ITKP104 Tietoverkot

Ari Viinikainen

Verkkokerros

Verkkokerroksen palvelut

Data oikealle laitteelle
- Pitää selvittää reitti: Reititysprotokollat
- Pitää kuljettaa data: IP protokolla
- Virhetilanteet ja verkon diagnostiikka: ICMP protokolla
Laite: Reititin
- Reititys (routing): selvitetään reitit IP osoitteisiin
- Välitys (forwarding): lähetetään dataa eteenpäin reititysinformaation perusteella
- Reititysalgoritmi (protokolla): määrittää reitit ja ylläpitää reititystaulua
- Kun pakettia välitetään, katsotaan reititystaulusta seuraava laite jolle paketti lähetetään

IP osoite kertoo laitteen sijainnin?

IP osoite ei kerro sijaintia maapallolla! Vain sen kuinka paketit reititetään kohteeseen
IP osoitteiden sijainnista voi olla tietoa: Sijaintitieto joudutaan keräämään esim. seuraamalla reittejä
Sijainnin voi piilottaa proxy palvelimella
- Etsi ensin jokin proxy palvelin google haku
- Katso optioista että scriptien suoritus sallitaan
- Mene sitten kurssin kotisivulle kopiomalla ao. osoite proxy sivustolle
- http://users.jyu.fi/~arjuvi/opetus/itkp104/2014/
- Toivottavasti edes toinen vasemmassa reunassa olevista skripteistä näyttää "sijaintisi"
- Sen jälkeen mene ao. sivustolle, joka kerää tietoa siitä mistä päin maailmaa vierailijat tulevat
- http://users.jyu.fi/~arjuvi/opetus/itkp104/2014/ITKP104_proxy_hits_2014.html
- Jos intoa riittää niin kokeile eri maissa sijaitsevia proxy palvelimia

IP osoite

"A name indicates what we seek. An address indicates where it is. A route indicates how to get there." (RFC 791)
Kertoo laitteen sijainnin verkkohierarkiassa (ei fyysistä sijaintipaikkaa)
- Osoite on hierarkinen - prefix-osa ja laiteosa (aiemmin oli verkko-osa, aliverkko-osa, ja laiteosa)
- Prefix-osan perusteella paketti välitetään oikeaan verkkoon
- IP osoitteen koko
  - IPv4: 32 bittiä (binääriluku - 4 294 967 296 (2³²) osoitetta), joka koostuu neljästä tavusta
  - Ihmisystävällinen merkintä tapa, muutetaan tavut positiivisiksi kokonaisluvuiksi ja erotetaan ne pisteillä
  - esim. 173.194.32.63 (10101101.11000010.00100000.00111111)
  - IPv6: 128 bittiä (binääriluku - noin 3.4×10³⁸ (2¹²⁸) osoitetta)
  - Ihmisystävällinen merkintä tapa, jaetaan kahdeksaan neljän heksadesimaaliluvun ryhmään
  - esim. 2a00:1450:400f:801::1017, joka on lyhennys
  - osoitteesta 2a00:1450:400f:8010:0000:0000:0000:1017
  - (0010101000000000 0001010001010000 0100000000001111 1000000000010000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0001000000010111)

IP osoitetyypit

Unicast - täsmälähetys (esim. Yle Areena, Nettiradiot, yms.)
- Yleisin osoitetyyppi, "yhden" laitteen osoite, voidaan käyttä lähettämiseen sekä vastaanottamiseen
Broadcast - yleislähetys (TV ja radio -ohjelmat radio/kaapeliverkosta)
- Yleislähetysosoite, voidaan lähettää (ali)verkon kaikille laitteille sama paketti
- 255.255.255.255 kaikille lähiverkon laitteille (ei mene reitittimen läpi)
- tai esim. aliverkkoon 192.0.2.0/24 yleislähetysosoite on 192.0.2.255
- IPv6:ssa ei mahdollista, hoidetaan Multicast:llä
Multicast - ryhmälähetys (näin 'pitäisi' Yle Areena yms. toimia!!!)
- Monilähetysosoite, laitteet voivat liittyä Multicast ryhmään (IGMP protokolla), jossa paketit välitetään kaikille jäsenille
- Varattu osoitteet väliltä 224.0.0.0 - 239.255.255.255 (IPv4) ja ff00::/8 (IPv6)
- Reitittimet hoitavat paketin kopiomisen ja välittämisen kaikille ryhmän jäsenille
Anycast - 'Jokulähetys' (...)
- Paketti voidaan välittää monelle vastaanottajalle, mutta valitaan se joka on fyysisesti lähimpänä
- Käytetään kuorman tasaukseen palvelimilla sekä esim. DSN juurinimipalvelinten hajauttamiseen
- IPv4:ssa ei suoraa tukea, hoidetaan yleensä AS:ien välisellä reititysprotokollalla (BGP)
- IPv6:ssa osa spesifikaatiota

IP aliverkotus

Aluksi ensimmäiset 8 bittiä oli verkko-osa (ja loput 'muuta' osaa), sitten kehitettiin luokallinen osoitteistus

Class	Leading bits	Size of network number bit field	Size of rest bit field	Number of networks	Addresses per network	Start address	End address
A	0	8	24	128 (2⁷)	16,777,216 (2²⁴)	0.0.0.0	127.255.255.255
B	10	16	16	16,384 (2¹⁴)	65,536 (2¹⁶)	128.0.0.0	191.255.255.255
C	110	24	8	2,097,152 (2²¹)	256 (2⁸)	192.0.0.0	223.255.255.255

D = Multicast, E = Varattu
Lopulta: Classless Inter-Domain Routing (CIDR)
Luokaton verkkotunnusten (domain) välinen reititys

IP aliverkotus - CIDR

Aliverkkomaski
- Kertoo kuinka monta bittiä IP osoitteesta on prefix osaa (loput on sitten laitteille)
- Esim. /8 tarkoittaa että 8 ensimmäistä bittiä on prefix osaa
- Tällöin siis aliverkkomaskissa kahdeksalla ensimmäisellä bitillä on arvo 1 (ja lopuilla arvo 0)
- esim. 11111111 00000000 00000000 00000000
- yo. voidaan merkitä myös 255.0.0.0
- Tai esim. /23 jota vastaa maski
- 11111111 11111111 11111110 00000000
- eli 255.255.254.0

IPv4 Route Table

Windows tietokone: `netstat -rn` tai `route print`

===========================================================================
Network Destination        Netmask          Gateway       Interface  Metric
          0.0.0.0          0.0.0.0    130.234.169.1   130.234.169.82    276
    130.234.169.0  255.255.255.128         On-link    130.234.169.82    276
   130.234.169.82  255.255.255.255         On-link    130.234.169.82    276
===========================================================================

Koneen osoite: 130.234.169.82
Aliverkon osoite: 130.234.169.0/25
Aliverkkomaski: 255.255.255.128

IPv4 reititys - kohde samassa verkossa

===========================================================================
Aliverkkomaskit                       Verkko-osoite        
11111111 11111111 11111111 11111111   130.234.169.82
11111111 11111111 11111111 10000000   130.234.169.0
00000000 00000000 00000000 00000000   0.0.0.0
===========================================================================

Lähetetään osoitteeseen: 130.234.169.47 (10000010 11101010 10101001 00101111)
Käydään reititystaulun kaikki rivit läpi
Tehdään binäärinen AND operaatio kohdeosoitteen ja tarkasteltavan rivin maskin kanssa
Verrataan yllä saatua tulosta tarkasteltavan rivin verkko-osoitteeseen
Reititys bittien vastaavuuden perusteella
Jos usealla verkko-osoitteella sama määrä, valitaan se jonka maskissa on eniten ykkösiä

IPv4 reitin valinta - kohde samassa verkossa

===========================================================================
             11111111 11111111 11111111 11111111   255.255.255.255
AND          10000010 11101010 10101001 00101111   130.234.169.47
             10000010 11101010 10101001 00101111   130.234.169.47
verrataan    10000010 11101010 10101001 01010010   130.234.169.82
             ---> 26 bittiä samoja
===========================================================================

===========================================================================
             11111111 11111111 11111111 10000000   255.255.255.128
AND          10000010 11101010.10101001 00101111   130.234.169.47
             10000010 11101010.10101001 00000000   130.234.169.0
verrataan    10000010 11101010.10101001 00000000   130.234.169.0
             ---> 32 bittiä (kaikki) samoja
===========================================================================

===========================================================================
             00000000 00000000 00000000 00000000   0.0.0.0
AND          10000010 11101010 10101001 00101111   130.234.169.47
             00000000 00000000 00000000 00000000   0.0.0.0
verrataan    00000000 00000000 00000000 00000000   0.0.0.0
             ---> 32 bittiä (kaikki) samoja
===========================================================================

IPv4 reitin valinta - kohde samassa verkossa

===========================================================================
Network Destination        Netmask          Gateway       Interface  Metric
          0.0.0.0          0.0.0.0    130.234.169.1   130.234.169.82    276
    130.234.169.0  255.255.255.128         On-link    130.234.169.82    276
   130.234.169.82  255.255.255.255         On-link    130.234.169.82    276
===========================================================================

Paketti lähetetään 130.234.169.0 verkkoon (koska sen maskissa enemmän ykkösiä edellisellä kalvolla)
Koska kyseisellä rivillä ei ole gateway sarakkeessa IP osoitetta, on kohde siis samassa verkossa
Seuraavaksi selvitetään kohteen (130.234.169.47) linkkikerroksen osoite (MAC osoite)
Linkkikerroksen osoite selvitetään ARP protokollalla
Ja kapsuloidaan verkkokerroksen paketti linkkikerroksen kehykseen

IPv4 reititys - kohde eri verkossa

===========================================================================
Aliverkkomaskit                       Verkko-osoite        
11111111 11111111 11111111 11111111   130.234.169.82
11111111 11111111 11111111 10000000   130.234.169.0
00000000 00000000 00000000 00000000   0.0.0.0
===========================================================================

Lähetetään osoitteeseen: 130.234.169.147 (10000010 11101010 10101001 10010011)
Koska meillä on 130.234.169/25 verkko, niin 147 on eri verkossa kuin 47
Laite 'tietää' ylläolevan aliverkkomaskin perusteella

IPv4 reitin valinta - kohde eri verkossa

===========================================================================
             11111111 11111111 11111111 11111111   255.255.255.255
AND          10000010 11101010 10101001 10010011   130.234.169.147
             10000010 11101010 10101001 10010011   130.234.169.147
verrataan    10000010 11101010 10101001 01010010   130.234.169.82
             ---> 29 bittiä samoja
===========================================================================

===========================================================================
             11111111 11111111 11111111 10000000   255.255.255.128
AND          10000010 11101010.10101001 10010011   130.234.169.147
             10000010 11101010.10101001 10000000   130.234.169.128
verrataan    10000010 11101010.10101001 00000000   130.234.169.0
             ---> 31 bittiä samoja
===========================================================================

===========================================================================
             00000000 00000000 00000000 00000000   0.0.0.0
AND          10000010 11101010 10101001 10010011   130.234.169.147
             00000000 00000000 00000000 00000000   0.0.0.0
verrataan    00000000 00000000 00000000 00000000   0.0.0.0
             ---> 32 bittiä (kaikki) samoja
===========================================================================

IPv4 reitin valinta - kohde eri verkossa

===========================================================================
Network Destination        Netmask          Gateway       Interface  Metric
          0.0.0.0          0.0.0.0    130.234.169.1   130.234.169.82    276
    130.234.169.0  255.255.255.128         On-link    130.234.169.82    276
   130.234.169.82  255.255.255.255         On-link    130.234.169.82    276
===========================================================================

Paketti lähetetään 0.0.0.0 verkkoon, eli oletusreittiin (koska sen vertailussa eniten samoja bittejä edellisellä kalvolla)
Koska kyseisellä rivillä on gateway sarakkeessa oletusreitittimen osoite, on kohde siis eri verkossa
Seuraavaksi selvitetään reitittimen (130.234.169.1) linkkikerroksen osoite (MAC osoite)
Linkkikerroksen osoite selvitetään ARP protokollalla
Ja kapsuloidaan verkkokerroksen paketti linkkikerroksen kehykseen

Tutki mitä tietoja löydät

https://stat.ripe.net/

Esimerkki hierarkisesta reitityksestä

ao. kuva draw.io (SaaS) sovelluksessa

Hierarkinen reititys - jos sitä ei olisi...

Skaalautuvuus
- Jokaisen reitittimen täytyisi ylläpitää tietoa koko Internetin rakenteesta, jos ei olisi hierarkiaa
- Internet ruuhkautuisi reitittimien päivitysviesteistä
- Reititysalgoritmitmien laskenta kestäisi kauan
Autonomia
- Kaikki maailman verkot joutuisivat käyttämään samaa reititys protokollaa
- Yritykset/organisaatiot eivät pystyisi piilottamaan oman verkkonsa toteutusta ulkopuolisilta
- Oman verkon hallinta olisi maailmanlaajuisen reititysprotokollan vastuulla, eikä itsellä

Hierarkinen reititys - Toteutus

IP osoite on hierarkinen (CIDR)
Autonomous System (AS)
- Reitittimet organisoidaan kuuluvaksi tiettyyn AS:ään
- Yleensä yksi operaattori on yksi AS (isoilla operaattoreilla on useita AS tunnuksia)
- AS:n sisällä
  - operaattori hallitsee verkkoaan ja käyttää haluamaansa reititysprotokollaa
  - reitittimet osaavat välittää sisäisen liikenteen
  - ulosmenevästä liikenteestä tiedetään reunareititin, joka vastaa AS:n ulkoisesta liikenteestä
- AS:stä ulos
  - Mainostetaan mitkä osoiteavaruudet kuuluvat AS:n verkkoon, ei yksittäisiä osoitteita
  - Mainostetaan myös mitä muita AS:iä voidaan kyseisen verkon kautta saavuttaa
  - ulosmenevä liikenne lähetetään sellaiseen AS:ään joka mainostaa reittiä
  - ulosmenevän liikenteen kohde-AS;ään vaikuttaa myös tiedonsiirron hinta

Mistä niitä IPv4 osoitteita saa?

IANA jakaa osoitelohkot alueellisille rekistereille
- jakoi viimeiset viisi IPv4 osoitelohkoa (Last /8) 3.2.2011
- /8 lohko sisältää noin 16 miljoona osoitetta
Alueelliset rekisterit - Regional Internet Registry (RIR)
- RIPE Network Coordination Centre (RIPE NCC)
  - Käytti osoitelohkonsa toisena loppuun (14.9.2012)
  - Jakaa nyt (rajoitetusti) osoitteita viimeisestä /8 lohkostaan
- American Registry for Internet Numbers (ARIN)
  - Lähestyy vaihetta jossa joudutaan jakamaan osoitteita viimeisestä /8 lohkosta
- Asia-Pacific Network Information Centre (APNIC)
  - Käytti osoitelohkonsa ensimmäisenä loppuun (15.4.2011)
  - Jakaa nyt (rajoitetusti) osoitteita viimeisestä /8 lohkostaan
- Latin American and Caribbean Internet Address Registry (LACNIC)
  - Jakaa osoitteita normaalisti kunnes n. 8 miljoonaa osoitetta jäljellä (last /9)
- African Network Information Centre (AfriNIC)
  - vuonna 2014 vielä 50+ miljoona osoitetta jaettavissa

Saako euroopassa enää IPv4 osoitteita?

RIPE Network Coordination Centre (RIPE NCC)
- Käytti vapaat osoitteensa loppuun alkamalla allokoimaan osoitteita viimeisestä /8 lohkosta
- Jakaa vain yhden /22 (1024 IPv4 osoitetta) kullekin LIR (Local Internet registry):lle
- Myönnetään vain jos hakijalla on olemassa oleva IPv6 allokaatio
- Enää ei ole mahdollista (uuden) operaattorin olla yhteydessä Internettiin vain IPv4 tekniikalla
- Yksi /16 lohko varataan IPv4 -> IPv6 siirtymistä varten
- Kaikkien operaattoreiden tulisi ottaa IPv6 käyttöön

IPv4 vs IPv6

Erot
- osoite
- kehysrakenne yksinkertaistettu
  - poistettu harvoin käytettyjä kenttiä
  - Vähentää pakettien käsittelyaikaa reitittimillä
- ei DHCP:tä
  - IPv6 kykenee automaattisesti generoimaan itselleen osoitteen
- ei erillisiä yleislähetysosoitteita

ITKP104 Tietoverkot

Ari Viinikainen

Verkkokerros

Verkkokerroksen palvelut

IP osoite kertoo laitteen sijainnin?

IP osoite

IP osoitetyypit

IP aliverkotus

IP aliverkotus - CIDR

IPv4 Route Table

Windows tietokone: netstat -rn tai route print

IPv4 reititys - kohde samassa verkossa

IPv4 reitin valinta - kohde samassa verkossa

IPv4 reitin valinta - kohde samassa verkossa

IPv4 reititys - kohde eri verkossa

IPv4 reitin valinta - kohde eri verkossa

IPv4 reitin valinta - kohde eri verkossa

Tutki mitä tietoja löydät

Esimerkki hierarkisesta reitityksestä

Hierarkinen reititys - jos sitä ei olisi...

Hierarkinen reititys - Toteutus

Mistä niitä IPv4 osoitteita saa?

Saako euroopassa enää IPv4 osoitteita?

IPv4 vs IPv6

Windows tietokone: `netstat -rn` tai `route print`