TCP/IP Архитектура, протоколы, реализация (включая IP версии 6 и IP Security)

Бывают ситуации, приводящие к отбрасыванию (удалению из сети) датаграммы IP. Например, точка назначения может стать недоступной из-за обрыва связи. Или может завершиться время жизни датаграммы. Маршрутизатор не сможет переслать длинную датаграмму при запрещении фрагментации.

При отбрасывании датаграммы по адресу ее источника направляется сообщение ICMP, указывающее на возникшую проблему. На рис. 7.2 показано сообщение ICMP, направленное к источнику датаграммы.

Рис. 7.2. Сообщение ICMP направляется по пути трафика.

ICMP быстро сообщит системе о выявленной проблеме. Это очень надежный протокол, поскольку указание на ошибки не зависит от наличия сетевого центра управления.

Однако в использовании сообщений ICMP имеются некоторые недостатки. Например, если недостижима точка назначения, то сообщение будет распространяться до источника по всей сети, а не на станцию сетевого управления.

Реально ICMP не имеет средств предоставить отчет об ошибках выделенному операционному центру. Для этого служит протокол SNMP (см. главу 20).

7.2.1 Типы сообщений об ошибках

На рис. 7.3 показаны обобщенные сообщения, формируемые маршрутизатором и хостом назначения для отчета о возникшей проблеме. В таблице 7.1 перечислены формальные имена сообщений об ошибках ICMP.

Рис. 7.3. Типы сообщений об ошибках ICMP

Таблица 7.1 Сообщения об ошибках ICMP

7.2.2 Обязанность по отправке сообщения ICMP

Протокол ICMP определяет, что сообщения могут или должны быть посланы в каждом случае, но он не требует выдавать сообщения ICMP о каждой ошибке.

В этом есть здравый смысл. Основным назначением маршрутизатора в сети является пересылка датаграмм. Перегруженный хост назначения должен уделять больше времени доставке датаграмм в приложения, а не указанию на ошибки удаленному хосту. Именно поэтому не формируются сообщения о случайном отбрасывании датаграммы.

7.2.3 Входящие сообщения ICMP

Что происходит при получении хостом сообщения ICMP? Рассмотрим пример, когда производится попытка обращения по зарезервированному (и, следовательно, недостижимому) адресу сети:

> telnet 10.1.1.1

Trying 10.1.1.1 ...

telnet: connect: Host is unreachable

Произошло то, что и должно было произойти,— в сообщении указано на недостижимость хоста (Host is unreachable).

Чтобы определить, какой из маршрутизаторов послал сообщение ICMP, можно использовать команду traceroute:

> traceroute 10.1.1.1

traceroute to 10.1.1.1 (10.1.1.1), 30 hops max, 40 byte packets

> nomad-gateway (128.121.50.50) 2 ms 2 ms 2 ms

> liberty-gateway (130.94.40.250) 91 ms 11 ms 78 ms

> 
border2-hssi2-0.NewYork.mci.net (204.70.45.9) !H !H !H

Маршрутизатор New York послал сообщение Destination Unreachable, которое отображается на экране как !Н.

Функции traceroute основаны на ICMP-сообщении Time Expired и формируются следующим образом:

■ Создается короткое сообщение UDP, которое имеет заголовок IP с установленным в 1 полем TTL.

■ Трижды отправляется датаграмма.

■ Первый маршрутизатор (в примере — nomad-gateway) устанавливает значение Time-to-Live (время жизни) в 0, отбрасывает датаграмму и отправляет источнику ICMP-сообщение Time Expired.

■ Функция traceroute идентифицирует пославший сообщение маршрутизатор и трижды выводит само сообщение.

■ Значение Time-to-Live устанавливается в 2, и сообщение посылается дальше.

■ Процесс повторяется с увеличением Time-to-Live на каждом шаге.

Если можно достичь точки назначения, то в итоге можно получить полный путь до него.

Сообщение ICMP переносится в части данных датаграммы IP. Каждое сообщение ICMP начинается тремя одинаковыми полями: полем типа (Type), полем кода (Code), обеспечивающим более подробное описание ошибки, и полем контрольной суммы (Checksum). Формат оставшейся части сообщения определяется типом сообщения.

Сообщение об ошибке ICMP обрамляется заголовком IP. Добавляются первые 8 октетов датаграммы, которая привела к ошибке. Эти сведения позволяют проанализировать причину ошибки, поскольку содержат информацию о предполагаемом назначении датаграммы и целевом протоколе четвертого уровня. Дополнительные 8 байт позволяют определить коммуникационный элемент приложения (более подробно об этом см. в разделе о протоколах TCP и UDP).

В сообщение включается и контрольная сумма ICMP, начиная от поля Type.

7.4.1 Сообщение Destination Unreachable

Существует много причин прекращения доставки датаграммы. Разорванная связь физически не позволит маршрутизатору достичь подсети назначения или выполнить пересылку в точку следующего попадания. Хост назначения может стать недоступным при отключении его для проведения профилактики.

Как уже отмечалось в главе 6, современные маршрутизаторы имеют хорошие средства обеспечения безопасности. Они могут быть сконфигурированы для просмотра входящего в сеть трафика. При запрещении сетевым администратором доступа к точке назначения датаграмма также не может быть доставлена.

Рис. 7.4. Формат ICMP-сообщения Destination Unreachable

Формат сообщения Destination Unreachable показан на рис. 7.4. Поле Type (в нашем случае 3) идентифицирует именно этот тип сообщения. Поле Code отражает причину отправки сообщения. Полный список кодов этого поля представлен в таблице 7.2.

Таблица 7.2 Коды ошибок сообщения Destination Unreachable

7.4.2 Сообщение Time Exceeded

Пересылаемая датаграмма может быть отброшена по тайм-ауту при уменьшении до нуля ее времени жизни (TTL). Еще один тайм-аут может возникнуть в хосте назначения, когда завершится время, выделенное на сборку, а прибыли еще не все фрагменты датаграммы. В обоих случаях формируется сообщение Time Exceeded для источника датаграммы. Формат этого сообщения показан на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Формат ICMP-сообщения Time Exceeded

Значения кодов (см. таблицу 7.3) отражают причину тайм-аута.

Таблица 7.3 Коды сообщения Time Exceeded

7.4.3 Сообщение Parameter Problem

ICMP-сообщение Parameter Problem используется для отчета об ошибках, не специфицированных в кодах других сообщений. Например, в полях вариантов может появиться неверная информация, не позволяющая правильно обработать датаграмму, в результате чего датаграмма будет отброшена. Более часто проблемы с параметрами возникают из-за ошибок в реализации, когда система пытается записать параметры в заголовок IP.

Рис. 7.6. Формат ICMP-сообщения Parameter Problem

Поле Pointer (указатель) сообщения Parameter Problem идентифицирует октет, в котором выявлена ошибка. На рис. 7.6 показан формат сообщения Parameter Problem, а в таблице 7.4 — значения кодов ошибок.

Таблица 7.4 Коды сообщения Parameter Problem

7.4.4 Проблемы перегрузок

Протокол IP очень прост: хост или маршрутизатор обрабатывают датаграмму и посылают ее как можно быстрее. Однако доставка не всегда проходит гладко. Могут возникнуть различные проблемы.

Когда один или несколько хостов отправляют трафик UDP на медленный сервер, то на последнем может возникнуть перегрузка, что приведет к отбрасыванию сервером некоторой части этого трафика.

Маршрутизатор может переполнить свои буферы и далее будет вынужден отбрасывать некоторые поступающие датаграммы. Медленное соединение через региональную сеть (например, на скорости 56 Кбит/с) между двумя скоростными локальными сетями (например, в 10 Мбит/с) может создать затор на пути следования датаграмм. Из-за этого в сети возникнут перегрузки, которые также приведут к отбрасыванию датаграммы и, следовательно, к созданию еще большего трафика.

7.4.5 Сообщение Source Quench

Сообщение Source Quench (подавление источника) показано на рис. 7.7. Оно позволяет попытаться решить проблему перегрузок, хотя и не всегда успешно. Механизмы для подавления источника перегрузки сети должны создавать разработчики конкретных продуктов, но остается открытым конкретный вопрос:

Когда и кому маршрутизатор или хост должен отправлять сообщение Source Quench?Рис. 7.7. Формат ICMP-сообщения Source Quench

Обычно ICMP-сообщение указывает хосту источника на причину отбрасывания посланной им датаграммы. Однако при перегрузке такое сообщение может не дойти до этого хоста, генерирующего очень напряженный сетевой трафик. Кроме того, очень расплывчаты требования к обработке поступающих сообщений Source Quench.

Текущий документ по требованиям к хостам (RFC 1812) оговаривает в качестве особого пункта, что сообщения Source Quench вовсе не нужно посылать. Работа должна выполняться более совершенным механизмом управления нагрузкой в сети.

7.4.6 Сообщения Redirect

К локальной сети может быть подключено более одного маршрутизатора. Когда локальный хост посылает датаграмму не на тот маршрутизатор, последний пересылает ее и отправляет хосту источника ICMP-сообщение Redirect (перенаправление), как показано на рис. 7.8. Хост должен переключить последующий трафик на более короткий путь.

Рис. 7.8. Коррекция маршрутизации на хосте посредством сообщения Redirect

Сообщение Redirect используется и для выключения маршрутизатора системным администратором. Хост может быть сконфигурирован с единственным маршрутизатором по умолчанию; при этом он будет динамически определять возможности пересылки через другие маршрутизаторы.

Рис. 7.9. Формат ICMP-сообщения Redirect

Формат сообщения о перенаправлении показан на рис. 7.9. Коды этого сообщения перечислены в таблице 7.5. Некоторые протоколы маршрутизации способны выбирать путь доставки на основе содержимого поля типа обслуживания (TOS) датаграммы. Коды 2 и 3 предоставляют некоторые сведения да такого выбора.

Таблица 7.5 Коды перенаправления

7.4.7 Управление поступающими сообщениями ICMP

Что должен делать хост, получивший сообщение ICMP? Реализации различных разработчиков по-разному отвечают на этот вопрос. В некоторых из них хосты игнорируют все или многие такие сообщения. Стандарты TCP/IP оставляют большую свободу выбора в решении этого вопроса. Для различных типов сообщений ICMP предлагаются следующие рекомендации:

Иногда ошибки должны обрабатываться совместно операционной системой, коммуникационным программным обеспечением и сетевым приложением.

Не все сообщения ICMP сигнализируют об ошибках. Некоторые из них извлекают из сети полезные сведения. Работает ли хост X? Не выключен ли хост Y? Как долго движется датаграмма до хоста Z и обратно? Какова маска подсети хоста источника?

Ответы на эти вопросы дают следующие сообщения ICMP:

■ Эхо-запросы и эхо-ответы обеспечивают обмен информацией между хостами и маршрутизаторами.

■ Запросы и ответы о маске адреса позволяют системе исследовать присвоенную интерфейсу маску адреса.

■ Запросы и ответы временной метки служат для извлечения сведений об установке времени на целевой системе. Ответы на такие запросы дают информацию, необходимую для оценки времени обработки датаграмм на хосте.

На рис. 7.11 представлено обслуживание запросов ICMP. Программа Ping посылает эхо-сообщение "Вы в рабочем состоянии?", которое используется в ежедневной работе сетевого администратора. Запросы о маске адреса применяются от случая к случаю, а запросы о временной метке вообще редко.

Рис. 7.11. Сообщение запроса ICMP

7.6.1 Эхо-запросы и эхо-ответы

Эхо-запросы (Echo Request) и эхо-ответы (Echo Reply) применяются для проверки активности системы. Код типа 8 применяется в запросах, а код 0 — в ответах. Количество октетов в поле данных переменно и может выбираться отправителем.

Отвечающая сторона должна послать обратно те же самые данные, которые были получены. Поле идентификатора служит для сравнения ответа с исходным запросом. Последовательный номер эхо-сообщения может применяться для тестирования, на каком участке произошел обрыв сети, и для вычисления приблизительного времени на путь туда и обратно. При этом идентификатор не меняется, а последовательный номер (начиная от 0) увеличивается на единицу для каждого сообщения. Формат эхо-сообщения показан на рис. 7.12.

Рис. 7.12. Формат ICMP-сообщений Echo Request и Echo Reply

Широко известная команда ping доступна почти во всех системах TCP/IP, а ее работа основана на ICMP-сообщениях для эхо-запросов и эхо-ответов. В приведенном ниже диалоге сначала тестируется хост ring.bell.com. Затем отсылается последовательность из 14 сообщений, содержащих по 64 октета каждое. Отметим, что сообщения 0, 1 и 2 были потеряны. Справа приводятся сведения о пути туда и обратно.

> ping ring.bell.com

ring.bell.com is alive

> ping -s ring.bell.com 64 14

64 bytes from ring.bell.com: icmp_seq=3. time = 21. ms

64 bytes from ring.bell.com: icmp_seq=4. time = 18. ms

64 bytes from ring.bell.com: icmp_seq=5. time = 17. ms

64 bytes from ring.bell.com: icmp_seq=6. time = 19. ms

64 bytes from ring.bell.com: icmp_seq=7. time = 17. ms

64 bytes from ring.bell.com: icmp_seq=8. time = 17. ms

64 bytes from ring.bell.com: icmp_seq=9. time = 17. ms

64 bytes from ring.bell.com: icmp_seq=10. time = 18. ms

64 bytes from ring.bell.com: icmp_seq=11. time = 17. ms

64 bytes from ring.bell.com: icmp_seq=12. time = 17. ms

64 bytes from ring.bell.com: icmp_seq=13. time = 17. ms

-ring.bell.com PING Statistics-

14 packets transmitted, 11 packets received, 21% packet loss

round-trip (ms) min/avg/max = 17/17/21

7.6.2 Маска адреса

Напомним, что организация может разделить поле своего локального адреса на часть подсети и часть хоста. Когда включается система, она может быть сконфигурирована так, что не будет заранее знать, сколько бит было присвоено полю адреса подсети. Чтобы выяснить этот вопрос, система посылает широковещательный запрос на определение маски адреса (Address Mask Request).

Ответ должен быть получен от сервера, авторизованного для управления маской адреса сервера. Обычно в качестве такого сервера применяется маршрутизатор, но может использоваться и хост. В ответе в полях сети и подсети установлены единицы, определяя 32-разрядное поле маски адреса.

Сервер маски адреса может быть сконфигурирован так, что, даже при отключении от сети на какое-то время, он будет далее передавать широковещательные сообщения Address Mask Reply, как только станет активным. Это предоставляет шанс на получение нужной информации системам, которые были запущены в то время, когда сервер был неактивен.

На рис. 7.13 показан формат запроса маски адреса и ответа на него. Тип 17 применяется для запроса, а тип 18 — для ответа. В общем случае можно игнорировать идентификатор и последовательный номер.

Рис. 7.13. Формат ICMP-сообщений Address Mask

На практике более предпочтительный метод определения маски адреса предоставляют протоколы загрузки, например Dynamic Host Configuration Protocol или BOOTP. Эти протоколы более эффективны, поскольку обеспечивают полный набор конфигурационных параметров. Кроме того, операции выполняются более точно, в том числе и некорректные.

7.6.3 Временная метка и ответ на Timestamp

Сообщение с ответом на Timestamp предоставляет сведения о времени в системе. Оно предназначено для оценки буферизации и обработки датаграммы на удаленной системе. Отметим следующие поля:

По возможности, возвращаемое время должно измеряться в миллисекундах относительно полуночи по универсальному времени (Universal Time), которое ранее называлось временем по Гринвичу (Greenwich Mean Time). Большинство реализаций реально возвращает одно и то же время в полях Receive timestamp и Transmit timestamp.

Протокол ICMP обеспечивает очень простой способ синхронизации систем по времени. Однако это несколько грубая синхронизация, поскольку на нее влияют задержки в сети. Существует более совершенный протокол сетевого времени (Network Time Protocol), который был разработан для синхронизации по времени в Интернете.

Тип 13 используется для запросов, а 14 — для ответов. Формат сообщения представлен на рис. 7.14.

Рис. 7.14. Формат сообщений запросов и ответов о временной метке

Хотя многие локальные сети имеют единственный маршрутизатор по умолчанию, существует достаточное количество сетей, имеющих два или более маршрутизаторов.

Что происходит при подключении маршрутизатора к локальной сети? Сообщения о перенаправлении укажут системам на новые маршрутизаторы. Предположим, что произошел крах маршрутизатора по умолчанию.

Протокол исследования маршрутов (Router Discovery) предоставляет надежный метод, основанный на сообщениях ICMP, для отслеживания маршрутизаторов локальной сети. Основная идея состоит в периодическом объявлении маршрутизаторами о своем присутствии. Хостам нужно прослушивать такие сообщения.

Предпочтительным способом для объявления маршрутизатора о своем присутствии является отправка многоадресной рассылки по адресу для всех систем (224.0.0.1). Однако не все хосты поддерживают прием многоадресных рассылок, поэтому иногда применяется широковещательный адрес (255.255.255.255).

Подключающийся к сети хост может быть не способен к ожиданию при поиске маршрутизаторов локальной сети. Такой хост самостоятельно запрашивает маршрутизаторы об отправке их объявлений о присутствии на собственный адрес. Для этого лучше всего использовать сообщение Router Solicitation (настоятельная просьба к маршрутизаторам) в многоадресной рассылке по адресу "все маршрутизаторы" (224.0.0.2). Поскольку не все системы поддерживают многоадресные рассылки, иногда применяется широковещательная рассылка (255.255.255.255).

Типичный сценарий для маршрутизатора:

■ Каждый интерфейс маршрутизатора конфигурируется с адресом объявления (advertisement address) — 224.0.0.1 или 255.255.255.255 — для локальной сети, подключенной к данному интерфейсу.

■ При инициализации маршрутизатора и использовании многоадресной рассылки маршрутизатор начинает прослушивание адреса многоадресной рассылки для всех маршрутизаторов (224.0.0.2). Кроме того, прослушиваются и широковещательные рассылки.

■ Маршрутизатор объявляет о своем присутствии всем подключенным к локальной сети хостам посредством трансляции сообщения Router Advertisement на адрес объявления такой локальной сети. В объявлении о присутствии перечисляются все IP-адреса маршрутизатора для данного интерфейса.

■ Маршрутизатор напоминает о себе различными периодическими сообщениями Router Advertisement (рекомендуемый период 7–10 мин.).

■ Маршрутизатор посылает объявление о присутствии при запросе об этом от хоста.

Для хоста сценарий выглядит так:

■ Каждый интерфейс хоста конфигурируется с Solicitation Address — 224.0.0.2 или 255.255.255.255.

■ При инициализации хоста начинается прослушивание Router Advertisement.

■ При запуске хост может послать необязательное сообщение Router Solicitation по адресу настоятельных просьб (solicitation address). Маршрутизаторы ответят как по IP-адресу хоста, так и по адресу объявления.

■ Когда хост услышит о новом маршрутизаторе, он добавит маршрут по умолчанию в свою таблицу маршрутизации. Этому элементу таблицы присваивается значение тайм-аута на время жизни (обычно 30 мин), которое указано в Router Advertisement.

■ Тайм-аут на время жизни сбрасывается при получении нового объявления от маршрутизатора. Если время жизни завершается по тайм-ауту, элемент для маршрутизатора удаляется из таблицы маршрутизации хоста.

■ Для объявления всем о корректном отключении от сети маршрутизатор может послать объявления с нулевым значением для времени жизни.

Если имеется более одного маршрутизатора, то как хост определяет тот, которому следует направить данную датаграмму? Каждое объявление маршрутизатора содержит номер предпочтительного уровня (preference level). Если таблица маршрутизации не содержит специальных указаний, выбирается маршрутизатор с наибольшим предпочтительным уровнем. Если он не сможет обеспечить наилучший маршрут, то ответит хосту ICMP-сообщением о перенаправлении.

В ICMP-сообщении Router Advertisement имеет значение типа 9, a Router Solicitation — 10.

7.8.1 Неисправные маршрутизаторы

Исследование маршрутов (маршрутизаторов) помогает хостам определить крах локального маршрутизатора, однако после достаточно длительного периода времени — возможно, через 30 мин. Реализация TCP/IP для хостов предполагает использование встроенного алгоритма для определения неисправности маршрутизатора. Его достоинства очевидны, например:

■ Существование активного сеанса TCP/IP через маршрутизатор

■ Фиксирование получения от маршрутизатора ICMP-сообщений о перенаправлении.

К числу недостатков можно отнести:

■ Невозможность ответа на запросы ARP

■ Множество последовательных тайм-аутов при повторной пересылке в TCP

Если есть причины считать маршрутизатор неисправным, окончательная проверка выполняется по запросу ping.

IP версии 6 обеспечивает наилучший способ исследования причин приостановки работы локальных хостов или маршрутизаторов.