 4 ШС. Если их будет 200, то каждый компьютер в такой большой сети будет принимать по 199 ШС.

Существует большое множество приложений, программных модулей и сервисов, которые, для своей работы отправляют в сеть широковещательные сообщения. Описанный в пункте ARP: протокол определения адреса лишь один из множества ШС, отправляемый вашим компьютером в сеть. Например, когда вы заходите в «Сетевое окружение» (ОС Windows), ваш компьютер посылает ещё несколько ШС со специальной информацией, сформированной по протоколу NetBios, что бы просканировать сеть на наличие компьютеров, находящихся в той же рабочей группе. После чего ОС рисует найденные компьютеры в окне «Сетевое окружение» и вы их видите.

Так же стоит заметить, что во время процесса сканирования той или иной программой, ваш компьютер отсылает ни одно широковещательное сообщение, а несколько, к примеру для того, что бы установить с удалёнными компьютерами виртуальные сессии или ещё для каких либо системных нужд, вызванных проблемами программной реализации этого приложения. Таким образом, каждый компьютер в сети для взаимодействия с другими компьютерами вынужден посылать множество различных ШС, тем самым загружая канал связи не нужной конечному пользователю информацией. Как показывает практика, в больших сетях широковещательные сообщения могут составить значительную часть трафика, тем самым замедляя видимую для пользователя работу сети.

Виртуальные локальные сети

Для решения первой и третьей проблем, а так же в помощь решения второй проблемы, повсеместно используют механизм разбиения локальной сети на более маленькие сети, как бы отдельные локальные сети (Virtual Local Area Network). Грубо говоря, VLAN — это список портов на коммутаторе, принадлежащих одной сети. «Одной» в том смысле, что другой VLAN будет содержать список портов, принадлежащих другой сети.

Фактически, создание двух VLAN-ов на одном коммутаторе эквивалентно покупке двух коммутаторов, т.е. создание двух VLAN-ов — это всё равно, что один коммутатор разделить на два. Таким образом происходит разбиение сети из ста компьютеров на более маленькие сети, из 5-20 компьютеров — как правило именно такое количество соответствует физическому местонахождению компьютеров по надобности файлообмена.

При разбиении сети на VLAN-ы достигается простота управления. Так, при переходе бухгалтера Лиды в другой кабинет, администратору достаточно удалить порт из одного VLAN-а и добавить в другой. Подробнее это рассмотрено в пункте VLAN-ы, теория.
VLAN-ы помогают решить одно из требований к безопасности сети, а именно разграничение сетевых ресурсов. Так, студен из одной аудитории не сможет проникнуть на компьютеры другой аудитории или компьютер ректора, т.к. они находятся в фактически разных сетях.
Т.к. наша сеть разбита на VLAN-ы, т.е. на маленькие «как бы сети», пропадает проблема с широковещательными сообщениями.

VLAN-ы, теория

Возможно, фраза «администратору достаточно удалить порт из одного VLAN-а и добавить в другой» могла оказаться непонятной, поэтому поясню её подробнее. Порт в данном случае — это не номер, выдаваемый ОС приложению, как было рассказано в пункте Стек протоколов, а гнездо (место) куда можно присоединить (вставить) коннектор формата RJ-45. Такой коннектор (т.е. наконечник к проводу) прикрепляется к обоим концам 8-ми жильного провода, называемого «витая пара». На рисунке изображён коммутатор Cisco Catalyst 2950C-24 на 24 порта:

Как было сказано в пункте ARP: протокол определения адреса каждый компьютер соединён с сетью одним физическим каналом. Т.е. к коммутатору на 24 порта можно присоединить 24 компьютера. Витая пара физически пронизывает все помещения предприятия — все 24 провода от этого коммутатора тянутся в разные кабинеты. Пусть, к примеру, 17 проводов идут и подсоединяются к 17-ти компьютерам в аудитории, 4 провода идут в кабинет спецотдела и оставшиеся 3 провода идут в только что отремонтированный, новый кабинет бухгалтерии. И бухгалтера Лиду, за особые заслуги, перевели в этот самый кабинет.

Как сказано выше, VLAN можно представлять в виде списка принадлежащих сети портов. К примеру, на нашем коммутаторе было три VLAN-а, т.е. три списка, хранящиеся во flash-памяти коммутатора. В одном списке были записаны цифры 1, 2, 3… 17, в другом 18, 19, 20, 21 и в третьем 22, 23 и 24. Лидин компьютер раньше был присоединён к 20-ому порту. И вот она перешла в другой кабинет. Перетащили её старый компьютер в новый кабинет, или она села за новый компьютер — без разницы. Главное, что её компьютер присоединили витой парой, другой конец которой вставлен в порт 23 нашего коммутатора. И для того, что бы она со своего нового места могла по прежнему пересылать файлы своим коллегам, администратор должен удалить из второго списка число 20 и добавить число 23. Замечу, что один порт может принадлежать только одному VLAN-у, но мы нарушим это правило в конце этого пункта.

Замечу так же, что при смене членства порта в VLAN, администратору нет никакой нужды «перетыкать» провода в коммутаторе. Более того, ему даже не надо вставать с места. Потому что компьютер администратора присоединён к 22-ому порту, с помощью чего он может управлять коммутатором удалённо. Конечно, благодаря специальным настройкам, о которых будет рассказано позже, лишь администратор может управлять коммутатором. О том, как настраивать VLAN-ы, читайте в пункте VLAN-ы, практика [в следующей статье].

Как вы, наверное, заметили, изначально (в пункте Построение сетей) я говорил, что компьютеров в нашей сети будет не менее 100. Но к коммутатору можно присоединить лишь 24 компьютера. Конечно, есть коммутаторы с большим количеством портов. Но компьютеров в корпоративной сети/сети предприятия всё равно больше. И для соединения бесконечно большого числа компьютеров в сеть, соединяют между собой коммутаторы по так называемому транк-порту (trunk). При настройке коммутатора, любой из 24-портов можно определить как транк-порт. И транк-портов на коммутаторе может быть любое количество (но разумно делать не более двух). Если один из портов определён как trunk, то коммутатор формирует всю пришедшую на него информацию в особые пакеты, по протоколу ISL или 802.1Q, и отправляет эти пакеты на транк-порт.

Всю пришедшую информацию — имеется в виду, всю информацию, что пришла на него с остальных портов. А протокол 802.1Q вставляется в стек протоколов между Ethernet и тем протоколом, по которому были сформированные данные, что несёт этот кадр.

В данном примере, как вы, наверное, заметили, администратор сидит в одном кабинете вместе с Лидой, т.к. витая пора от портов 22, 23 и 24 ведёт в один и тот же кабинет. 24-ый порт настроен как транк-порт. А сам коммутатор стоит в подсобном помещении, рядом со старым кабинетом бухгалтеров и с аудиторией, в которой 17 компьютеров.

Витая пара, которая идёт от 24-ого порта в кабинет к администратору, подключается к ещё одному коммутатору, который в свою очередь, подключён к роутеру, о котором будет рассказано в следующих главах. Другие коммутаторы, которые соединяют другие 75 компьютеров и стоят в других подсобных помещениях предприятия — все они имеют, как правило, один транк-порт, соединённый витой парой или по оптоволокну с главным коммутатором, что стоит в кабинете с администратором.

Выше было сказано, что иногда разумно делать два транк-порта. Второй транк-порт в таком случае используется для анализа сетевого трафика.

Примерно так выглядело построение сетей больших предприятий во времена коммутатора Cisco Catalyst 1900. Вы, наверное, заметили два больших неудобства таких сетей. Во первых, использование транк-порта вызывает некоторые сложности и создаёт лишнюю работу при конфигурировании оборудования. А во вторых, и в самых главных — предположим, что наши «как бы сети» бухгалтеров, экономистов и диспетчеров хотят иметь одну на троих базу данных. Они хотят, что бы та же бухгалтерша смогла увидеть изменения в базе, которые сделала экономистка или диспетчер пару минут назад. Для этого нам надо сделать сервер, который будет доступен всем трём сетям.

Как говорилось в середине этого пункта, порт может находиться лишь в одном VLAN-е. И это действительно так, однако, лишь для коммутаторов серии Cisco Catalyst 1900 и старше и у некоторых младших моделей, таких как Cisco Catalyst 2950. У остальных коммутаторов, в частности Cisco Catalyst 2900XL это правило можно нарушить. При настройке портов в таких коммутаторах, каждый порт может иметь пять режимов работы: Static Access, Multi-VLAN, Dynamic Access, ISL Trunk и 802.1Q Trunk. Второй режим работы именно то, что нам нужно для выше поставленной задачи — дать доступ к серверу сразу с трёх сетей, т.е. сделать сервер принадлежащим к трём сетям одновременно. Так же это называется пересечением или таггированием VLAN-ов. В таком случае схема подключения может быть такой:

Продолжение следует

Об этой статье

Статья опробована на реальных студентах. Я давал им прочитать часть статьи и оценить на понятность. Затем редактировал и упрощал материал до тех пор, пока он ни стал понятен даже самым отпетым двоечникам.