Εργαστηριακή Έκθεση 3

Στρώμα Δικτύου: IP Πρωτόκολλο και Πρωτόκολλα Δρομολόγησης

    Εξοικείωση με τις λογικές διαδικασίες που υλοποιούνται στο επίπεδο του Στρώματος  Δικτύου (Network Layer, OSI) στα δίκτυα ΗΥ. Θα εξεταστούν:

- Η λειτουργικότητα του πρωτοκόλλου IP (Internet Protocol)

- Η λειτουργικότητα των  IP διευθύνσεων και των Μασκών Δικτύου (Network Mask)

- Η λειτουργικότητα των Δυναμικών Πρωτοκόλλων Δρομολόγησης

- Οι αρχές λειτουργίας των Πρωτοκόλλων Δρομολόγησης Κατάστασης Ζεύξης (Link State Routing Protocols)

- Η λειτουργία του OSPF (Open Shortest Path First) Πρωτοκόλλου, ως χαρακτηριστικό παράδειγμα Δυναμικού Πρωτοκόλλου Δρομολόγησης Κατάστασης Ζεύξης

Εδώ, μπορείς να βρεις το αρχείο της άσκησης.

Εργαστηριακή Έκθεση 3

 Στρώμα Δικτύου / Network Layer, OSI

IP Πρωτόκολλο και Πρωτόκολλα Δρομολόγησης

- Η λειτουργικότητα του πρωτοκόλλου IP (Internet Protocol):

- Η λειτουργικότητα των  IP διευθύνσεων και των Μασκών Δικτύου (Network Mask):  

     Η IP Address, διεύθυνση πρωτοκόλλου internet είναι ένας αριθμός που χαρακτηρίζει τον υπολογιστή μας στο δίκτυο και στο διαδίκτυο (πχ 10.0.60.2). Χρησιμοποιείται για απομακρυσμένες συνδέσεις.

Τον αριθμό αυτόν τον διαμορφώνει ο διαχειριστής του δικτύου ΗΥ και ενώ είναι δυαδικός αριθμός, τον συναντάμε στη δεκαδική του εκδοχή, για ευκολία (όπως βλέπουμε και στο παραπάνω παράδειγμα). Κάποια κομμάτια από αυτόν τον αριθμό υποδηλώνουν την ταυτότητα-διεύθυνση του δικτύου, στο οποίο ανήκει ο υπολογιστής και τα υπόλοιπα υποδηλώνουν την ταυτότητα-διεύθυνση του υπολογιστή.

     Στην εφαρμογή Command Promt των Windows, πληκτρολογώντας την εντολή ipconfing, μπορούμε να δούμε τα χαρακτηριστικά του υπολογιστή μας, σε σχέση με τη διεύθυνση πρωτοκόλλου internet:

* IP Address (πχ 172.16.136.54), που όπως προαναφέραμε είναι ένας αριθμός που χαρακτηρίζει τον υπολογιστή μας στο δίκτυο και στο διαδίκτυο και χρησιμοποιείται για απομακρυσμένες συνδέσεις.

* Subnet Mask-Μάσκα Υποδικτύου (πχ 255.255.0.0), είναι ένας αριθμός που δείχνει ποια κομμάτια της IP Address υποδηλώνουν την ταυτότητα-διεύθυνση του δικτύου, στο οποίο ανήκει ο υπολογιστής και ποια κομμάτια υποδηλώνουν την ταυτότητα-διεύθυνση του υπολογιστή. Ο αριθμός 255 στην Subnet Mask, δείχνει ότι ο αριθμός που βρίσκεται στο αντίστοιχη θέση στην IP Address υποδηλώνει τη διεύθυνση του δικτύου, που ανήκει ο υπολογιστής. Ο αριθμός 0 στην Subnet Mask, δείχνει ότι ο αριθμός που βρίσκεται στο αντίστοιχη θέση στην IP Address υποδηλώνει τη διεύθυνση του υπολογιστή.

* Default Gateway-Προεπιλεγμένη πύλη (πχ 172.16.230.1), είναι ένα αριθμός με την IP Address του router δρομολογητή) του δικτύου. Είναι η διεύθυνση εξόδου του τοπικού δικτύου (LAN) προς τα άλλα δίκτυα.

Την IP Address, την Subnet Mask-Μάσκα Υποδικτύου και την Default Gateway-Προεπιλεγμένη πύλη μπορούμε να τη δούμε και με άλλον τρόπο, εκτός της εφαρμογής Command Promt των Windows. Μπορούμε στον ΗΥ πηγαίνοντας: Έναρξη > Πίνακας ελέγχου > Συνδέσεις Δικτύου και αφού επιλέξουμε τη σύνδεση του Δικτύου, να επιλέξουμε είτε την καρτέλα Υποστήριξη, είτε Ιδιότητες > Internet Protocol (TCP/IP) > Ιδιότητες. 

- Η λειτουργικότητα των Δυναμικών Πρωτοκόλλων Δρομολόγησης 

    Στα δίκτυα υπολογιστών ο όρος δρομολόγηση (routing) αναφέρεται στη διαδικασία με την οποία επιλέγεται η διαδρομή μέσα σε ένα δίκτυο πάνω από την οποία θα σταλούν δεδομένα.

   Η δρομολόγηση κατευθύνει, προωθεί το πέρασμα των λογικά διευθυνσιοδοτημένων πακέτων από την πηγή τους προς τον απόλυτο προορισμό τους μέσω ενδιάμεσων κόμβων (που λέγονται δρομολογητές/routers). Η διαδικασία της δρομολόγησης κατευθύνει τα δεδομένα προωθώντας τα με βάση πίνακες δρομολόγησης, που βρίσκονται στους δρομολογητές, οι οποίοι διατηρούν μια εγγραφή για την καλύτερη διαδρομή προς διάφορες κατευθύνσεις στο δίκτυο. Κατά συνέπεια η κατασκευή των πινάκων δρομολόγησης είναι πολύ σημαντική για αποτελεσματική δρομολόγηση.

    Η δυναμική δρομολόγηση κατασκευάζει τους πίνακες δρομολόγησης αυτόματα, βασιζόμενη στις πληροφορίες που μεταφέρονται από τα πρωτόκολλα δρομολόγησης και αφήνει το δίκτυο να ενεργεί σχεδόν αυτόνομα ώστε να αποφεύγονται βλάβες και μπλοκαρίσματα.

Η δυναμική δρομολόγηση κυριαρχεί στο Ίντερνετ. Εντούτοις όμως, η ρύθμιση των πρωτοκόλλων δρομολόγησης απαιτεί ικανότητες και δεν θα πρέπει κάποιος/α να νομίζει ότι η τεχνολογία των δικτύων έχει εξελιχθεί μέχρι το σημείο της πλήρους αυτοματοποίησης της δρομολόγησης.

Τα δίκτυα μεταγωγής πακέτων, όπως το Internet, χωρίζουν τα δεδομένα σε πακέτα που το καθένα περιέχει πληροφορίες για τον προορισμό του και δρομολογούνται ξεχωριστά.

Τα δίκτυα μεταγωγής κυκλώματος, όπως τα τηλεφωνικά δίκτυα, εκτελούν και αυτά δρομολόγηση, με σκοπό να βρουν διαδρομές για κυκλώματα (όπως τηλεφωνικές κλήσεις) πάνω από τις οποίες μπορούν να στείλουν μεγάλες ποσότητες δεδομένων,  χωρίς να επαναλαμβάνουν συνεχώς τη διεύθυνση του προορισμού.

- Οι αρχές λειτουργίας των Πρωτοκόλλων Δρομολόγησης Κατάστασης Ζεύξης (Link State Routing Protocols):

     Τα Πρωτόκολλα Δρομολόγησης Κατάστασης Ζεύξης είναι μία από τις δύο κύριες κατηγορίες των Πρωτοκόλλων Δρομολόγησης που χρησιμοποιούνται στα δίκτυα μεταγωγής πακέτων στις επικοινωνίες των υπολογιστών. Παραδείγματα Πρωτοκόλλων Δρομολόγησης Κατάστασης Ζεύξης είναι το OSPF και το IS-IS.

    Το Πρωτόκολλο Κατάστασης Ζεύξης γίνεται από κάθε κόμβο μεταγωγής στα δίκτυα (δηλαδή κόμβων που είναι διατεθειμένοι να διαβιβάσουν τα πακέτα). Στο Διαδίκτυο, οι κόμβοι αυτοί λέγονται δρομολογητές (routers). Η βασική ιδέα της Δρομολόγησης Κατάστασης Ζεύξης είναι ότι κάθε κόμβος κατασκευάζει έναν χάρτη με τη διασύνδεσης του δικτύου, με τη μορφή ενός διαγράμματος, που δείχνει ποιοι κόμβοι είναι συνδεδεμένοι με ποιους άλλους κόμβους. Στη συνέχεια, κάθε κόμβος ανεξάρτητα υπολογίζει το καλύτερο επόμενο hop (πήδημα/πέρασμα) από αυτό σε κάθε δυνατό προορισμό στο δίκτυο. Η συλλογή των καλύτερων επόμενων hops (πηδημάτων/περασμάτων) διαμορφώνει τον πίνακα δρομολόγησης του κόμβου.

- Η λειτουργία του OSPF (Open Shortest Path First) Πρωτοκόλλου, ως χαρακτηριστικό παράδειγμα Δυναμικού Πρωτοκόλλου Δρομολόγησης Κατάστασης Ζεύξης

   Το OSPF είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο Πρωτόκολλο Εσωτερικής Πύλης (IGP) και λειτουργεί μέσα σε ένα ενιαίο αυτόνομο σύστημα (AS).

   Συγκεντρώνει πληροφορίες κατάστασης ζεύξης από όλους τους διαθέσιμους δρομολογητές και κατασκευάζει τον τοπολογικό χάρτη του δικτύου. Η τοπολογία καθορίζει τον πίνακα δρομολόγησης που υποβάλλεται στο Στρώμα Διαδικτύου. Αυτό κάνει την δρομολόγηση των αποφάσεων, που βασίζεται αποκλειστικά στην IP Address προορισμού, η οποία βρίσκεται στο IP διάγραμμα. Σχεδιάστηκε για την Μεταβλητού Μήκους Μάσκα Υποδικτύου (VLSM).

Δηλαδή, μόλις το πρωτόκολλο OSPF λειτουργεί, τότε ο router βλέπει τις θύρες του (γνώση που απέκτησε από τον διαχειριστή του δικτύου και στη συνέχεια στέλνει ένα μήνυμα "Hello, packet" (πρωτόκολλο OSPF) στους γειτονικούς του routers. Οι γειτονικοί routers του απαντούν και τότε ο router όλη τη γνώση που απέκτησε τη στέλνει πάλι σε όλους τους routers (Link State Packet/LSP). Τότε κάθε router φτιάχνει μια βάση δεδομένων με τις πληροφορίες που ξέρει και προωθεί τις πληροφορίες στους άλλους routers. Οι πληροφορίες πλημμυρίζουν το δίκτυο. Με τις πληροφορίες αυτές φτιάχνεται ο τοπολογικός χάρτης του δικτύου και ο κάθε router, για τη μεταφορά ενός πακέτου πληροφοριών, διαλέγει τη διαδρομή με το μικρότερο κόστος (Shortest Path First δέντρο/SPF δέντρο)

    Επίσης το πρωτόκολλο OSPF ανιχνεύει μεταβολές στην τοπολογία, όπως αποτυχίες σύνδεσης πολύ γρήγορα και συγκλίνει σε μια ελεύθερη επανάληψη στη δομή της δρομολόγησης μέσα σε δευτερόλεπτα.

  Με την εντολή ping (στην εφαρμογή Command Promt των Windows) ελέγχουμε τη συνδεσιμότητα του υπολογιστή μας με μια άλλη συσκευή του δικτύου (πχ ΗΥ, switch, router, εκτυπωτή δικτύου ...), καθώς και το χρόνο απόκρισης της συσκευής αυτής. Αν ο χρόνος είναι αργός σημαίνει ότι το δίκτυο είναι γεμάτο ή είναι αργή η σύνδεση.

    Συγκρίνοντας τις πληροφορίες που παίρνουμε όταν πληκτρολογούμε τις εντολές: ping <ip address εντός Lan> (στην εφαρμογή Command Promt των Windows) και  ping <ip address εκτός Lan>, καταλαβαίνουμε ότι ο χρόνος απόκρισης (time) εντός LAN είναι μικρότερος από το χρόνο απόκρισης (time) εκτός LAN. Επίσης ο χρόνος ο οποίος θα κινείται το πακέτο (TTL) εντός LAN είναι μεγαλύτερος από το χρόνο που θα κινείται το πακέτο (TTL) εκτός LAN.

Η πληροφορία Ping Statistics αφορά στο πόσα από τα πακέτα που στάλθηκαν λήφθηκαν ή χάθηκαν.

    Παρατηρούμε ότι κάθε πακέτο IP που ανταλλάσσεται έχει και μια επικεφαλίδα (header). Μερικά από τα βασικά χαρακτηριστικά πεδία αυτής της επικεφαλίδας είναι:

  * Version PI: Έκδοση IP που χρησιμοποιεί το δίκτυο.

  * TTL (Time To Live): Πόσο χρόνο θα κινείται το πακέτο.

  * Πεδία DF (Don't Fragment) και MF (More Fragment): Άρνηση διάσπασης πακέτου και αν η αρχική πληροφορία έχει γίνει περισσότερα από ένα πακέτα, αντίστοιχα.

  * Το πρωτόκολλο: Για παράδειγμα, για τον αριθμό 1 είναι το πρωτόκολλο ICMP.

  * Διεύθυνση Προορισμού (Destination)

  * Διεύθυνση Παραλήπτη (Source)

    Με την εντολή telnet <IP διεύθυνση Router> (στην εφαρμογή Command Promt των Windows) και βάζοντας το σωστό κωδικό (password), μπορούμε να μπούμε στο περιβάλλον διαχείρισης του δρομολογητή (router).

    Εκτελώντας την εντολή enable και στη συνέχεια show running-config, βλέπουμε πληροφορίες σχετικές με τα χαρακτηριστικά του router, όπως το εύρος τον IP διευθύνσεων του δικτύου, τα διαφορετικά υποδίκτυα του δικτύου (Subnet Mask) κλπ.

     Εκτελώντας την εντολή show ip route βλέπουμε με ποιες IP διευθύνσεις που επικοινωνεί ο router. Συγκεκριμένα οι πληροφορίες που έχουν μπροστά το C, είναι η γνώση που όρισε στο router ο διαχειριστής του δικτύου, σχετικά με τις θύρες του router. Οι πληροφορίες που έχουν μπροστά το O, είναι η γνώση που απέκτησε ο router με το πρωτόκολλο OSPF από τους router που επικοινωνεί.

    Εκτελώντας την εντολή tracert <ip address εκτός ή εντός Lan> (στην εφαρμογή Command Promt των Windows, έξω από το περιβάλλον διαχείρισης του router), μπορούμε να δούμε τη διαδρομή που θα ακολουθήσει το πακέτο της πληροφορίας, μέχρι να φτάσει στον προορισμό του. Θα δούμε τους ενδιάμεσους κόμβους/router, που θα περάσει η πληροφορία, μέχρι να φτάσει στον προορισμό της.

Καταλαβαίνουμε ότι ο router διαλέγει διαδρομές με το λιγότερο κόστος.

Επίσης Θα παρατηρήσουμε ότι το πακέτο περνάει από IP διευθύνσεις, με τις οποίες συνδέεται ο router, όπως είχαμε τις είχαμε δει εκτελώντας την εντολή show ip route.

   Σημειώσεις του καθηγητή:

-  Ενότητα 4: Στρώμα Δικτύου: Αρχές Λειτουργίας & Πρωτόκολλα

-  Ενότητα 4: Πρωτόκολλα  Δρομολόγησης: Αρχές Λειτουργίας του OSPF (Open Shortest Path First)