Cap. 5 Protocoale de rețea

5.1 Protocolul TCP

Funcția primă de bază a protocolului TCP(Transmission Control Protocol) este stabilirea și menținerea sesiunuii de comunicare între două calculatoare. Sesiunea de comunicare în protocolul TCP este stabilită în trei etape: cererea pentru stabilirea unei sesiuni, confirmarea de primire a cererii și confirmarea de inițiere a sesiunii. Numai după finalizarea celor trei pași două calculatoare pot să activeze circuitul comunicării virtual și să înceapă schimbul de date utile. Când este vorba de protocolul TCP, trebuie să reținem că nu poate exista comunicare fără stabilirea unei sesiuni. Aici se află problema de bază a protocolului TCP, respective problema apare atunci când se sare peste cel de-al treilea pas și anume confirmarea imițierii sesiunii. Prin urmare, este foarte important să fie setat timpul dintre cele două etape și cea de-a treia. În felul acesta se pot evita atacurile hacker-ilor, în special atacurile asupra lui DoS sau DDoS. Atacurile asupra lui DoS (Deny of Service) sunt effectuate astfel încât, se rulează un număr mare (uneori mai mare de 10000) de cereri pentru sesiunile de comunicare către un calculatoe (server), dar fără efectuarea celui de-al treilea pas a protocolului TCP. Practic, se blochează activitatea acelui calculator sau server, deoarece acestea așteaptă cel de-al treilea pas, respective confirmarea de pornire a sesiunii. Prin urmare, resursele lor sunt epuixate și nu pot răspunde la toate celelalte cerințe concrete de inițiere a sesiunii.

Procesul în sine de stabilire a sesiunii de comunicare în protocolul TCP este numit Three-Way Handshake. În imaginea urmatoare avem un exemplu al sesiunii de comunicare între două calculatoare:

Figura 27. Three-Way Handshake

Următoarea funcție a protocolului TCP este divizarea datelor utilizatorului în părți mici, care trebuie să fie transportate prin rețea dar sunt dependente de parametrul MTU (Maximum Transmission Unit) al rețelei. Fiecărei părți îi este alocată o informație care se numește Sequence ID. Alocarea numîrului secvențional este necesară pentru ca aplicația, respective destinatarul, să poată să alcătuiască date care îi sunt trimise într-o ordine specificată pentru că nu există nici o garanție că toate pachetele vor ajunge în aceeași fprmă în care au fost trimise.

O altă funcție importamtă a protocolului TCP este garantarea livrării pachetelor. Cum poate TCP să garanteze livrarea pachetelor? Explicarea este următoarea: expeditorul trimite o anumită cantitate de date către destinatar, atât cât este specificat în parametrul TCP Windows Size. Parametrul Windows Size definește după ce număr de pachete trimise încep să parvină confirmările de sosire a pachetelor la destinație. Ideea este că, după ce se va furniza o anumită cantitate de date, destinatarul va confirma primirea fiecărui pachet viitor. Astfel, dacă expeditorul nu primește confirmarea de primire într-un interval de timp predefinit, numit

Acknowledgment Time Out, se consider că destinatarul nu a primit pachetele trimise și începe să le trimită din nou. Metoda este foarte eficientă pentru rezolvarea erorilor, cu ocazia trimiterii de pachete. Nici un alt protocol din colecția TCP/IP nu se ocupă cu astfel de activități. Protocolul European stack x25, face verificarea erorilor pe fiecare strat ceea ce este total inefficient față de protocolul stack TCP/IP, deoarece pentru acest tip de testare se consumă mai multe resurse de rețea. După toate acestea putem spune că protocolul TCP connection oriented nu funcționează fără stabilizarea unei sesiuni de protocol cu livrare garantată a pachetului, adică este un protocol fiabil.

Pentru toate protocoalele stratului de transport, indiferent dacă este vorba de protocolul TCP sau UDP, se asociază denumirea cu numărul portului. Acest concept este foarte important deoarece stabilește cărei aplicații din stratul de transport v-a trimite datele. Protocoalele stratului aplicativ sunt cele cu care se asociază numărul de porturi, iar stratul de transport este cel care furnizează informațiile adecvate portului definit, respective numărul de porturi către care sunt trimise datele. Numărul portului este parametrul pentru care sunt rezervați 16 biți în secțiunea Header al pachetelor ale protocoalelor TCP și UDP, iar numerele sunt în limitele de la 0 până la 65534. În timpul lucrului cu numerele porturilor trebuie întotdeauna subliniat care va fi protocolul de transport în cauză, deoarece nu este același lucru dacă este vorba de portul UDP 80 sau de portul TCP 80. Există aplicații care folosesc și TCP și UDP și aceleași porturi, așa cum există aplicații care utilizează numai unul sau un alt protocol. Numărul de porturi sursă și numărul de porturi destinație sunt unii din cei mai importanți parametric al protocoalelor de transport și întotdeauna sunt cuprinși de Header-ul pachetului al protocoalelor de transport.

5.2 Protocolul IP

Ideea de bază a protocolului IP (Internet Protocol) este livrarea pachetelor la adresa corectă, respectiv funcția de adresare. În consecință, router-ul este cel mai mare utilizator al protocolului IP. IP definește adrese IP, astfel că adresa IP este un parametru al protocolului IP definit conform standardului IP. Conform standardului este definită lungimea adresei, forma sa, modul de utilizare, etc. Protocolul IP în sine nu are nevoie de o conexiune în momentul transmiterii datelor, dar calculatorul care trimite informațiile va încerca din nou, până când datele vor fi trimise. Protocolul IP nu garantează livrarea pachetelor și nu garantează că pachetul nu va fi schimbat în cursul livrării până la destinație. Datorită acestor detalii, putem să spunem că este relativ rapid în livrarea pachetelor. Dacă avem nevoie de fiabilitate il putem folosi ăn combinație cu protocolul TCP. Adresa IP este o adresă de 32 de biți, ceea ce practic înseamnă că cei 32 de biți din Header-ul protocolului IP sunt rezervați pentru adresa sursei IP și are, de asemenea, încă 32 de biți pentru adresa IP a destinației. În ultima vreme, se utilizează pe scară largă și nouă versiune a protocolului IP a cărui adresă Ip este de 128 de biți, respectiv adresa IP a versiunii IP 4 (IPv4) este o adresă IP de 32 biți, iar adresa IP a protocolului IP 6 (Ipv6)este de 128 biți.

Următoarea funcție importantî a protocolului IP este să asigure că pachetul nu va fi activ pentru o perioadă nelimitată în rețea. În pachetul Header se află o dată numită TTL (Time to Live) care este un parametru de 8 biți, ceea ce înseamnă că se mișcă în intervalul de la 0 la 254. Parametrul TTL definește numărul de routere prin care un pachet poate trece înainte de a fi

”ucis”. TTL Windows default pentru fiecare pachet trimis pe un calculator Windows este de 128. Aceasta înseamnă practic cî pachetul poate trece prin rețeaua locală și prin încă 127 routere suplimentare după care va fi distrus. 128 de hop-uri sunt mai mult decât suficiente, deoarece unele dintre cele mai lungi trasee de pe Internet se încheie aproximativ la al 40-lea hop.

Următoarele două funcții ale protocoalelor IP sunt, de asemenea importante: rutarea pachetelor și fragmentarea lor. Funcția de rutare a pachetelor se referă la stabilirea benzii de transmisie a datelor de la sursă la destinație, dar fără o conexiune stabilită anterior. Putem spune că protocolul IP este Connectionless spre deosebire de protocolul TCP. Prin funcția de fragmentare și de defragmentare a pachetelor se înțelege partiționarea pachetelor în părți mai mici și reasamblarea lor în situațiile în care pachetele transferate trec de la o rețea cu o valoare mai mare a MTU, într-o rețea cu parametrul MTU mai mic și invers. Cum se împarte pachetul? Router-ul sau calculatorul care primește pachetul și care ar trebui să-l trimită în rețea cu parametrul MTU mai mic efectuează calculele necesare pe baza parametrului rețelei MTU și a mărimii unui pachet Header pentru a-l împărți în părți mai mici. Este important să amintim că pachetul trebuie divizat în părți de dimensiunea de 8 octeți. După aceea pachetul original Header este copiat de atâtea ori de câte părți împărțite are pachetul original și se adaugă la fiecare dintre ele. De asemenea, în fiecare parte împărțită se adaugă informații despre ordinea divizării, pentru ca pachetul original să poată fi asamblat la destinație și poartă denumirea de Fragment Offset. Trebuie remaUnrcat faptul că pierderea unui fragment înseamnă o pierdere ireversibilă a frame-ului original. În imaginea urmatoare avem un exemplu de fragmentare al pachetului:

Figura 28. Fragmentarea pachetului

După cum am menționat mai sus, există în uz două versiuniale protocolului IP: IPv4 și IPv6. În present, ambele sunt folosite în aceeași măsură cu menținerea că versiunea nouă a protocolului IPv6 și-a câștigat supremația, și în viitorul apropiat va suprima complet versiunea sa veche. Ce se întâmplă? În momentul în care săa creat și a devenit un standard, versiunea 4 a protocolului IP a fost mai mult decât suficientă pentru a acoperi toate cerințele utilizatorilor de Internet și a rețelelor private cu alocare a adresei IP, respective a dimensiunii adreselor IP. Numărul de utilizatori privați și corporative era mult mai mic decât astăzi. La mijlocul anilor `90 și la începutul noului mileniu, numărul utilizatorilor de Internet a crescut într-un ritm uluitor și este încă în creștere. Cu toate acestea, protocolul IPv4 nu este scalabil în această măsură și nu poate să urmărească creșterea bruscă a cererilor de alocare a adreselor IP și a perimetrului adreselor, așa că societatea global se apropie de punctual în care nu vor mai exista adrese de atribuit, ceea ce, așa cum se presupune, va crea o mulțime de problem de funcționare în multe

societăți dar și în rest. Chiar dacă protocolul IPv4 a fost ulterior ”extins” prin introducerea de adrese fără clase, despre care vom spune mai multe mai târziu, introducerea unor noi standard IP au devenit o necessitate, chiar mai mult, o prioritate. În primii ani ai noului mileniu a fost introdus încetul cu încetul noul standard IPv6, care va satisface toate cerințele prin alocarea unei game de adrese pe mai mulți ani în avans. Microsoft, ca o companie lider de software, l-a implementat odată cu apariția sistemului de operare client Windows Vista, adică odată cu lansarea sistemului de operare server Windows Server 2008. Astfel au încheiat implementarea noului protocol IP prin introducerea lui ca standard pentru produsele lor. Toate celelalte companii de software și hardware urmează sau chiar pun în aplicare noul protocol IP în toate produsele lor, astfel încât cele mai multe software-uriși hardware-uri de astăzi au built-in support ( support incorporate) pentru protocolul IPv6. În ceea ce privește produsele Microsoft, este important de reținut că orice sistem, fie server sau client, apărut înainte de Windows Vista și de sistemele de operare Windows Server 2008, nu au built-in suportul pentru noul protocol IPv6. Există, desigur, inclus și cel mai popular sistem de operare client – windows XP.

Câteva dintre avantajele protocolului IPv6 în comparație cu IPv4 sunt: o gamă de adrese mult mai largă, disponibilă pentru alocare, adrese de 128 biți comparative cu 32 de biți, prelucrare accelerată și facilitată a pachetelor prin routere, pachetul conține câmpul Multicast, opțiuni pentru adaptarea la nevoie specific ale pachetului, ( real-time video), etc.

5.3 Protocolul UDP

Protocolul UDP (User Datagram Protocol) este, de asemenea, un protocol connectionless ( nu necesită conexiune) și este unul dintre protocoalele nesigure. Acest protocol nu necesită stabilirea și menținerea de sesiuni de comunicare, ci este importantă doar livrarea pachetelor la destinație. Nu contează dacă destinația a primit efectiv pachetul trimis și în ce ordine. UDP împarte pachetele în unități mai mici, ca și protocolul TCP, însă cu deosebirea că nu le acordă numere de Sequence iD, deci așa cum am mai spus, nu contează ordinea în care pachetele ajung la destinație. Ceea ce este important pentru protocolul UDP este ca ceea ce se trimite să ajungă cât mai repede la destinație fără pierderi mari de timp și de resurse de rețea pentru datele trimise.

Se aplică în mare parte pentru serviciile de rețea utilizate în traficul lor broadcast, cum ar fi serviciul DNS, de exemplu. De asemenea, o mare aplicare o are în telefonia IP și în Video-meeting pentru că viteza de transfer a datelor este un factor foarte important. Fiecare pachet unic al protocolului UDP se numește datagramă. Însăși structura datagramei este mult mai simplă decât structura frame-ului la protocolul TCP, deoarece sunt abandonate majoritatea informațiilor de control. Structura logică a datagramei UDP este redată în figura 29:

Figura 29. Structura de datagramî UDP

Descrierea structurii segmentelor datagramei: numărul portului sursă – portul prin care se efectuează comunicarea din partea

expeditorului, numărul portului destinație – portul prin care se efectuează comunicarea din partea

beneficiarului, lungimea de biți a datelor – numărul de lungime în biți a datelor pe care le conține

datagrama, suma de control – suma de control a antetului și a pachetelor.

Deși protocolul UDP are o listă lungă de deficiențe ( nu se face nici o verificare a erorilor, multiple trimiteri ale datagramei, pierderi de date, prezentarea datelor într-o ordine schimbată) este posibil să se upgradeze la stratul de aplicare, cum ar fi, de exemplu, serviciul TFTP. Cele mai multe aplicații și servicii care folosesc acest protocol, așteaptă de la el o viteză maximă de livrare a datelor, indiferent de erori și omisiuni, deoarece introducerea de opțiuni suplimentare legate de control, i-ar submina probabil activitatea, adică ar încetini direct livrarea datelor la destinație.

5.4 Protocolul ICMP

Ca o parte de bază a implementării protocolului IP, mai există un alt protocol numit ICMP sau Internet Control message Protocol. ICMP este de fapt o parte obligatorie pentru punerea în aplicare a protocolului IP, deoarece completează lipsurile protocolului IP, respectiv trimite informații despre potențialele probleme care au apărut în procesul de livrare a datelor.

Aici trebuie să facem o mențiune, pentru că nu vorbim despre erori de livrare, sesiunea de comunicare fiid deja stabilită, ci de o situație în care nu există nici un tip de livrare de pachete. Cu alte cuvinte, nu trebuie să amestecăm protocolului TCP și cele ale ICMP. Scopul principal al protocolului ICMP este să ne informeze despre erori produse în situațiile în care nu există nici un tip de comunicare și nu despre cele din timpul livrării datelor, precum și dacă comunicarea a fost deja stabilită.

Conform standardului, router-ele au implementate în ele protocolul ICMP. Dacă se trimite un pachet către un calculator și acel pachet nu poate fi livrat pentru că calculatorul este oprit sau nu funcționează placa de rețea sau este o întrerupere de cablu, ultimul router în comunicare este responsabil cu trimiterea unei notificări cum că calculatorul nu este on-line

(disponibil). În caz contrar, mesajele pe care ICMP le trimite sunt de natură genetică de tipul: Host Not Found sau Network Not Reachable, TTL Discard, etc. Numărul de mesaje genetice este limitat. Structura logică a mesajului ICMP este redată în fugura 30:

Figura 30. Structura pachetelor ICMP

Descrierea segmentelor din structura mesajului: Tip de mesaj- indică tipul de mesaj ICMP, Cod – specifică parametrii mesajului care poaate fi codificat cu unul sau mai mulți biți, Verifică erorile în biți – verificî mesajele ICMP, Parametrii – indică parametrii care urmează.

Mesajele publicitare ICMP pot fi trimise în următoarele cazuri: de confirmare a destinației, de lipsă a destinației sau a serviciului, de informații cu privire la încheierea activității mesajului, de schimbări ale rutei și de necesitate de a reduce viteza de transmitere a datelor de la sursă la destinație.

Certificatul de destinație este un tip de mesaj publicitar, care permite verificarea posibilităților de comunicare între două calculatoare sau dispozitive de rețea. Se compune din transmiterea unui mesaj ecou de la sursă către destinație. În cazul în care destinația a primit mesajul ecou este obligată să răspundă la aceasta. Acest principiu este frecvent utilizat de către programul PING.

Lipsa destinației sau a serviciului este un tip de mesaj publicitar trimis sursei atunci când calculatorul, dispozitivul de rețea sau destinația de servicii nu răspunde la mesajul ecou, respectiv atunci când nu e disponibilă prin intermediul rețelei.

Informațiile cu privire la încheierea activității mesajului reprezintă un tip de mesaj publicitar care este trimis sursei atunci când router-ul din pachetul împiedicat detectează dacă parametrul TTL a scăzut la zero, respectiv dacă pachetul va fi distrus.

Schimbarea rutei este un tip de mesaj publicitar trimis sursei atunci când router-ul detectează o rută mai bună de livrare a datelor decât cea existentă.

Reducerea vitezei de livrare este un tip de mesaj publicitar care oferă o modalitate de bază în controlul debitului. Cum? Router-ul sau calculatoarele de destinație trimit acest mesaj sursei cerând să se reducă viteza de livrare a pachetelor către destinație. Atunci când sursa primește acest mesaj ea trebuie să reducă viteza de livrare a pachetelor până este oprită de primirea mesajelor despre reducerea vitezei de livrare. În acest mod, se evită un overflow de buffer la destinație.În sistemele de operare Windows există cel puțin trei programe bazate pe activitatea

protocolului ICMP. Acestea sunt: PING, PATHPING și TRACERT. Programul PING este conceput cu intenția de a detecta disponibilitatea calculatoarelor de la distață, PathPing este de fapt un multi-ping care calculează în plus succesul procentual de transmitere a datelor (se aplică pentru a identifica locația exactă a problemelor de comunicare între două calculatoare de la

distanță), iar programul TRACERT este similar dar funcționează într-un mod puțin diferit și scopul lui este de a verifica rapid router-ele problematice în calea câtre destinație.

5.5 Protocolul ARP

Protocolul ARP (Address Resolution Protocol) definește metoda prin care se găsesc adrese fizice, adrese MAC, de utilizator pe baza adreselor de rețea cunoscute, adrese IP. Pentru a înțelege protocolul ARP trebuie să cunoaștem relația sintre adresele MAC și IP. În consecință, să repetăm ce este o adresă fizică. Adresa fizică este adresa MAC a adaptoarelor de rețea. Aceasta este o adresă pe 48 de biți pe care producîtorul de hardware o configurează în procesul de producție a adaptorului de rețea și bazată pe gama adreselor alocate producătorului. Adresa IP este o adresă logică pe 32 de biți care se configurează manual fiecărui host ( în rețelele TCP/IP). Există și opțiunea de alocare automată a adreselor IP, utilizând serverul DHCP, respectiv serviciul. Pentru adresele IP de asemenea, este valabilă regula conform căreia pentru fiecare host să se atribuie o adresa IP diferită, pentru ca să nu existe două adrese de IP identice în rețea.

Una dintre problemele de bază în adresarea rețelelor de calculatoare este modalitatea prin care putem găsi adresa MAC a unui adaptor de rețea. Dacă presupunem că știm adresa IP a calculatorului căruia îi trimitem ceva, în scenă intră protocolul ARP. Funcția ARP se bazează pe adresele IP știute care cunosc adresa MAC a unui adaptor de rețea, adaptorul de rețea al unui calculator sau un adaptor de rețea al unui router.

Și anume, dacă datele sunt trimise direct la calculatorul de la distanță acest procedeu se numește livrarea directă a pachetului. În cazul în care datele sunt trimise printr-un router, atunci vorbim de livrarea indirectă a pachetului. În primul caz se rezolvă adresa MAC a adaptorului de rețea al calculatorului de destinație, în timp ce în cazul livrării indirecte a pachetului se rezolvă adresa MAC a adaptorului de rețea al unui router.

Pentru a afla adresa MAC a unui adaptor de rețea trebuie mai întâi să aflăm adresa sa de IP, după cum am menționat deja. Dar ce se întâmplă atunci când nu știm adresa IP? Cum putem afla adresa IP a unui host? Dacă știm numele host-ului al cărui IP vrem să-l aflăm, iar mai târziu adresa MAC, putem utiliza serviciile care rezolvă numele în adresele IP. Pe Internet există un serviciu DNS, în timp ce în rețelele locale poate fi un serviciu DNS sau unul WINS.

Vom descrie acum procedura de funcționare a protocolului ARP. O parte a memoriei ARP se numește ARP Cache. În ea sunt deja rezolvate datele despre adresele IP existente și adresele MAC adecvate, astfel încât de îndată ce Windows sau un host TCP/IP rezolvă vreun nume în adresă, îl plasează în ARP Cache. Cache este memoria în care datele nu stau mult adică au un caracter temporar pentru scopurile sale. Conform default Windows, în ARP Cache datele se păstrează pentru o perioadă de cel puțin 2 până la maxim 10 minute. Ce înseamnă un minim de 2 minute? Asta înseamnă că, indiferent ce adresă IP se rezolvă în adresa MAC, ea va fi stocată în ARP Cache pentru 2 minute. Dacă în primele două minute de activitate în ARP Cache a datelor, solicitați o altă soluție de pe aceeași adresa IP, atunci durata de activitate se va extinde la zece minute. După aceea, este eliminată neapărat, deoarece se poate întampla, ca urmare a

modificării adresei IP a unui adaptor de rețea, ca informațiile din ARP Cache al unui calculator să nu fie actualizate, motiv pentru care se poate ajunge la probleme de comunicare. În general, există două tipuri de memorie Cache: dinamice și statice. Cache-ul dinamic este de tip de memorie Cache pe care Windows îl actualizează automat, în timp ce memoria Cache statică presupune intrări manuale în ARP Cache. Trebuie menționat faptul că în cazul tipului static, cache-ul static va fi activat până la primul re-boot al calculatorului după care va fi șters.

Dacă adresa MAC nu este rezolvată conform adresei IP, atunci ceva nu va apărea în ARP cache. În acest caz, se aplică procedura prevăzută în aceste situații, respectiv broadcast-ul. Așadar, protocolul ARP pe rețea de trei ori întrebarea: ”Să răspundă adaptorul de rețea cu adresa IP xx și care are adresa MAC x”. Dacă adaptorul de rețea deține adresa IP solicitată on-line, este obligat, conform standardului, să răspundă, respectiv să trimită un răspuns la cererea ARP. În acest sens, ambele calculatoare își vor cunoaște adresele IP și MAC.

Trebuie amintit că există un ARP invers și un ARP revers. ARP-ul invers sau Inverse Address Resolution Protocol este cunoscut sub numele de InARP și are drept rol principal rezolvarea adresei Layer 3 și a adresei Layer 2. Mai multe despre Layer 2 și Layer 3 (referindu-se la modelul protocolului de referință OSI). Cel mai frecvent sunt utilizate în rețelele WAN, unde se folosește FrameRelay și tehnologia ATM. InARP este de fapt implementat ca o completare a protocolului ARP. ARP-ul revers sau Reverse Address Resolution Protocol, cunoscut ca RARP, este o metodă de rezolvare a sdresei Layer 2 în adresa Layer 3, adică pe baza adresei MAC se poate afla adresa IP.

Un exemplu de protocol ARP este prezentat într-un mesaj multimedia intitulat ARP. Mai jos vedem câteva dintre argumentele protocolului ARP:

A – argument cu care se citește ARP Cache curent, G – la fel ca argumentul precedent, V – argument pentru lucru cu o vizualizare detaliată,

D – argument pentru ștergerea intrărilor din Cache (când se folosește semnul * se șterge întreaga memorie Cache),

S – argument pentru adăugarea intrărilor în cache.