8.2.2 Protokół komunikacyjny IP (2)

Spis treœci

• Interfejs wyjœciowy protokołu IP
• Adresowanie cz. 2
• Routing - przekazywanie datagramów przez bramy
• Zasady ogólne
• Implementacja w Linuxie
• Błędy i zapytania: protokół ICMP
• Bibliografia

8.2.2.1 Interfejs wyjœciowy protokołu IP

Interfejs wyjœciowy protokołu IP w Linuxie zdefiniowany jest w plikach net/ipv4/ip_output.c oraz (częœciowo) net/ipv4/ip_forward.c. Najważniejsze zdefiniowane w nich funkcje to:

Funkcja ip_build_header

budujšca nagłówek IP dla pakietu IP przechowywanego w przekazywanej strukturze typu sk_buff i dodajšca ewentualnie na koniec rekord opcji (woła ip_options_build()),

Funkcja add_to_send_queue

przeznaczajšca strukturę sk_buff do kolejki pakietów do wysłania zwišzanej z podanym gniazdem sk,

Funkcja ip_queue_xmit

dodajšca podany pakiet (skb) do kolejki do wysłania na dane gniazdo (sk) i uruchamiajšca wysyłanie (wywołujšc dev_queue_xmit())

Funkcja ip_build_xmit

Robi to, co wszystkie wczeœniejsze funkcje razem: buduje nagłówek, inicjuje sk_buff, wkłada do kolejki i wysyła.

Funkcja ip_forward

Po sprawdzeniu, że pakiet nie jest przeterminowany, odwołuje się do bramy (wywołujšc ip_rt_route()) aby pobrać adres najbliższego "skoku". Wreszcie sprawdza, czy pakiet nie powinien zostać poddany fragmentacji przed posłaniem go na urzšdzenie wyjœciowe.

8.2.2.2 Adresowanie cz.2

Budowa adresu IP omówiona jest w częœci 1 tego dokumentu.

Wymienimy tutaj jedynie specjalne przypadki adresów, które były używane do realizacji takich funkcji jak np. rozgłaszanie (ang. broadcasting) - patrz Interfejs wyjœciowy protokołu IP - używajšc następujšcej notacji, zależnie od klasy adresu:

{ <Numer sieci>, <Numer stacji> }

lub

{ <Numer sieci>, <Numer podsieci>, <Numer stacji> }

realizujšc minus jedynkę (-1) poprzez pole z wszystkimi bitami ustawionymi.

1. { 0, 0 }
Oznacza "ta stacja w tej sieci". Taki adres jest używany tylko jako adres nadawcy w przypadku pewnych procedur inicjujšcych, za pomocš których stacje dowiadujš się o swoich adresach IP.
2. { 0, <Numer stacji> }
Oznacza danš stację tej sieci, z zastrzeżeniami jak wyżej.
3. { -1, -1 }
Ograniczone rozgłaszanie; może być używany tylko jako adres odbiorcy. Datagram zaadresowany w ten sposób zostanie odebrany przez każdš maszynę w macierzystej sieci, ale nie zostanie rozesłany dalej.
4. { <Numer sieci>, -1 }
Rozgłaszanie skierowane do podanej sieci, również tylko jako adres odbiorcy.
5. { <Numer sieci>, <Numer podsieci>, -1 }
Rozgłaszanie skierowane do podanej podsieci, tylko jako adres odbiorcy.
6. { <Numer sieci>, -1, -1 }
Rozgłaszanie skierowane do podanej sieci (w przypadku sieci z podsieciami), tylko jako adres odbiorcy.
7. { 127, <cokolwiek> }
Adres - pętla wewnštrz naszej stacji. Nie powinien nigdy być wysyłany poza tę stację.

Unikatowe numery sieci przyznawane sš administracyjnie.

Należy nadmienić, że poczštkowo wszystkie adresy IP miały być amorficznymi 32-bitowymi liczbami i właœciwie takie arbitralne dzielenie adresu na sekcje sieci, podsieci i stacji jest złamaniem tej reguły; np. przypadek 6 w znacznej iloœci sieci nie jest rozpoznawany.

8.2.2.3 Routing - przekazywanie datagramów przez bramy

8.2.2.3.1 Zasady ogólne

Warstwa IP odpowiada za wybranie następnego poprawnego "skoku" dla każdego datagramu, który wysyła. Jeœli odbiorca jest w tej samej sieci, pakiet będzie wysłany bezpoœrednio do niego; w przeciwnym przypadku musi być przekazany dalej, do bramy łšczšcej sieci.

Decyzję, czy adres przeznaczenia leży na przyłšczonej do danej stacji sieci, podejmuje się w oparciu o maskę adresów (ang. address mask), sprawdzajšc zgodnoœć adresów odbiorcy i nadawcy po przefiltrowaniu przez tę maskę. Jeœli wyniki nie sš zgodne, należy wybrać bramę, przez którš komunikaty przejdš do docelowej sieci. Ewentualnie, jeœli adres odbiorcy oznacza rozgłaszanie do aktualnej sieci lub podsieci (patrz wyżej), to adres taki jest przekazany do interfejsu sieciowego niższej warstwy.

• Adres przeznaczenia (stacji lub sieci)
• Maska adresów (jeœli pakiet nie pasuje do żadnej maski w całej route cache, jest zapominany, a nadawca otrzymuje komunikat ICMP: Destination Unreachable)
• Następny "skok", który jest zawsze adresem IP stacji lub bramy (routera lub gateway; rozróżnienie jest płynne i zależy od tego, jak różne kawałki sieci łšczy brama) dostępnej bezpoœrednio poprzez Ethernet, połšczenie satelitarne lub inne fizyczne połšczenie.

1. Jeœli adres przeznaczenia nie występuje w podręcznej tabeli bram, stacja wybiera domyœlnš bramę i posyła do niej datagram; adres ten jest też dodawany do route cache;
2. Jeœli ta brama nie jest [już dłużej] najlepszym punktem "skoku" do celu, przekaże ona datagram do sobie z kolei znanej kolejnej bramy i powiadomi o tym stację nadawcy komunikatem protokołu ICMP - Redirect
3. Stacja otrzymujšca komunikat Redirect uaktualnia w pamięci podręcznej bramę dla danego adresu przeznaczenia, tak, że następne datagramy dla tego adresu pójdš bezpoœrednio do tej właœnie bramy, poleconej przez tę poprzednio wywołanš.

Dzięki temu rozwišzaniu, w połšczeniu z różnymi mechanizmami wykrywania "martwych bram" (ang. dead gateway detection) i wybierania bram nowych, których w tym miejscu nie omawiamy, protokół IP może spełniać funkcję, do której był oryginalnie zaprojektowany - utrzymania przy życiu sieci, której infrastruktura została w znacznej częœci zniszczona lub przecišżona.

Dodatkowo, istnieje możliwoœc implementowania tras statycznych (ang. static routes) czyli specjalnie ustawionych pozycji w route cache, które nie muszš być uaktualniane komunikatami Redirect. Mogš też one mieć znaczenie jako mechanizm obsługujšcy pole Type of Service nagłówka IP (patrz budowa nagłówka IP), np. pakiety o wysokim priorytecie mogš iœć do szczególnie szybkiej bramy.

Stacja nie będšca fizycznie bramš między dwiema odmiennymi sieciami może również służyć jako brama (tutaj: router) - poœredni "skok" w trasie pakietu - jeœli spełnia następujšce warunki:

1. Zmniejsza wartoœć pola TTL (Time To Live) i ewentualnie usuwa przeterminowany pakiet
2. Potrafi generować komunikat protokołu ICMP - Destination Unreachable - jeœli pakiet nie może być przekazany do następnej sieci z powodu np. niemożliwoœci fragmentacji lub niemożliwoœci zrealizowania żšdanej trasy pakietu (ang. strict source route) w przypadku, gdy następny adres nie znajduje się na przyłšczonej sieci.
3. Nie traktuje każdego pakietu jak wysyłany przez siebie, tzn. zachowuje adres nadawcy w wysyłanych pakietach IP
4. Jeœli jest na to miejsce w polu opcji nagłówka IP, dopisuje się jako kolejny skok na trasie
5. Uaktualnia opcję Timestamp w nagłówku IP

Bramy decydujšce o dynamicznym wyborze trasy między sieciami działajš na zasadzie minimalizacji kosztu przesyłu pakietu, wymieniajšc między sobš informacje o obcišżeniu poszczególnych połšczeń. Protokoły używane w takim "równoważeniu" sieci to np.

• Distance-Vector Routing (RFC 1058) - wymienianie się tablicami tras (ang. routing tables)
• Link State Routing (RFC 1583) - wymiana komunikatów o stanie dostępnych połšczeń
• BGP-4 Exterior Routing (RFC 1771) - mieszanka obydwu powyższych metod, zarzšdzajšca trasowaniem w sieci szkieletowej (ang. backbone network) Internetu.

8.2.2.3.2 Implementacja w Linuxie

Najważniejszš strukturš danych odpowiadajšcš za wybór trasy pakietu w Linuxie jest lista łšczona ip_rt_hash_table, zdefiniowana w net/ipv4/route.c. Aby przyspieszyć operacje na tej liœcie, która może być doœć pokaŸnych rozmiarów, jest ona haszowana (domyœlnie po kluczu 8-bitowym). Element takiej listy wyglšda następujšco:

struct rtable 
{
        struct rtable           *rt_next;
        __u32                   rt_dst;
        __u32                   rt_src;
        __u32                   rt_gateway;
        atomic_t                rt_refcnt;
        atomic_t                rt_use;
        unsigned long           rt_window;
        atomic_t                rt_lastuse;
        struct hh_cache         *rt_hh;
        struct device           *rt_dev;
        unsigned short          rt_flags;
        unsigned short          rt_mtu;
        unsigned short          rt_irtt;
        unsigned char           rt_tos;
};

Składowe tej struktury to:

Znajdowanie trasy dla pakietu IP realizowane jest za pomocš fukcji ip_build_header (patrz interfejs wyjœciowy IP), która wywołuje:

Funkcja ip_rt_route

Funkcja ta dla podanego adresu odbiorcy zwraca pozycję tablicy rt_ip_hash_table, która będzie użyta do wysłania danego pakietu IP dalej.

Inne funkcje realizujšce operacje na tej tabeli zgodnie z podanymi wczeœniej zasadami to:

Funkcja rt_redirect

dokonujšca odpowiednich zmian w tabeli rt_ip_hash_table po otrzymaniu żšdania zmiany bramy dla trasy (ICMP Redirect),

Funkcja ip_rt_new

dodajšca nowš pozycję w tablicy rt_ip_hash_table po próbie wysłania do adresu jeszcze w niej nie istniejšcego.

8.2.2.4 Błędy i zapytania: Protokół ICMP

• obsługš błędów IP
• "zapytaniami" wykonywanymi w celu rekonfiguracji urzšdzeń obsługujšcych IP

Komunikaty obsługi błędów to:

1. Odbiorca niedostępny (Destination Unreachable), wysyłany w przypadku niemożnoœci dotarcia pakietu do punktu przeznaczenia z powodu np. braku fizycznego połšczenia, nie wynegocjowanego protokołu, nieobsługiwanego portu, niewykonanej fragmentacji. Objawia się dla użytkownika komunikatami takimi jak np. "no route to host"
2. Trasa zmieniona (Redirect), wysyłany przez bramę jeœli jakieœ inne połšczenie (nie przez tę właœnie bramę) jest najlepszym połšczeniem od nadawcy pakietu do odbiorcy.
3. Przecišżenie bramy (Source Quench), wysyłany przez bramę do nadawcy w przypadku zbyt dużej iloœci pakietów do obsłużenia.
4. Przeterminowanie pakietu (Time Exceeded), wysyłany przez bramę jeœli po zmniejszeniu pola ttl (Time To Live) nagłówka IP jego wartoœć jest mniejsza od zera
5. Zły parametr (Parameter Problem), wysyłany przez bramę w przypadku zauważenia niezgodnoœci w nagłówku IP pakietu, takiej jak zła suma kontrolna lub niepoprawna opcja.

Komunikaty zapytań to:

1. Echo (Echo) - sprawdzajšcy istnieje i poprawne działanie urzšdzenia o zadanym adresie; musi ono odesłać dokładnie te same dane, jakie dostaje komunikatem Echo. Dla użytkownika dostępny jest poprzez polecenie ping.
2. Informacja o sieci (Information) - używany w inicjalizacji stacji, służy do dowiadywania się w jakiej sieci znajduje się stacja.
3. Czas wysłania (Timestamp) - używany do wymiany informacji o ostatnim momencie przetwarzania pakietu IP, która może być potem używana np. do stwierdzenia przeterminowania pakietu lub obliczenia obcišżenia trasy.

W Linuxie obsługa protokołu ICMP zaimplementowana jest w pliku net/ipv4/icmp.c. Najważniejszš funkcjš jest

Funkcja icmp_send

jako parametry przyjmujšca pakiet IP, którego będzie dotyczył komunikat ICMP, typ i kod komunikatu do wysłania i ewentualnie inne potrzebne informacje (jak zwracany adres, informacje z ping itp.)

8.2.2.5 Bibliografia

1. Pliki Ÿródłowe Linuxa:
• include/net/route.h
• include/linux/route.h
• net/ipv4/ip_output.c
• net/ipv4/ip_forward.c
• net/ipv4/route.c
• net/ipv4/icmp.c
2. W.Richard Stevens: Programowanie zastosowań sieciowych w systemie Unix. WNT 1995
3. Dokumenty RFC (Requests For Comments) w Internet Encyclopedia.