• povezuju se dvije ili više mreža koje koriste različite protokole - čine internet
• razlozi:
  • trend povećanja broja različitih mreža
  • jeftinija računalna oprema i odluka o kupovini na nižima razinama
  • različite mreže imaju različite tehnologije (razvoj HW dovodi do kreiranja novog SW)
• primjeri povezivanja:
  • LAN-LAN, LAN-WAN, WAN-WAN, LAN-WAN-LAN

  

  Slika:  Povezivanje mreža (Tanenbaum, 1996)

Razlike među mrežama 

• neke od razlika koje se mogu javiti u mrežnom sloju:

4.1 Načini povezivanja mreža 

• između svakih dviju mreža potrebna “crna kutija” tj. uređaj koji vrši potrebna pretvaranja paketa pri prijelazu iz jedne mreže u drugu, različito se zove ovisno o sloju koji vrši to pretvaranje (često korišten zajednički naziv je usmjernik, pristupnik - gateway):  
• mreže se mogu povezivati pomoću različitih uređaja koji funkcioniraju u različitim slojevima:

1. fizički sloj:

   ponavljač (repeater)

   • kopira bitove između segmenata kabela
   • uređaj nižeg sloja koji samo pojačava ili obnavlja slabe signale

   razdjelnik (hub)

   • povezuje dijelove lokalnih mreža te sadrži veći broj ulaznih portova
   • kada okvir stigne na jedan ulaz, šalje se na sve ostale ulaze: ne provjeravaju se adrese

    

2. sloj podatkovne veze:

   premosnik (bridge)

   • "store-and-forward" uređaj
   • sprema i prosljeđuje okvire sloja prijenosa podataka između LAN-ova
   • prihvaća okvir i daje ga sloju prijenosa podataka gdje se provjerava, a zatim ga šalje fizičkom sloju za prosljeđivanje na drugu mrežu
   • sam premosnik ne gleda niti mijenja paket mrežnog sloja koji je unutar okvira
   • provjerava adrese (MAC za Ethernet)

   prespojnik (switch)

   • sličan premosniku po tome što provjerava odredišne adrese okvira
   • osnovna razlika u tome što se najčešće koristi kada treba povezati samostalna računala

    

3. mrežni sloj:

   usmjernik (router) za više protokola (multiprotocol router)

   • prosljeđuje pakete između različitih mreža
   • uređaj mrežnog sloja koji uzima dolazeće pakete s jedne linije i prosljeđuje ih na drugu
   • te linije mogu pripadati mrežama sa različitim protokolima
   • provjerava adrese paketa i ne vidi adrese okvira prijenosnog sloja

    

4. prijenosni sloj:

   transportni pristupnik (gateway)

   • povezuje računala koja koriste različite prijenosne protokole (na pr. TCP/IP i ATM)
   • kopira pakete s jedne prijenosne veze na drugu i reformatira ih po potrebi

Iznad 4. sloja: u aplikacijskom sloju povezivanje mreža vrši aplikacijski pristupnik  (gateway): razumije format i sadržaj podataka te prevodi poruke iz jednog formata u drugi (na pr. e-mail gateway može prevoditi Internet poruke u SMS poruke za mobitele)

Osnovna razlika: switch (ili premosnik)  vrši prijenos na osnovu MAC adrese, a ruter na osnovu adrese paketa unutar okvira

Zajedničko: prihvaćaju dolazeće PDU, pogledaju određena polja u zaglavlju, te donesu odluku gdje poslati PDU na osnovu informacije u zaglavlju i u internim tablicama

• uobičajena su 2 stila povezivanja mreža: spajanje podmreža s virtualnim vezama i spajanje datagramskih podmreža

4.2 Povezane virtualne veze (Concatenated Virtual Circuts)

• povezivanje slično načinu na koji se uobičajeno uspostavlja veza
• uspostavlja se niz virtualnih veza od izvora prema odredištu kroz 1 ili više pristupnika (višeprotokolarni usmjernici - ruteri)
• virtualni kanal u podmreži gradi se prema usmjerniku najbližem odredišnoj mreži
• novi virtualni kanal gradi se od tog usmjernika do višeprotokolarnog usmjernika
• višeprotokolarni usmjernik nastavlja graditi virtualni kanal prema takvom usmjerniku u slijedećoj podmreži, ako se još nije dostiglo odredište
• svaki usmjernik održava tabele koje govore o tome koji virtualni kanali prolaze kroz njega i gdje se trebaju usmjeriti
• kad se uspostavi virtualna staza i započne tok paketa podataka, svaki usmjernik pretvara paket u odgovarajući format
• pakete je potrebno označiti brojevima virtualnih veza
• svi paketi moraju proći kroz isti niz višeprotokolarnih usmjernika
• ovakav način je najbolji ako su sve mreže približno istih osobina (npr. sve generiraju pouzdan prijenos)

Slika: Povezane virtualne veze (Tanenbaum, 1996)

4.3 Bespojno povezivanje (Connectionless Internetworking)

• datagramski model kod kojeg paketi koji pripadaju 1 vezi ne moraju od izvora do odredišta ići kroz isti niz pristupnika, tj. po istoj stazi
• odluka o usmjeravanju se donosi za svaki paket posebno
• veća propusnost nego kod povezivanja virtualnih kanala, ali nema garancije da će paketi stići na odredište u pravom redoslijedu
• glavna prednost datagramskog modela kod povezivanja mreža: može se koristiti za podmreže koje nemaju implementirane virtulane kanale (npr. mobilni LAN)
• problemi: različiti formati paketa, adresiranje

Slika:  Bespojno povezivanje (Tanenbaum, 1996)

4.4 Korištenje tunela (Tunneling) 

• poseban slučaj kod povezivanja je kada su izvori i odredište u istom tipu mreže, a između njih su mreže različitih tipova
• tehnika tuneliranja: host 1 načini paket sa IP adresom hosta 2 i uključuje ga u Ethernet okvir adresiran na multiprotokolarni usmjernik
• kad usmjernik primi okvir, uklanja IP paket i sprema ga u posebno (payload) polje paketa mrežnog sloja WAN mreže, te ga adresira na drugi usmjernik
• taj usmjernik izvlači IP paket i šalje ga hostu 2 unutar Ethernet okvira
• WAN služi kao tunel od jednog do drugog višeprotokolarnog usmjernika
• samo ti višeprotokolarni usmjernici trebaju razumjeti IP i WAN pakete, mreža na krajevima ne mora

Slika: Usporedba  tuneliranja paketa i automobila (Tanenbaum, 1996)

4.5 Usmjeravanje kod povezivanja mreža

• ruting kod više povezanih mreža sličan je onom kod jedne mreže

Slika: Primjer povezivanja 5 mreža s 6 usmjernika (Tanenbaum, 1996)

• graf interneta komplicira to što svaki usmjernik može direktno slati pakete bilo kojem drugom usmjerniku povezanom na mrežu na koju je i on spojen
• nakon konstruiranja grafa, primjenjuje se neki od algoritama za usmjeravanje
• 2 razine algoritama (razlikuju se internetwork i intranetwork usmjeravanje)
  • unutrašnji protokol za premošćivanje (interior gateway protocol) - koristi se unutar svake mreže
  • vanjski (exterior gateway protocol) - između mreža
• mreže se nazivaju samostalni sustavi - Autonomous System (AS) - ne ovise jedna o drugoj i svaka koristi svoj unutrašnji protokol

4.6 Fragmentacija 

• svaka mreža ima neku maksimalnu dozvoljenu veličinu svojih paketa (u rangu od 48 bajtova za ATM ćelije do 65,515 bajtova za IP pakete)
• problem: veliki paket treba proći kroz mrežu čija je maksimalna dozvoljena veličina paketa manja
• rješava se tako da se dozvoli pristupnicima (gateway) da pakete razbiju u fragmente i da svaki fragment šalju kao posebni internet paket
• teži dio je fragmente ponovo složiti u originalni paket, za to postoje 2 suprotne strategije:

1. fragmentacija je nevidljiva (transparentna) za bilo koju slijedeću mrežu u nizu međumreža kroz koje paket prolazi do odredišta, te mreže ne znaju da se fragmentacija dogodila jer na ulazu u međumrežu pristupnik fragmentira paket, fragmenti se šalju kroz mrežu na izlazni pristupnik koji ih opet slaže

- jednostavni pristup, ali problemi:

• izlazni pristupnik mora znati kada je primio sve dijelove
• svi dijelovi moraju izaći iz mreže kroz isti pristupnik
• javlja se zastoj zbog stalnog ponovnog razbijanja i slaganja paketa

2. fragmentacija je vidljiva - veliki paket se fragmentira i dijelovi se šalju kroz sve međumreže kao "obični" paketi, a slažu se tek kad stignu do odredišta (hosta)

- problemi:

• svaki host mora znati napraviti spajanje
• smanjuje se propusnost jer svaki fragment mora imati zaglavlje cijelo vrijeme prenošenja

 Slika: Fragmentacija (Tanenbaum, 1996)

 Numeriranje fragmenata

• kod fragmentacije paketa, fragmenti moraju biti tako numerirani da se može rekonstruirati originalni podatak: jedan način stablo:

0 -> 0.0, 0.1, 0.2, 0.3
0.0 -> 0.0.1, 0.0.2
itd.

• najbolje je da internetwork protokol definira osnovnu veličinu fragmenta dovoljno malu da može proći kroz svaku mrežu, svi fragmenti biti će isti osim zadnjeg koji može biti kraći
• zaglavlje sadrži podatak o originalnom broju paketa i o broju fragmenta

4.7 Firewalls (sigurnosne stijene) 

• problem zašite povjerljivih informacija kompanija od neovlaštenog pristupa i od oštećivanja
• firewall - elektronički “pokretni most” preko kojeg ide sav promet prema kompaniji ili iz nje

• firewall na slici ima 2 komponente: 2 usmjernika (na unutrašnjem LAN i na vanjskom LAN) koji vrše filtriranje paketa i aplikacijski pristupnik (gateway)
• pristupnici-filteri su standardni pristupnici sa dodatnim funkcijama koje omogućuju da se svaki dolazeći i izlazeći paket provjeri i da se odbace oni koji ne zadovoljavaju neke kriterije; provjereni paket na jednom usmjerniku prolazi kroz aplikacijski pristupnik
• filterima paketa upravljaju tablice koje konfigurira administrator sistema, a u kojima se navodi popis prihvatljivih i neprihvatljivih izvora i odredišta i pravila o tome što učiniti sa paketima koji dolaze ili idu na druga računala
• aplikacijskih pristupnika može biti više za različite aplikacije

  

   Slika: Primjer  firewalla (Tanenbaum, 1996)

5. MREŽNI SLOJ U INTERNETU

• Internet se sa stanovišta mrežnog sloja može promatrati kao skup međusobno povezanih podmreža ili samostalnih (autonomnih) sustava (Autonomous Systems - AS)
• ne postoji prava struktura, ali postoji nekoliko glavnih okosnica (backbone) na koje su povezane regionalne mreže, a na njih LAN univerziteta, kompanija, davaoca Internet usluga... (“kvazihijerarhijska” organizacija)

 Slika: Internet - primjeri mreža (Tanenbaum, 1996)

• ono što Internet drži na okupu je protokol mrežnog nivoa - IP (Internet Protocol) čiji je zadatak da na najbolji mogući način prenese datagrame (koje prima od prijenosnog sloja) od izvora do odredišta, bez obzira da li su oni na istoj mreži ili nisu i da li postoje ili ne postoje mreže među njima

5.1 IP protokol 

• format IP datagrama: datagram se sastoji od zaglavlja i teksta
• zaglavlje (header) ima 20-byte-ni fiksni dio i opcionalni dio varijabilne dužine

 Slika: IP zaglavlje (Tanenbaum, 1996)

• polja:

1. verzija (version) - kojoj verziji protokola pripada datagram (omogućeno korištenje različitih verzija na različitim računalima) - IPv4 i IPv6
2. IHL - koliko je dugačako zaglavlje u 32-bitnim riječima (polje je dugo 4 bita, min. vrijednost je 5 (nema opcija), max je 15 (60 bytova za zaglavlje)
3. tip usluge (type of service) - host govori podmreži koju vrstu usluge želi (moguće su različite kombinacije pouzdanosti i brzine) - prva 3 bita prioritet, po jedan za zastoj (D - deley), propusnost (T - throughput), pouzdanost (R - reliability)
4. ukupna duljina (total length) datagrama - i zaglavlja i podataka (max. je 65,535 byteova)
5. identifikacija (identification) omogućuje odredišnom hostu da odredi kojem datagramu pripada fragment koji je stigao
6. nekorišten bit
7. DF (Don’t Fragment) - naređenje usmjernicima da ne fragmentiraju datagram jer ga odredište ne može ponovo složiti
8. MF (More Fragments) - polje imaju postavljeni svi fragmenti osim zadnjeg kao znak da dolazi još fargmenata istog datagrama
9. posmak fragmenta (fragment offset) - gdje fragment pripada unutar trenutnog datagrama
10. vrijeme života paketa (time to live) - brojač za ograničavanje životnog vijeka paketa, smanjuje se pri svakom skoku i kad dosegne nulu, paket se odbacuje (max. je 255 sekundi)
11. protokol (protocol) polje govori mrežnom sloju koji će se protokol prijenosnog sloja koristiti
12. kontrolni zbroj zaglavlja (header checksum) - provjerava se samo zaglavlje (računa se ponovo pri svakom skoku)
13. izvorna adresa (source address)
14. odredišna adresa (destination address) - broj mreže i hosta
15. opcije (options) - za uključivanje informacija koje će biti potrebne u slijedećim verzijama protokola, neke od opcija:

5.2 IP adrese 

• svaki host i čvor (router) na Internetu ima jedinstvenu IP adresu dugu 32 bita koja se piše kao četiri decimalna broja odvojena točkom (dotted decimal notation)
• svaki od 4 bytea piše se decimalno u rasponu od 0-255
• na pr.

 10100001 00110101 000101101 00000011 ==> 161.53.45.3

• IP se ne odnosi na host nego na mrežno sučelje (obično je isto jer je host na 1 mreži)
• IP adresa se sastoji od 2 dijela
  • broja mreže na koju je priključeno računalo
  • broja računala u toj mreži
• adrese dodjeljuje neprofitna organizacija ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)
• postoji više različitih formata IP adresa
• različite klase IP adresa koje odgovaraju različitim veličinama mreža

 Slika: Klase IP adresa (Tanenbaum, 1996)

• klasa A (velike mreže) koristi se za mali broj mreža (128) sa velikim brojem računala (16,777,214),
• klasa B (srednje mreže)  je za nešto više mreža (16,382) sa srednjim brojem računala (65,534)
• klasa C (male mreže) je za veliki broj mreža (2,097,152) sa malo računala (256)
• klasa D služi za mulitcasting, a E za buduće korištenje

• neke su adrese rezervirane i imaju posebno značenje:

 Slika: Posebne IP adrese (Tanenbaum, 1996)

• Na primjer:
  • ako je 0.0 oznaka mreže, to je trenutna mreža
  • 0.0.0.0 se koristi samo kod podizanja računala
  • 161.53.0.0 označava mrežu čija je adresa 161.53 (CARNet)
  • 161.53.255.255 se odnosi na sva računala u CARNetu
  • 127.xx.yy.zz služi za testiranje

Podmreže (subnets) 

• veća mreža sa IP adresiranjem može se interno  podijeliti se u više dijelova kako bi se lakše održavala, ali se prema vanjskom svijetu i dalje čini da je riječ o jednoj mreži
• dijelovi mreže nazivaju se podmreža (subnet) i povezani su ruterima
• za označavanje podmreža koristi se maskiranje koje nije vidljivo izvan mreže
• određuje se maska podmreže (subnet mask) koja definira način na koji se broj hosta dijeli na broj podmreže i broj hosta; čuva je glavni ruter
• bitovi za adresu mreže postavljaju se na 1, a za adresu hosta na 0

Na primjer:

• 16-bitni broj hosta podijeljen je na 6-bitni broj podmreže i 10 bitni broj hosta (64 LAN, svaki sa 1022 hosta)
• maska je 255.255.252.0 ili /22 (maska duga 22 bita)

 Slika: Primjer za maskiranje (Tanenbaum, 1996)

5.3 Usmjeravanje na internetu

a) Unutrašnji protokol usmjeravanja OSFP  (Open Shortest Path First)

• Internet se sastoji od više autonomnih sistema (AS), razlikuju se algoritmi za usmjeravanje unutar jednog AS (interior gateway protocol) i između više AS (exterior gateway protocol)
• originalni Internet unutrašnji protokol bio je usmjeravanje vektorom udaljenosti (distance vector routing), zatim usmjeravanje stanjem veza (link state routing), a od 1990. godine standard je dinamički algoritam OSPF (Open Shortest Path First)
• OSPF podržava 3 tipa veza i mreža:

1. point-to-point vezu između točno 2 rutera
2. mrežu s višestrukim pristupom (multiaccess) s broadcasting (većina LAN)
3. mrežu s višestrukim pristupom (multiaccess) bez broadcasting

• mreža s višestrukim pristupom (multiaccess network) je ona koja ima više čvorova od kojih svaki može direktno komunicirati sa svima ostalima (svojstvo koje imaju LAN i WAN)
• OSFP djeluje tako da predstavi skup stvarnih mreža, rutera i veza usmjerenim grafom čijim su lukovima pridružene težine (udaljenost, zastoj...) na osnovu kojih se računa najkraći put između čvorova

• veliki AS dijele se u više područja (areas) koje čini 1 mreža ili skup susjednih mreža, uvijek je jedno područje okosnica (backbone area) ili područje 0 na koje su povezana sva ostala područja (na pr. tunelima)
• unutar jednog područja svaki čvor koristi istu bazu podataka o stanju linkova i izvodi isti algoritam za pronalaženje najkraćeg puta
• glavni mu je zadatak izračunati najkraći put od sebe do svakog drugog čvora u svom području uključujući i one koji su povezani u okosnicu
• razlikuju se 3 vrste staza:

1. intra-area - unutar jednog područja
2. interarea - između 2 područja, u 3 koraka: ide se od izvora do okosnice, preko okosnice do odredišnog područja, te do odredišta
3. interAS - između različitih AS

• OSPF razlikuje 4 klase čvorova:

1. unutrašnji čvorovi potpuno unutar jednog područja
2. čvorovi na rubu područja - povezuju 2 ili više područja
3. čvorovi na okosnici
4. čvorovi na rubu AS koji komuniciraju s čvorovima u drugim AS

Slika: Odnos AS, okosnica i područja za OSPF (Tanenbaum, 1996)

• svaki ruter korištenjem preplavljivanja (flooding) informira ostale rutere u svom području o svojim susjedima i troškovima nakon čega svaki ruter konstruira graf za svoje područje i izračuna najkraći put
• to čini i područje okosnice, a njegovi čvorovi dodatno računaju najbolju stazu od sebe do svakog drugog čvora (pri tome izmjenjuju informacije sa ruterima na rubu područja)

a) Vanjski protokol usmjeravanja BGP (Border Gateway Protocol)

• BGP (Border Gateway Protocol) se koristi između više AS i dizajniran je tako da dozvoli uključivanje različitih vrsti pravila u vezi sa prometom, a koja se odnose na političke, sigurnosne ili ekonomske prilike
• pravila se ručno konfiguriraju u svaki BGP usmjernik i nisu dio samog protokola
• u osnovi je BGP protokol usmjeravanja vektorom udaljenosti, ali umjesto da BGP čvorovi periodički daju susjedima samo procijenjeni trošak do svakog odredišta, daju i točnu stazu koju koriste

5.4 IPv6 

• nova verzija IP protokola (razvija se od 1990.) koja će zamijeniti postojeću IPv4
• glavni ciljevi:

1. podrška za milijarde hostova
2. reduciranje veličine tablica usmjeravanja
3. jednostavniji protokol koji će dozvoliti da ruteri brže šalju paketa
4. sigurniji od IP
5. više pažnje posvećuje tipu usluge (posebno za podatke u stvarnom vremenu)
6. olakšava multicasting specificiranjem područja
7. omogućuje pokretnost hosta bez promjene adrese
8. dozvoljava daljnji razvoj protokola u budućnosti
9. dopušta da se još godinama koriste i stari i novi protokoli

 

• od brojnih prijedloga, 1993 je odabran SIPP (Simple Internet Protocol Plus) i dana mu je oznaka IPv6
• IPv6 nije kompatibilan sa IPv4, ali je kompatibilan sa ostalim Internet protokolima (TCP, UDP, ICMP, IGMP, OSPF, ...)
• glavne osobine: duže adrese od IPv4 (16 byte-ova duge), jednostavnije zaglavlje (7 polja), bolja podrška za dodatne opcije (nekadašnja polja zaglavlja sada su opcionalna), veća sigurnost, više se posvećuje pažnja QoS (kvaliteti usluge)

IPv6 zaglavlje

 Slika: IPv6 zaglavlje (Tanenbaum, 2002)

• polja:

1. verzija (version) - oznaka 6 za IPv6 (4 za IPv4)
2. klasa prometa (traffic class) - za razlikovanje paketa sa različitim zahtjevima za dostavljanje u stvarnom vremenu (multimedijski sadržaji)
3. oznaka toka (flow label) - koristiti će se za dozvoljavanje uspostavljenja pseudoveze (flow) s posebnim zahtjevima između izvora i odredišta
4. duljina ostatka (payload length) - koliko bajtova slijedi iza zaglavlja od 40 byteova
5. slijedeće zaglavlje (next header) - za opcionalna dodatna zaglavlja, ako je to zadnje IP zaglavlje, kazuje kojem transportnom protokolu treba predati paket
6. granica skoka (hop limit) - za ograničavanje života paketa
7. izvorna adresa (source address)
8. odredišna adresa (destination address) - 16 byte-ne adrese

 

IPv6 adresni prostor:

• adrese koje započinju sa 80 nula rezervirane su za IPv4 adrese
• ukupan broj adresa je 2¹²⁸ (približno 3 x 10³⁸) - 7 x 10²³ IP adresa/m² i trenutno je dodijeljeno oko 28%
• nova notacija: 8 grupa od 4 heksadecimalne znamenke sa dvotočkama između, npr.

8000:0000:0000:0000:0123:4567:89AB:CDEF

ili optimizirano:

8000::123:4567:89AB:CDEF

ili u staroj notaciji sa parom dvotočki ispred:

::192.31.20.46 (za IPv4 adrese)

Usporedba IPv6 sa IPv4 zaglavljem:

• nema IHL jer IPv6 ima fiksnu duljinu, umjesto Protocol polja ima Next header, nema polja koja omogućuju fragmentaciju (svi paketi su veliki 1280 bajtova), nema Checksum polja jer sloj podatakovne veze i transportni sloj vrše provjeru

Dodatna zaglavlja

• da bi se nadoknadila neka polja kojih nema, uvode se opcionalna dodatna zaglavlja (extension header)
• 6 vrsti:

 Slika: IPv6 opcionalona zaglavlja (Tanenbaum, 2002)