Computersystemen/Netwerkstappen
Stel dat je een host opstart, om https://wikibooks.org te bezoeken. Om de fout te vinden is het interessant om te kijken welke netwerkstappen met grote kans aan bod komen. Hoe worden de netwerkprotocollen in de praktijk gebruikt? Welke weg doorlopen de pakketjes?
Doelstellingen
[bewerken]Als je een computernetwerk beheert en het loopt ergens fout, dan moet je kunnen achterhalen waar dat precies is. Het kennen van de netwerkstappen is dus noodzakelijk bij:
- Leerplandoel 30 uit Applicatie- en Databeheer[1], nl. De leerlingen beheren een netwerk en onderhouden het via een cloud beheersplatform.
- Leerplandoel 19 uit Informatica- en communicatiewetenschappen[2], nl. De leerlingen beheren een computernetwerk.
Fysisch
[bewerken]Als fysisch iets niet in orde is, dan kan het zeker al niet werken. Kijk of je netwerkapparatuur (router, switch,...) aangeschakeld is en of een apparaat geen foutmelding weergeeft. Bekijk de handleiding van het apparaat voor meer uitleg over de statuslichtjes.
Als je geen "link" krijgt tussen de NIC en de netwerkapparatuur, is de fout meestal te wijten aan een slechte kabel of soms de netwerkkaart. Probeer dan eens een aantal netwerkkabels te verwisselen. Als het probleem zich nu verplaatst heeft, dan weet je of het de kabel of de netwerkkaart was. Op het internet kan je nog veel uitgebreidere handleidingen vinden m.b.t. bekabeling.[3]
Als je kabel werkt, maar af en toe zakt je overdrachtssnelheid in elkaar, dan is misschien je kabel (bijna) defect. Een andere oorzaak van dit probleem kan elektromagnetische straling zijn van een niet ontstoord apparaat. Zo zou je wellicht een elektrische potloodslijper niet snel als de schuldige aanwijzen voor een slechte netwerkverbinding.
Routering
[bewerken]Voordat we de stappen bekijken is het begrijpen van routering belangrijk. De kans bestaat dat je tezelfdertijd mail leest, chat, iets aan het downloaden bent en dat in de achtergrond je besturingssysteem met updates bezig is en de klok synchroniseert met een tijdserver. Elk van die zaken genereert pakketten die over het Internet worden gestuurd en vaak van en naar een verschillende locatie moeten.
Routering zal er in dat geval voor zorgen dat elk pakketje op de juiste bestemming terechtkomt en dat is de verantwoordelijkheid van alle tussenliggende routers op het pad naar de eindbestemming. Op basis van een IP-adres (of een groep van IP-adressen) wordt een beslissing genomen:
- ... vanaf welke interface (een router heeft er minstens 2) een pakketje wordt weggestuurd
- ... via welke weg hij het pakketje verder op weg kan zetten.
- Als de eindbestemming ook op het eigen netwerk ligt, dan is het on-link, nl. via één of meerdere switches.
- Als de eindbestemming buiten het eigen netwerk ligt, dan is een gateway nodig als toegangspunt tot dat netwerk, nl. via (een interface van) een router.
Routering heb je niet enkel bij routers, maar ook een host met slechts één NIC heeft een routeringstabel. Een voorbeeld:
Network Destination Netmask Gateway Interface Metric 1 0.0.0.0 0.0.0.0 192.168.1.1 192.168.1.100 55 2 127.0.0.0 255.0.0.0 On-link 127.0.0.1 331 3 127.0.0.1 255.255.255.255 On-link 127.0.0.1 331 4 127.255.255.255 255.255.255.255 On-link 127.0.0.1 331 5 192.168.1.0 255.255.255.0 On-link 192.168.1.100 311 6 192.168.1.100 255.255.255.255 On-link 192.168.1.100 311 7 192.168.1.255 255.255.255.255 On-link 192.168.1.100 311 8 224.0.0.0 240.0.0.0 On-link 127.0.0.1 331 9 224.0.0.0 240.0.0.0 On-link 192.168.1.100 311 10 255.255.255.255 255.255.255.255 On-link 127.0.0.1 331 11 255.255.255.255 255.255.255.255 On-link 192.168.1.100 311
Deze routeringstabel wordt gebruikt om te weten hoe een pakketje naar een bestemming kan op weg gezet worden. In de eerste rij van onderstaande tabel staan enkele IP-adressen van bestemmingen (nl. 192.168.1.103, 192.168.1.100, 192.168.1.255, 127.0.0.1 en 10.1.2.3). Welke lijnen uit de routeringstabel matchen nu? Daarvoor moet je kijken naar een combinatie van netwerkadres en netmask. Het aantal 1'tjes (of 255) van het netmask zal aangeven hoeveel van het ontvangers-IP-adres moet overeenkomen. Onderaan de tabel staat ook nog een extra woordje uitleg.
Netwerkadres | Netmask | /? | 192.168.1.103 | 192.168.1.100 | 192.168.1.255 | 127.0.0.1 | 10.1.2.3 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 0.0.0.0 | 0.0.0.0 | 0 | * | * | * | * | * |
2 | 127.0.0.0 | 255.0.0.0 | 8 | = (8) | ||||
3 | 127.0.0.1 | 255.255.255.255 | 32 | =.=.=.= (32) | ||||
4 | 127.255.255.255 | 255.255.255.255 | 32 | |||||
5 | 192.168.1.0 | 255.255.255.0 | 24 | =.=.= (24) | =.=.= (24) | =.=.= (24) | ||
6 | 192.168.1.100 | 255.255.255.255 | 32 | =.=.=.= (32) | ||||
7 | 192.168.1.255 | 255.255.255.255 | 32 | =.=.=.= (32) | ||||
10 | 255.255.255.255 | 255.255.255.255 | 32 | |||||
11 | 255.255.255.255 | 255.255.255.255 | 32 | |||||
Gekozen lijn | 5 | 6 | 7 | 3 | 1 | |||
Gateway (via) | On-link | On-link | On-link | On-link | 192.168.1.1 | |||
Interface (vanaf) | 192.168.1.100 | 192.168.1.100 | 192.168.1.100 | 127.0.0.1 | 192.168.1.100 |
Enkele opmerkingen:
- De afbeelding is opgebouwd op basis van de routeringstabel.
- De getoonde routeringstabel is deze van een host met IP-adres 192.168.1.100, want 'Network Destination' en 'Interface' zijn identiek.
- Je moet nagaan wat matcht a.d.h.v. netwerkadres en netmask:
- Uit lijn 1 van de routeringstabel blijkt dat die altijd matcht, want er hoeft niets overeen te komen (netmask = 0.0.0.0). Vandaar staat er bij die lijn altijd een sterretje
*
. De overeenkomstige gateway (hier 192.168.1.1) wordt dan de standaard-gateway of default gateway genoemd. - Het aantal ='jes geeft aan hoeveel van het ontvangers-IP-adres overeenkomt. Tussen haakjes staan het aantal bits die daarmee overeenstemmen (zie ook de kolom
/?
). - Bij lijnen 8 en 9 gaat het om multicast (224.0.0.0), maar hiervoor zouden we op bitniveau moeten kijken (240 i.p.v. 255), wat buiten het kader van deze cursus valt (vandaar zijn lijnen 8 en 9 weggelaten in de tabel).
- Uit lijn 1 van de routeringstabel blijkt dat die altijd matcht, want er hoeft niets overeen te komen (netmask = 0.0.0.0). Vandaar staat er bij die lijn altijd een sterretje
- Vervolgens wordt de lijn gekozen, dat de gateway (via) en de interface (vanaf) bepaalt:
- De langste prefix bepaalt welk lijntje er gekozen wordt.
- Voor 192.168.1.255 (een broadcast naar het eigen netwerk) zal dit pakket verstuurd worden vanaf interface 192.168.1.100. Voor 127.0.0.1 zal dit pakket verstuurd worden vanaf interface 127.0.0.1, logisch want het gaat om de localhost en dus het eigen toestel. On-link kan je opvatten als "via de linklaag", waarbij er dus geen router aan te pas komt.
- Als de bestemming buiten het eigen netwerk ligt (in dit geval 10.1.2.3), dan is er een 'gateway' nodig om buiten het eigen netwerk te geraken. Het lukt niet meer 'on link': op de internetlaag is dus een router nodig. In de tabel merken we dat enkel rij 1 matcht. De gateway 192.168.1.1 wordt de 'default gateway' genoemd.
- Stel dat er meerdere uiteindelijke keuzes zouden zijn (bepaald door de langste prefix), dan wordt diegene met de kleinste metric gekozen.
Het begrip 'routering' klinkt heel eenvoudig, maar is in de praktijk behoorlijk complex. Zo kan het zijn dat er een 'Quality of Service' (QoS) is vereist voor VoIP-pakketten, die voorrang moeten krijgen op andere pakketten. Of kan het zijn dat bij een gekozen router er plots letterlijk een kink in de kabel komt en dat een andere route automatisch moet worden gezocht.
Stap-voor-stap
[bewerken]Netwerkschema
[bewerken]Om de netwerkstappen goed te begrijpen is een goed netwerkschema heel belangrijk.[4]
-
Klein netwerkschema
-
Groot netwerkschema
-
TRAME network in 1994
We bespreken onderstaand netwerkschema uitgebreider, nl. van een bedrijf met twee gescheiden netwerken, verbonden met het Internet. Dankzij het helikopterzicht dat zo'n netwerkschema biedt, kan het gemakkelijker zijn om bij een fout de oorzaak te ontdekken of om te beslissen hoe het netwerk uitgebreid kan worden.
Stel dat host A.1 https://wikibooks.org bezoekt. Welke netwerkstappen komen met grote kans aan bod? Dit is niet zo gemakkelijk als het lijkt, maar eens je het snapt, is het de logica zelve... Als je stap-voor-stap kijkt, dan komt het bijna altijd neer op het kunnen invullen van onderstaande vraagtekens. Pas dan kan een pakket via het netwerk verstuurd worden.
Linklaag | Internetlaag | Transportlaag | |||
---|---|---|---|---|---|
MAC ontvanger | MAC verzender | IP ontvanger | IP verzender | poort ontvanger | poort verzender |
? | ? | ? | ? | ? | ? |
In de uitleg wordt verwezen naar de interface 1 tot 9, kortweg if1 tot if9.
Bronadressen
[bewerken]Vanuit het netwerklagenmodel weten we dat er twee bronadressen zijn:
- Per NIC is automatisch een MAC-adres gekoppeld. Zo heeft host A.1 al fysisch een MAC-adres 'out-of-the-box' gekregen van de fabrikant van de NIC.
- Voor zijn IP-adres krijgt host A.1 dit blijkbaar via DHCP in de range [100-200]. Het netwerkschema vermeldt niet waar de DHCP-server te vinden is, maar de kans is groot dat dit if3 is, nl. de linkse interface van router RAB. Van de DHCP-server kreeg host A.1 blijkbaar 10.1.2.101 als IP-bronadres voor een bepaalde tijd (de DHCP-lease).
HTTPS-aanvraag
[bewerken]De volgende stap is het opstellen van de HTTPS-aanvraag. Zijn eigen MAC-adres en eigen IP-adres heeft hij al. Maar in zijn te verzenden pakket moet hij in de headers ook nog een MAC-adres en een IP-adres voor de ontvanger bemachtigen!
- DNS, om te achterhalen welk IP-adres hoort bij de domeinnaam wikibooks.org
- Routeringstabel bekijken (van zichzelf, nl. A.1 en niet van een router!), om te weten waar de HTTPS-aanvraag heen moet. Dit zal buiten het netwerk liggen en dus is het IP-adres van de default gateway (if3) belangrijk.
- ARP, om het MAC-adres te achterhalen van de default gateway (if3). Dus niet het MAC-adres van wikibooks.org!
- Het bekijken van de ARP-cache: misschien zit de koppeling van MAC-IP van de default gateway er al in.
- Als het niet in de cache zit: een ARP broadcast-aanvraag doen.
- Het sturen van de HTTPS-aanvraag
- MAC-ontvanger: van de default gateway (!!!) = if3
- MAC-verzender: van de host = if1
- IP-ontvanger: van wikibooks.org = if9
- IP-verzender: van de host = if1
- Poort ontvanger: 443 (want HTTPS)
- Poort verzender: willekeurig gekozen
Zelfs voor stap 1 van dit heel eenvoudig voorbeeld komen al heel wat substappen aan bod!
Switch netwerk A
[bewerken]Bij stap 1 is enkel nog maar de HTTPS-aanvraag net verstuurd, maar er zijn nog netwerkstappen nodig om het tot een goed einde te brengen. Als we ons pakketje verder volgen op het netwerkschema, dan komen we de switch uit netwerk A tegen. Deze zal op basis van enkel het MAC-adres van de ontvanger het pakketje verder op weg zetten naar de router (default gateway). Dit is dus de RAB, links.
Router RAB
[bewerken]In deze router RAB:
- De router moet opzoeken in zijn routeringstabel wat het IP-adres van de volgende hop is. Volgens het schema zal dit 192.168.1.1 zijn, de default gateway van netwerk B. Dit is dus de RBI, links (if7).
- Het MAC-adres van 192.168.1.1 = if7 achterhalen (via de cache of via een ARP-aanvraag).
- Het doorsturen van het pakket, maar enkele gegevens moeten gewijzigd worden:
- MAC-ontvanger: MAC van 192.168.1.1 = if7 (dit is dus gewijzigd, maar nog steeds niet van wikibooks.org!)
- MAC-verzender: MAC van 192.168.1.254 = if4 (dit is dus gewijzigd, want het gaat niet meer om A.1, wel om RAB, rechts)
- IP-ontvanger: van wikibooks.org = if9 (dit is dus ongewijzigd)
- IP-verzender: van de host A.1 = if1 (dit is dus ongewijzigd)
- Poort ontvanger: 443 (dit is dus ongewijzigd)
- Poort verzender: willekeurig gekozen (ongewijzigd)
Switch netwerk B
[bewerken]Ook deze switch zal op basis van enkel het MAC-adres van de ontvanger het pakketje verder op weg zetten naar router RBI (default gateway).
Router RBI
[bewerken]In de router RBI:
- De router moet opzoeken in zijn routeringstabel wat het IP-adres van de volgende hop is. Uit het schema kunnen we dit niet achterhalen.
- Het MAC-adres van deze hop achterhalen (via de cache of via een ARP-aanvraag).
- Het doorsturen van het pakket, maar enkele gegevens moeten gewijzigd worden:
- MAC-ontvanger: MAC van de volgende hop (en is dus gewijzigd)
- MAC-verzender: MAC van 91.179.77.105 = if8 (en is dus gewijzigd)
- IP-ontvanger: van wikibooks.org = if9 (dit is dus nog steeds ongewijzigd)
- IP-verzender: 91.179.77.105 = if8, wat dus is gewijzigd, omdat het pakket verder verstuurd wordt op het publieke internet, terwijl het IP-adres van host A.1 een privaat IP-adres is! Er moet dus NAT toegepast worden.
- Poort ontvanger: 443 (dit is dus ongewijzigd)
- Poort verzender: willekeurig gekozen (kan omwille van NAT wel wijzigen)
Samengevat
[bewerken]Om de eerdere tabel volledig te kunnen opstellen zijn enkele kernwoorden genoteerd die meestal nodig zijn:
Linklaag | Internetlaag | Transportlaag | |||
---|---|---|---|---|---|
MAC ontvanger | MAC verzender | IP ontvanger | IP verzender | poort ontvanger | poort verzender |
Ofwel on-link, ofwel gateway ARP-cache |
fabrikant NIC | DNS → IP | statisch?
dynamisch? |
Bekende serverdienst? → bekende poort
Niet bekend? → willekeurig gekozen |
Als we het pakketje volgen doorheen de netwerken A, B en het internet, dan kunnen we onderstaande samenvatting maken. De cijfers verwijzen naar de genummerde interfaces van de tekening. Het vraagteken is er omdat we vanuit de tekening niet kunnen weten wat het MAC-adres van de volgende hop is. De 8 bij het IP van de verzender staat in het vet, omdat je niet mag vergeten dat hier NAT wordt toegepast.
A | B | I | ... | |
---|---|---|---|---|
MAC ontvanger | 3 | 7 | ? | ... |
MAC verzender | 1 | 4 | 8 | ... |
IP ontvanger | 9 | 9 | 9 | ... |
IP verzender | 1 | 1 | 8 | ... |
Zo gaat deze ketting verder (NAT zal in principe niet meer nodig zijn), totdat wikibooks.org is bereikt. Daarna is er een omgekeerde beweging om de webpagina terug te kunnen sturen. Per netwerk zullen steeds de MAC-adressen van verzender en ontvanger gewijzigd worden. Het al of niet wijzigen van het IP-adres hangt o.a. af van het feit of al of niet NAT'ing nodig is.
Je moet toch verrast zijn door een systeem dat internetarchitecten en -ingenieurs hebben kunnen opzetten, waarbij we als eindgebruiker zo weinig merken van wat er achter de schermen gebeurt. Tenzij er iets foutloopt: dan is het IT'er handig om een goed begrip te hebben van netwerken én om een goed netwerkschema van je netwerk te hebben!
- ↑ Leerplan Applicatie- en databeheer - 3de graad - D/A-finaliteit
- ↑ Informatica- en communicatiewetenschappen B + S - 3de graad - D-finaliteit
- ↑ Zie bv. gossenmetrawatt.de/en cable troubleshooting via TDR Easy cable troubleshooting via TDR
- ↑ Je kan zoeken naar voorbeelden van netwerkdiagrammen om inspiratie op te doen.