Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Утилиты LINUX для работы с сетью

АЛМАТИНСКИЙ ФИЛИАЛ НЕГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГУМАНИТАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРОФСОЮЗОВ»

Факультет экономики

Кафедра экономики информатики и математики

РЕФЕРАТ

По дисциплине Операционные системы, среды и оболочки.

«Утилиты LINUX для работы с сетью»

^{(Тема
работы)}

Выполнил(а) студент(ка)

202 ПИВ группы 2 курса

вечернего отделения

Хадури

^{(фамилия)}

Але Иванович

^{(имя,
отчество)}

_________________

^{(подпись)}

Проверил_________________

^{ученая
степень, звание}

Ахметкалиева С.К.

^{фамилия,
имя, отчество}

Алматы, 2008

Содержание

Сетевые протоколы. Семейство протоколов ТСР/IP.
Аппаратный и интерфейсный уровни

а) Запуск ifconfig

б) Сетевой интерфейс

в) Три принципа алгоритма

3. Сетевой уровень

4. Адресация

а) Просмотр таблицы ARP

5. Маршрутизация

а) Простая таблица маршрутизации

б) Сложная таблица маршрутизации

6. Служебный протокол ICMP

а) Определение маршрута пакета

7. Транспортный уровень

а) Устанавливается соединение

б) Обрабатываются подтверждения

в) Отслеживаются состояния абонентов

Сетевые протоколы. Семейство протоколов TCP/IP

В статье кратко описано семейство протоколов TCP/IP и их реализация в Linux, обосновано разделение сетевых протоколов на уровни и выделены задачи, решаемые на каждом из них. Приведены утилиты Linux для работы с сетью. Кроме того, рассмотрена работа метадемона inetd и структура службы доменных имен в Internet.

Так случилось, что Мефодий мало что знал о компьютерных сетях до знакомства с Linux. Если пользоваться только web-броузером и почтовой программой, сведений вроде "у каждого компьютера Internet есть имя, на компьютерах бывает почта и WWW" обычно вполне достаточно. Строго говоря, если сеть настроена, почтовые клиенты или броузеры Linux не требуют большего объема знаний. Однако Linux хорош именно тем, что позволяет проследить работу сети от процедур самого низкого уровня, вроде поведения сетевых карт, до приложений высокого уровня и их протоколов.

В разговоре о сетях передачи данных понятие "уровень" возникает неспроста. Дело в том, что передача данных между компьютерами – сложный процесс, в котором решается сразу несколько разноплановых задач. Если представить себе весь процесс организации сети "на пустом месте", как если бы никаких сетевых разработок доныне не было, все эти задачи встают одна за другой.

Итак, если бы Мефодий получил задание "придумать Internet" на пару с Гуревичем, какие бы вопросы перед ними встали?

Среда передачи данных. Посредством чего передавать данные? Как именно представляется передаваемая информация?
Устройство передачи данных (раз уж известно, как передаются данные). Как подключаться к среде? Как отличить данные от не-данных (т. е. определить, идет ли передача)? Как определить очередность работы нескольких устройств, подключенных к одной среде передачи данных? Как определить, кому предназначаются данные, передаваемые в общей среде?
Топология неоднородной сети (раз уж известно, как подключить компьютер к одной или нескольким средам передачи данных). Если в сеть объединены несколько сред передачи данных, как определить адресата (и отправителя тоже)? Как обеспечить пересылку данных из одной среды в другую? Как выстроить непрерывный маршрут пересылок от отправителя к адресату?
Доставка данных (раз уж есть механизм передачи данных от любого абонента сети к любому). Как обеспечить целостность и надежность передачи данных (и нужно ли)? Как управлять самим каналом передачи данных (например, чтобы не отправлять данных больше, чем принимающая сторона в состоянии принять)? Как разделять несколько каналов передачи данных (например, когда от одного компьютера к другому одновременно передаются два файла)?
Интерпретация данных (раз уж возможна надежная и без искажений доставка). Что делать с полученными данными? Какие части операционной системы отвечают за их обработку, и откуда про это знает абонент с другой стороны соединения?

Ответы на эти вопросы в формализованном виде носят название протоколов: в них пунктуально описывается, как именно предлагается решать ту или иную задачу, какая для этого необходима дополнительная информация, какова должна быть логика поведения передающей и принимающей стороны и т. п.

В приведенном делении на этапы (уровни) примечательна их относительная независимость: если группа задач, связанная с некоторым уровнем, решена, на следующем уровне можно забыть, как именно решались эти задачи. Так, устройство передачи данных типа "Ethernet" с точки зрения компьютера всегда одно и то же, какой бы носитель при этом не использовался: коаксиальный кабель или кабель типа "витая пара", хотя с физической и даже топологической точки зрения эти среды сильно различаются¹⁾. Точно так же обстоят дела при переходе со второго уровня на третий: во время получения данных уже совершенно неважно, какие среды передачи были при этом задействованы (ethernet, три провода, голубиная почта ²⁾...). Переход с третьего уровня на четвертый и с четвертого на пятый тоже обладает этим свойством.

По всей видимости, именно с этими задачами сталкивались и разработчики из института ARPA (Advanced Research Projects Agency, "Агентство перспективных исследовательских проектов"; в процессе работы оно было переименовано в DARPA, где "D" означало Defence). По крайней мере, предложенное ими в середине семидесятых семейство протоколов TCP/IP также подразделялось на пять уровней: аппаратный, интерфейсный, сетевой, транспортный и прикладной. Впоследствии аппаратный уровень стали смешивать с интерфейсным, так как с точки зрения операционной системы они неразличимы³⁾. Именно разделение на независимые друг от друга уровни позволило со временем объединить большинство разнородных локальных сетей в единое сетевое пространство – глобальную сеть Internet.

В TCP/IP вопрос о том, как обеспечить нескольким абонентам сети возможность передавать данные, не мешая друг другу, решен с помощью разделения пакетов данных. разделение пакетов предполагает, что данные передаются не единым блоком, а по частям, пакетами. Алгоритмы, определяющие, когда абоненту разрешено посылать следующий пакет, могут быть разными, но результат всегда один: в сети передаются попеременно фрагменты всех сеансов передачи данных. В сильно загруженном состоянии такая сеть может просто не принять очередной пакет от абонента-отправителя, и тому придется ждать удобного случая, чтобы все-таки "пропихнуть" его в переполненную другими пакетами среду. Таким образом, обеспечить гарантированное время передачи одного пакета в сетях с разделением пакетов бывает довольно сложно, хотя существуют алгоритмы, позволяющие это сделать.

Противоположность метода разделения пакетов – метод разделения каналов, который предполагает, что в сети имеется определенное число каналов передачи данных, которые абоненты сети арендуют на все время передачи. По такому принципу построены, например, телефонные линии: дозвонившись, мы арендуем канал связи между двумя телефонными аппаратами, и до тех пор, пока этот канал занят, невозможно ни воспользоваться им кому-то другому, ни организовать параллельно передачу данных откуда-нибудь еще. Главное достоинство сетей с разделеним каналов – постоянная (за вычетом помех на линии) скорость передачи данных. Основной недостаток – ограниченное количество каналов передачи. Проектировать среду передачи так, чтобы каждый абонент был связан с каждым отдельным каналом, имеет смысл только тогда, когда абонентов очень мало: количество каналов будет пропорционально квадрату количества абонентов. Количество каналов в большой сети будет существенно меньшим, и ровно столько сеансов передачи данных можно будет в этой сети установить. Попытка соединиться с абонентом, когда все каналы уже заняты, окончится неудачей. Мефодий припомнил своего знакомого, дозвониться которому тяжело, хотя телефон тот занимает нечасто и не подолгу. По всей видимости, каналов между какими-то двумя АТС, через которые Мефодий связывается с приятелем, хронически недостает (так бывает, когда отдаленный район быстро застраивается и наполняется телефонами).

Если вернуться к сети с разделением пакетов, то можно заметить, что на каждом уровне под пакетом понимается разное. С точки зрения интерфейсного уровня пакет – это ограниченный возможностями среды передачи данных фрагмент, в котором необходимо дополнительно указать, какое устройство из числа подключенных к среде передачи данных его отправило и какому устройству он предназначен. С точки зрения сетевого уровня размер пакета определяется удобством его обработки, а дополнительно в нем надо указать уникальные для всей сети адреса отправителя и получателя (а также тип протокола и многое другое). С точки зрения транспортного уровня размер пакета определяется качеством связи (чем меньше пакет, тем ниже вероятность порчи, но тем больше теряется на дополнительной информации: идентификатор сеанса, тип, специальные поля, описывающие логику связи и т.п.). Наконец, если на прикладном уровне определено понятие "пакет", то его размер и содержимое определяются протоколом прикладного уровня.

Таким образом, процесс передачи данных выглядит так: порция данных прикладного уровня нарезается на части, соответствующие размеру пакета транспортного уровня (фрагментируется), к каждому фрагменту приписывается транспортная служебная информация, и получаются пакеты транспортного уровня. Каждый пакет транспортного уровня может быть опять-таки фрагментирован для передачи по сети, к каждому получившемуся фрагменту добавляется служебная информация сетевого уровня, что дает последовательность сетевых пакетов. Каждый из сетевых пакетов тоже может быть фрагментирован до размера, "пролезающего" через конкретное сетевое устройство, – из него формируются пакеты интерфейсного уровня (фреймы). Наконец, к каждому фрейму само устройство (по крайне мере, так это сделано в Ethernet) приписывает некоторый ключ, по которому принимающее устройство распознает начало фрейма. В таком виде данные передадутся по проводам. Процесс "заворачивания" пакетов более высокого уровня в пакеты более низкого уровня называется инкапсуляцией.

Компьютер, получивший фрейм, выполняет процедуры, обратные инкапсуляции и фрагментации: пакеты низкого уровня освобождаются от служебной информации и накапливаются до тех пор, пока не сформируется пакет более высокого уровня. Затем этот пакет отсылается на уровень выше и все повторяется до тех пор, пока освобожденные от всей дополнительной информации и заново собранные воедино данные не попадут к пользователю (или к программе, которая их обрабатывает).

Сетевой пакет. Единица передачи информации в компьютерной сети. Помимо передаваемых данных содержит служебную информацию, в частности, идентификаторы отправителя и адресата, контрольную сумму, поля используемого протокола. Наибольший размер пакета определяется чаще всего не объемом передаваемых данных, а требованиями протокола и необходимостью разделять сеть передачи данных между несколькими абонентами.

Аппаратный и интерфейсный уровни

Итак, на аппаратном уровне возможна какая угодно среда передачи данных – с точки зрения Linux, сеть начинается в месте подключения к этой среде, то есть на сетевом интерфейсе. Список сетевых интерфейсов и их настроек в системе можно посмотреть с помощью команды ifconfig (от interface configuration):

methody@localhost:~ $ ifconfig

-bash: ifconfig: command not found

methody@localhost:~ $ /sbin/ifconfig

Warning: cannot open /proc/net/dev (Permission denied). Limited output.

eth0 Link encap:Ethernet HWaddr 00:0C:29:56:C1:36

inet addr:192.168.102.125 Bcast:192.168.102.255 Mask:255.255.255.0

UP BROADCAST NOTRAILERS RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1

Warning: cannot open /proc/net/dev (Permission denied). Limited output.

lo Link encap:Local Loopback

inet addr:127.0.0.1 Mask:255.0.0.0

UP LOOPBACK RUNNING MTU:16436 Metric:1

Пример 14.1. Запуск ifconfig (html, txt)

Утилитой ifconfig пользуется, в основном, сама система или администратор; некоторые данные ifconfig получает, обращаясь с системным вызовом ioctl() к открытому сетевому сокету, а некоторые считывает из /proc. Название сетевого интерфейса состоит из его типа и порядкового номера (каким по счету его распознало ядро). Все сетевые интерфейсы Ethernet в Linux называются ethномер, начиная с eth0. Параметр MTU (Maximum Transfer Unit) определяет наибольший размер фрейма.

Большинство других параметров относятся к сетевому уровню, но как минимум еще один – HWaddr – относится к уровню интерфейсному.

Сетевой интерфейс. Точка взаимодействия утилит Linux с реализацией TCP/IP в ядре системы. Как правило, имеет уникальный сетевой адрес. Интерфейсу может соответствовать некоторое сетевое оборудование (например, карта Ethernet), в этом случае определен также и его интерфейсный адрес.

HWaddr (от HardWare address, аппаратный адрес) – это уникальный внутри среды передачи данных идентификатор сетевого устройства. В Ethernet аппаратный адрес называется MAC-address (от Media Access Control, управление доступом к среде), он состоит из шести байтов, которые принято записывать в шестнадцатиричной системе исчисления и разделять двоеточиями. Каждая Ethernet-карта имеет собственный уникальный MAC-address (в примере – 00:0C:29:56:C1:36), поэтому его легко использовать для определения отправителя и получателя в рамках одной Ethernet-среды. Если идентификатор получателя неизвестен, используется аппаратный широковещательный адрес, FF:FF:FF:FF:FF:FF. Сетевая карта, получив широковещательный фрейм или фрейм, MAC-адрес получателя в котором совпадает с ее MAC-адресом, обязана отправить его на обработку системе.

Термин "Media Access Control" имеет отношение к алгоритму, с помощью которого решается задача очередности передачи. Алгоритм базируется на трех принципах:

Прослушивание среды. Каждое устройство умеет определять, идет ли в данное время передача данных по среде. Если среда свободна, устройство имеет право само передавать данные.
Обнаружение коллизий. Если решение о начале передачи данных одновременно приняли несколько устройств, в среде возникнет коллизия, и распознать, где чьи были данные, становится невозможно. Зато устройства всегда замечают произошедшую коллизию, и передают данные повторно.
Случайное время ожидания перед повтором. Если бы после коллизии все устройства начали одновременно повторять передачу данных, случилась бы новая коллизия. Поэтому каждое устройство выжидает некоторое случайное время, и только после этого повторяет передачу. Если повторная коллизия все-таки возникает, устройство ждет вдвое дольше¹⁾. так происходит до тех пор, пока не будет превышено допустимое время ожидания, после чего системе сообщается об ошибке.

Приведенный алгоритм имеет два недостатка. Во-первых, уже на интерфейсном уровне время передачи одного пакета может быть любым, так как неопределенное промедление с передачей предусмотрено протоколом. Во-вторых, сеть Ethernet считается хорошо загруженной, если на протяжении некоторого промежутка времени в среднем треть этого времени было потрачена на передачу данных, а две трети времени среда была свободна. Сеть Ethernet, нагруженная наполовину, работает очень медленно и с большим числом коллизий, а сеть, нагруженная на две трети, считается неработающей. Это – плата за отсутствие синхронизации работы всех устройств в сети.

Сетевой уровень

Создатели первых сетей, объединяющих несколько сред передачи данных, для идентификации абонента таких сетей пытались использовать те же аппаратные адреса. Это оказалось делом неблагодарным: если в Ethernet аппаратный адрес уникален всегда, то в других сетях аппаратные адреса могут быть уникальны только в рамках одной среды (например, все устройства нумеруются, начиная с 0) или даже могут выдаваться динамически, да и форматы аппаратных адресов в разных средах различны. Возникла необходимость присвоить каждому сетевому интерфейсу некоторый единственный на всю глобальную сеть адрес, который бы не зависел от среды передачи данных и всегда имел один и тот же формат.

Адресация

Адрес, определяемый протоколом IP (Internetwork Protocol), состоит из четырех байтов, записываемых традиционно в десятичной системе счисления и разделяемых точкой. Адрес сетевого интерфейса eth0 из примера – 192.168.102.125. Второй сетевой интерфейс из примера, lo, – так называемая заглушка (loopback), которая используется для организации сетевых взаимодействий компьютера с самим собой: любой посланный в заглушку пакет немедленно обрабатывается как принятый оттуда. Заглушка обычно имеет адрес 127.0.0.1.

Отдельная среда передачи данных (локальная сеть) также имеет собственный адрес. Если представить IP-адрес в виде линейки из 32 битов, она строго разделяется на две части: столько-то битов слева отводится под адрес сети, а оставшиеся – под адрес абонента в этой сети. Для того чтобы определить размер адреса сети, используется сетевая маска – линейка из 32 битов, в которой на месте адреса сети стоят единицы, а на месте адреса компьютера – нули. При наложении маски на IP-адрес все единицы в нем, которым соответствуют нули в маске, превращаются в нули²⁾. Таким образом вычисляется IP-адрес сети. В примере сетевая маска интерфейса eth0 равна 255.255.255.0, т. е. 24 единицы и 8 нулей. Тогда IP-адрес сети будет равен 192.168.102.0. Мефодий заметил, что если сетевая маска выровнена по границе байта, производить двоичные операции вообще не надо: так, в примере можно было просто сказать, что адрес сети занимает три байта, а адрес абонента – оставшийся один.

Заметим, что адрес сети может содержать значащие нули: например, в адресе 10.0.0.1 при сетевой маске 255.255.0.0 адрес сети занимает два байта, из которых второй – полностью нулевой. Чтобы не гадать, какие нули – значащие, а какие – отрезаны маской, к адресу сети принято приписывать уточнение вида /количество_единиц_в_маске. В приведенном случае адрес сети выглядел бы так: 10.0.0.0/16, а в предыдущем – 192.168.102.0/24.

IP-адрес, составленный из адреса сети, за которым следуют все единицы (в примере – 192.168.102.255), называется широковещательный адрес: любой принадлежащий сети 192.168.102.0 компьютер, получивший IP-пакет с адресом получателя 192.168.102.255, должен обработать его, как если бы в поле "получатель" стоял его собственный IP-адрес.

Когда компьютер с некоторым IP-адресом решает отправить пакет другому компьютеру, он выясняет, принадлежит ли адресат той же локальной сети, что и отправитель (т. е. подключены ли они к одной среде передачи данных). Делается это так: на IP-адрес получателя накладывается сетевая маска, и таким образом вычисляется адрес сети, которой принадлежит получатель. Если этот адрес совпадает с адресом сети отправителя, значит, оба находятся в одной локальной сети. Это, в свою очередь, означает, что аппаратный адрес (MAC) получателя должен быть отправителю известен.

MAC-адреса компьютеров локальной сети хранятся в специальной таблице ядра, называемой "таблица ARP". Просмотреть содержимое этой таблицы можно с помощью команды arp -a:

[root@localhost root]# arp -a

fuji.nipponman.ru (192.168.102.1) at 00:50:56:C0:00:01 [ether] on eth0

edoh.nipponman.ru (192.168.102.7) at 00:50:56:C3:11:a2 [ether] on eth0

[root@localhost root]# sleep 60

[root@localhost root]# arp -a

[root@localhost root]# ping -c1 192.168.102.1

PING 192.168.102.1 (192.168.102.1) 56(84) bytes of data.

64 bytes from 192.168.102.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.217 ms

--- 192.168.102.1 ping statistics ---

1 packets transmitted, 1 received, 0% packet loss, time 0ms

rtt min/avg/max/mdev = 0.217/0.217/0.217/0.000 ms

[root@localhost root]# arp -a

fuji.nipponman.ru (192.168.102.1) at 00:50:56:C0:00:01 [ether] on eth0

Пример 14.2. Просмотр таблицы ARP (html, txt)

Если говорить более точно, ARP-таблица отражает соответствие между IP- и MAC-адресами. Таблица эта динамическая: устаревшие соответствия из нее удаляются, так как компьютеру может быть назначен другой IP-адрес, интерфейс можно отключить от сети, заменить и т. д. Если вновь понадобится связаться с компьютером, чей MAC-адрес устарел, соответствие IP и MAC придется устанавливать по новой. В примере была использована команда ping, посылающая на указанный IP-адрес пакеты служебного протокола ICMP, на который адресат обязан ответить. Если ответа нет, значит, связь по каким-то причинам невозможна.

Устанавливать соответствие между адресами сетевого и интерфейсного уровня – дело протокола ARP (Address Resolution Protocol, "протокол преобразования адресов"). В случае преобразования IP в MAC он работает так: отправляется широковещательный Ethernet-фрейм типа "ARP-запрос", внутри которого – IP-адрес, что означает "Эй! У кого такой IP?". Каждый работающий компьютер обрабатывает этот фрейм и тот, чей IP-адрес совпадает с запрошенным, возвращает отправителю пустой фрейм типа "ARP-ответ", в поле "отправитель" которого указан искомый MAC-адрес. Это означает: "У меня. А что?". Тут ARP-таблица заполняется и первый компьютер готов к инкапсуляции IP-пакета.

Маршрутизация

Более сложный вопрос встает, если IP-адрес компьютера-адресата не входит в локальную сеть компьютера-отправителя. Ведь и в этом случае пакет необходимо отослать какому-то абоненту локальной сети, с тем, чтобы тот перенаправил его дальше. Этот абонент, маршрутизатор, подключен к нескольким сетям, и ему вменяется в обязанность пересылать пакеты между ними по определенным правилам. В самом простом случае таких сетей две: "внутренняя", к которой подключены компьютеры, и "внешняя", соединяющая маршрутизатор со всей глобальной сетью. Таблицу, управляющую маршрутизацией пакетов, можно просмотреть с помощью команды netstat -r или route (обе команды имеют ключ "-n", заставляющий их использовать в выдаче IP-адреса, а не имена компьютеров):

[root@localhost root]# route -n

Kernel IP routing table

Destination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface

192.168.102.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U 0 0 0 eth0

127.0.0.0 0.0.0.0 255.0.0.0 U 0 0 0 lo

0.0.0.0 192.168.102.1 0.0.0.0 UG 0 0 0 eth0

Пример 14.3. Простая таблица маршрутизации (html, txt)

На машине Мефодия в таблице маршрутизации всего три записи: одна – про сеть 192.168.102.0/24, доступную по интерфейсу eth0, другая – про сеть 127.0.0.0/8, доступную через заглушку, и последняя – про сеть 0.0.0.0/0, доступную через маршрутизатор (gateway) с адресом 192.168.102.1. Сеть 0.0.0.0/0 – это и есть "весь Internet", потому что ей принадлежат любые IP-адреса (ни одного бита на сетевую маску), такая запись в таблице называется "маршрут по умолчанию". Если маршрут не задан, попытка связаться с удаленным компьютером может завершиться с ошибкой "No route to host": система не сможет определить, кому пересылать пакет.

На маршрутизаторе таблица выглядит сложнее:

[root@fuji root]# route -n

Kernel IP routing table

Destination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface

83.237.29.1 0.0.0.0 255.255.255.255 UH 0 0 0 ppp0

192.168.102.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U 0 0 0 eth1

10.13.0.0 0.0.0.0 255.255.0.0 U 0 0 0 eth0

127.0.0.0 0.0.0.0 255.0.0.0 U 0 0 0 lo

0.0.0.0 83.237.29.1 0.0.0.0 UG 0 0 0 ppp0

[root@fuji root]# ifconfig ppp0

ppp0 Link encap:Point-to-Point Protocol

inet addr:83.237.29.51 P-t-P:83.237.29.1 Mask:255.255.255.255

UP POINTOPOINT RUNNING NOARP MULTICAST MTU:1492 Metric:1

RX packets:17104 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0

TX packets:23839 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0

Утилиты LINUX для работы с сетью 📙 Реферат → 🆔 288692