TCP/IP Архитектура, протоколы, реализация (включая IP версии 6 и IP Security)

■ Добавление к интернету новой сети

■ Разрушение пути к пункту назначения или невозможность его достижения за заданное время

■ Добавление в интернет нового маршрутизатора, который может обеспечить более короткий путь к месту назначения

Не существует единого стандарта для обмена информацией между маршрутизаторами. Свобода выбора между несколькими согласованными протоколами позволяет добиться наилучшей производительности в каждом конкретном случае.

Сетевая возможность по управлению организацией сети соответствует понятию "автономной системы" (Autonomous System — AS). Организация может выбрать любой из протоколов обмена информацией о маршрутизации, который связан с ее собственной автономной системой. Протоколы обмена информацией о маршрутизации применяются внутри автономных систем в виде протокола внутреннего шлюза (Interior Gateway Protocol — IGP).

Протокол информации о маршрутизации (Routing Information Protocol — RIP) стал одним из популярных стандартов IGP. Широкое распространение этого протокола связано с его простотой, однако новый протокол "Сначала открывать самый короткий путь" (Open Shortest Path First — OSPF) имеет еще более обширный набор полезных возможностей.

Хотя все маршрутизаторы поддерживают один или несколько стандартных протоколов, некоторые разработчики реализуют собственные лицензионные протоколы для обмена информацией между маршрутизаторами. Многие продукты для маршрутизаторов могут одновременно обрабатывать несколько протоколов.

3.6 Архитектура TCP

TCP реализуется на хостах. Наличие TCP на каждом конце соединения обеспечивает для доставки данных локального приложения следующие возможности:

■ Точность

■ Сохранение последовательности

■ Полноту

■ Исключение дублирования

Базовый механизм для реализации этих возможностей начинает использоваться с самого начала обмена данными. Передающая система TCP:

■ Нумерует каждый сегмент

■ Устанавливает таймер

■ Пересылает сегмент

Принимающая система TCP сообщает своему партнеру, сколько данных было передано правильно, посредством выдачи подтверждения (acknowledgment — ACK). Если подтверждение пересылки сегмента не будет получено за заданный интервал времени, TCP производит повторную пересылку этого сегмента. Такая стратегия называется повторной трансляцией с положительным подтверждением (retransmission with positive acknowledgment). Иногда повторная пересылка приводит к дублированию доставленных на принимающую систему сегментов.

Принимающая система TCP должна расположить приходящие сегменты в правильном порядке и исключить дублирование. TCP передает данные в приложение в правильном порядке, без пропусков.

Поскольку одна сторона отправляет данные, а другая их принимает, TCP можно назвать полнодуплексным (full-duplex) протоколом: обе стороны соединения могут одновременно посылать и принимать данные (т.е. присутствуют два потока данных). TCP одновременно выполняет роли передатчика и приемника.

3.7 Архитектура UDP

UDP реализуется на хостах. Протокол не обеспечивает целостности доставки данных, поскольку эта функция возлагается на обменивающиеся данными приложения. Именно они проверяют целостность доставляемых данных.

Приложение, которое хочет переслать данные с помощью UDP, передает блок данных в UDP, а протокол UDP просто добавляет к ним заголовок и производит их пересылку по сети.

Участвующие во взаимодействии по UDP приложения могут посылать сообщения с пользовательскими датаграммами в любое время. Клиент и сервер, которые надстроены над UDP, несут ответственность за все взаимоотношения при обмене пользовательскими датаграммами.

3.8 Концепция безопасности

TCP/IP успешно обслуживает открытые соединения между компьютерами локальных, региональных, а также глобальных сетей. Однако к соединениям стали предъявляться требования обеспечения безопасности.

Базовые концепции безопасности в сетевом окружении подобны аналогичным концепциям для центрального хоста:

■ Аутентификация пользователей

■ Целостность (гарантия отсутствия изменения данных)

■ Конфиденциальность (защита от нежелательного раскрытия информации)

3.8.1 Аутентификация

Важным аспектом компьютерной безопасности является выяснение "кто есть кто". Ранее это определяли идентификатор и пароль пользователя. Аналогичным образом в поле "From:" сообщения электронной почты идентифицируется отправитель. Однако пароль может быть перехвачен любителем подслушивать в сети, и сообщение электронной почты может быть фальсифицировано.

Если речь идет о пересылке серьезных транзакций в сетях TCP/IP, то требуется способ для надежной идентификации отправителя. Процесс проверки на авторство называется аутентификацией (authentication, дословно: проверка подлинности. — Прим. пер.).

3.8.2 Технология формирования резюме сообщения

Простой, но эффективный способ технологии аутентификации основан на резюме сообщения (message digest). Как показано на рис. 3.8, такое резюме вычисляется по содержимому сообщения с помощью секретного ключа. В настоящее время наиболее распространен алгоритм Message Digest 5 (MD5), который был разработан Рональдом Ривестом (см. RFC 1321).

Рис. 3.8. Использование резюме сообщения.

Взаимное исследование (challenge handshake) иллюстрирует один из способов применения резюме сообщения. Как и при обычной аутентификации, пользователю присваивается пароль, регистрируемый на хосте. Однако этот пароль уже не пересылается по сети. Вместо этого настольная система выполняет вычисление по алгоритму MD5, используя пароль и секретный ключ (ключ шифрования. — Прим. пер.). Как показано на рис. 3.9:

1. Пользователь посылает на хост свой идентификатор.

2. Хост посылает пользователю сообщение со случайным содержимым.

3. Хост и настольная система пользователя выполняют вычисления по алгоритму MD5 для сообщения от хоста и секретного пароля пользователя.

4. Система пользователя отсылает ответ хосту.

5. Хост сравнивает ответ. Если ответ верен, пользователь аутентифицируется.

Рис. 3.9. Использование MD5 при взаимном исследовании

3.8.3 Целостность сообщения

MD5 и совместно используемые секретные ключи можно применять для определения изменений в данных при их пересылке по сети. Рассмотрим рис. 3.10:

1. Вычисление MD5 выполняется над данными с помощью секретного ключа.

2. Данные и полученное сообщение посылаются партнеру.

3. Партнер выполняет вычисление MD5 над полученными данными и известным секретным ключом.

4. Партнер сравнивает полученный результат с соответствующим резюме сообщения. При совпадении считается, что данные не изменились.

Отметим, что, не зная секретного ключа, подглядывающий за пересылаемыми данными злоумышленник не сможет фальсифицировать или изменить эти данные. Такой механизм применяется в системах защищенной электронной почты и безопасных от вторжения транзакциях клиент/сервер.

Рис. 3.10. Защита пересылаемых данных с помощью резюме сообщения, вычисленного по MD5

3.8.4 Конфиденциальность с помощью симметричного шифрования

Для предотвращения чтения и нежелательного использования пересылаемых данных злоумышленником (snooper) данные должны быть зашифрованы. Классическим способом является согласование секретных ключей между отправителем и получателем. Часто при пересылке добавляется резюме сообщения, и получатель может проверить, что данные получены в том виде, в котором они были отправлены. Как показано на рис. 3.11, после шифрования данные выглядят как бессмысленные строки.

Рис. 3.11. Симметричное шифрование

Этот традиционный метод шифрования называется симметричным. Симметричное шифрование предполагает использование одного и того же ключа как для шифрования, так и для последующей расшифровки. Обе стороны знают ключ и должны сохранять его в тайне. Недостатки такого способа следующие:

■ В целях большей безопасности каждой взаимодействующей паре приходится применять собственный секретный ключ.

■ Изменение ключа связано с большими трудностями.

3.8.5 Асимметричный общедоступный ключ шифрования

Методы асимметричного шифрования известны достаточно давно (основные идеи были заложены в работах Диффи, Хеллмана и Меркля). При таком методе для шифрования и расшифровки используются различные ключи.

Рассмотрим шкатулку с двумя различными ключами (А и Б), как показано на рис. 3.12:

■ Если шкатулка закрывается ключом А, то открывается ключом Б.

■ Если шкатулка закрывается ключом Б, то открывается ключом А.

Рис. 3.12. Использование различных ключей для открытия и закрытия

Асимметричное шифрование называется также шифрованием по общедоступным ключам (public key), поскольку позволяет управлять ключами более согласованным способом. Ключ А может быть общедоступным. Его значение можно открыть для друзей или даже хранить в одном из доступных файлов.

■ Все партнеры могут применять общедоступный ключ для шифрования пересылаемых данных.

■ Однако только вы будете знать личный ключ, и никто иной не сможет расшифровать посылаемые вам данные.

Схема шифрования по общедоступным/личным ключам основана на том, что очень трудно подобрать два числа с большими значениями (количество проверок при этом выражается степенной функцией), чтобы получить значение ключей шифрования. Лучшим специалистам потребуется несколько месяцев, чтобы расшифровать данные с 129-разрядным ключом. Однако скорость работы компьютеров постоянно увеличивается, и вряд ли можно ожидать, что 1024-разрядные ключи останутся секретными по истечении еще нескольких лет.

Обслуживание общедоступных/личных ключей гораздо проще, чем симметричных. Однако нужна уверенность, что опубликованный общедоступный ключ "Jane Jone's Public Key" реально принадлежит нужной Джейн Джон, а не другому человеку с тем же именем.

К сожалению, известные сегодня методы асимметричного шифрования достаточно медленны, поэтому наиболее предпочтительна комбинация симметричных и асимметричных методов.

3.8.6 Комбинированное шифрование

Комбинированное шифрование реализуется следующим образом:

■ Выбирается случайный симметричный ключ.

■ По этому ключу шифруются данные.

■ Случайный ключ шифруется с помощью общедоступного ключа шифрования получателя и включается в пересылаемое сообщение (это похоже на помещение нового случайного ключа в контейнер, который будет закрыт общедоступным ключом шифрования получателя).

■ Получатель расшифровывает временный случайный ключ и далее использует его для расшифровки данных.

Как показано на рис. 3.13, общедоступный ключ получателя обеспечивает защитную оболочку вокруг случайного ключа. Открыть эту оболочку сможет только получатель сообщения.

Рис. 3.13. Вложенный в зашифрованное сообщение ключ

В следующих главах мы рассмотрим реализацию этих методов в приложениях и коммуникациях TCP/IP. Наиболее впечатляющий результат рассмотрен в главе 24, где описываются аутентификация и шифрование на уровне IP как для классической версии 4 протокола IP, так и для новой версии 6 — IP Next Generation (следующее поколение IP).

Глава 4

Технологии физического уровня и уровня связи данных

4.1 Введение

За последние несколько лет было предложено беспрецедентное количество новых технологий для локальных и региональных сетей, быстро утвердившихся на компьютерном рынке. Произошел огромный скачок от технологий носителей на витых парах и волоконной оптики — скачок, который никто не мог предвидеть. Сети ISDN, Frame Relay, T1, Fractional T1, T3, волоконно-оптические линии SONET, SMDS, новые кабельные соединители и технология ATM обеспечивают связь с обширными территориями, которая становится все быстрее и дешевле.

Организация IETF быстро реагирует на каждую новую технологию, создавая спецификацию для работы с IP в новом носителе и для других протоколов. Следом за ними разработчики маршрутизаторов создают аппаратные интерфейсы и драйверы, дающие пользователям возможность ощутить все преимущества новых технологий.

Работа IETF видна по большой серии RFC, в том числе:

The Point-to-Point Protocol (РРР) for the Transmission of Multiprotocol Datagrams over Point-to-Point Links (Протокол РРР для пересылки многопротокольных датаграмм по соединениям "точка-точка")

Standard for the transmission of IP datagrams over IEEE 802 networks (Стандарт для пересылки датаграмм IP по сетям IEEE 802)

Transmission of IP and ARP over FDDI Networks (Пересылка IP и ARP по сетям FDDI)

Classical IP and ARP over ATM (Классические пересылки IP и ARP по сетям ATM)

4.2 Функции физического уровня, управление доступом к физическому носителю и уровень связи данных

В этой главе мы рассмотрим работу IP поверх различных технологий нижнего уровня. Однако сначала обратимся к происходящим на этих уровнях событиям (см. рис. 4.1).

Рис. 4.1. Функции нижних уровней

Физический уровень определяет кабели, соединители и электрические характеристики носителя. Правила представления логических единиц и нулей в носителе описываются на физическом уровне.

Пересылаемые данные для сохранения их смысла пакетируются в кадры (некоторые авторы называют такие элементы пакетами). Кадр переносит информацию по отдельной связи. Для достижения места (точки) назначения датаграмма IP может перемещаться по нескольких связям.

Описание формата кадра принадлежит уровню связи данных. Формат кадра различается в разных технологиях нижнего уровня, используемых для создания связи (например, линии Т1, цепи Frame Relay или локальные сети Ethernet). Каждый кадр имеет заголовок, содержащий сведения, необходимые для его доставки по связи. Формат заголовка зависит от применяемой технологии.