Operating Systems 2023/24 fall

Praktikum 10 - Sissejuhatus võrgutehnoloogiasse

Kaasaegse operatsioonisüsteemi lahutamatuks osaks on andmevahetus (võrguühendus) teiste arvutitega. Veelgi täpsemalt enamik operatsioonisüsteeme on täna ühendatud internetti ja vigane võrguühendus võib tähendada mitmete operatsioonisüsteemi osade ning tarkvarade vähendatud funktsionaalust. Käesoleva praktikumi eesmärgiks ongi tutvuda IP-pakettide ruutimisega läbi mitme võrguseadme ehk uurida läbi lihtsustatud näite seadistamise kuidas internet jõuab teie arvutisse.

IP-aadress on arvutivõrgus asuva seadme identifikaator: seadmele määratud alaline või ajutine tunnusnumber, mille abil saavad nad üksteisega suhelda. Internet on omavahel kokku ühendatud arvutivõrgud, millest tuleneb ka nimetus (INTERconnected NETworks). Kahte võrku ühendaval seadmel (üldjuhul marsruuter) on vähemalt üks IP-aadress iga võrgu jaoks, millesse ta kuulub.

IP-aadressid võivad olla seadistatud võrguliidestele käsitsi ("staatiliselt") või automaatselt vastavalt selles võrgus jagatavale infole. IPv4 puhul jagatakse dünaamilisi aadresse DHCP-protokolliga. Selleks töötab võrgu mingis masina(te)s DHCP-server ning dünaamiliselt aadressi hankivates klientarvutites töötab vastaval liidesel DHCP-klient. Näiteks NAT-võrguga VirtualBoxis pakub DHCP-teenust VirtualBox ise, aga lihtsas (kodu)võrgus pakub DHCPd tavaliselt marsruuter. DHCP-server(id) võivad asuda ka eraldi masina(te)s (asutustes parema hallatavuse, tõrkekindluse, koormusjatuse, turvalisuse jm põhjustel).

IPv4-aadress jaguneb sisemiselt kaheks osaks – mingi esimesi bitte identifitseerib võrgu ning üle jäävad bitid identifitseerivad üksikut masinat (hosti) seal võrgus. Võrgumask näitab, missugused bitid on võrgu identifitseerimiseks (see võib igas võrgus isemoodi olla, kuni kaugemad ruuterid teavad sellise võrgu asukohta).

Praktikum toimub mitme virtuaalse Linuxi arvutiga, mis moodustavad meile tavapärast olukorda matkiva struktuuri, kus lõppkasutaja peab "laia Internetiga" ühendamiseks pakette saatma läbi mitme võrgu. Eesmärk on ühendada Internetiga kahe ruuteri taga olev klientarvuti, nagu näidatud joonisel.

• Ruuter1 saab oma välise ühenduse IP-aadressi DHCP abil automaatselt ja VirtualBox laseb ta NAT-i kaudu Internetti.
• Ruuter2 saab oma ühenduse Ruuter1 käest, nende vahel on IP-võrk 192.168.X.0/24, kus X on teie matriklinumbri kaks viimast kohta.
• Klient saab omakorda ühenduse Ruuter2 käest ja nende vahel on IP-võrk 192.168.{X+1}.64/26.

NB! Praktikumis seadistatakse iga tegevusega veidi täiendavat funktsionaalsust ja juhendi lõpuks saab valmis näidis, kuidas Internet töötab. Küll aga tähendab see seda, et ühtegi punkti ei tohi vahele jätta ega ainult osaliselt teha, sest muidu ei hakka lõpplahendus tööle. Samuti pöörake tähelepanu, et tihti peidab järgmine tegevus ära mõne veateate olukorra, kus ping või pakettide edastamine ei toimi.

Kui praktikumijuhendiga hätta jääte siis on soovitatav lisaks vaadata COVID ajal toimunud praktikumi videosalvestust, kus tutvustatakse täiendavalt käesolevat praktikumijuhendit.

Sissejuhatus võrgutehnoloogiasse – olulisemad mõisted:

Järgnevad mõistete seletused pärinevad Erkki Laaneoks'a Võrgutehnoloogia 2010. aasta õpikust. Kellel on soovi täpsemalt uurida eesti keeles vastavaid mõisteid, leiavad sealt ka pikema seletuse. https://dspace.ut.ee/bitstream/handle/10062/18478/9789949195466.pdf

Saamaks kaks osapoolt omavahel suhtlema, peavad nad üksteisest aru saama. Inimestel on selleks keel, mida nad räägivad ning mille abil nad end üksteisele arusaadavaks teevad. Arvutite jaoks on selleks protokoll. Protokoll on hulk kokkuleppeid, mille põhjal toimub suhtlus ja üksteisest arusaamine osapoolte vahel. Näiteks füüsilise taseme protokolli poolt määratakse kasutatavate elektrisignaalide tugevuse muutumise sagedus, pingenivood, kaabli üldtakistus, kodeering jne.

Arvutivõrk on kogum arvuteid ja muid seadmeid, mis kasutavad ühist võrguprotokolli, jagamaks ressursse läbi võrgumeediumi. Muudeks seadmeteks peale arvutite võivad olla veel printerid, võrguseadmed, terminalid jt.

internet – väikese algustähega internetiks nimetatakse suvalist kinnist ühendatud võrkude kogumit. Võib öelda ka, et internet on võrgustik ehk võrkude võrk.

Internet – suure algustähega Internetiks nimetatakse maailma kõige suuremat internetti, mida meist enamik kasutab.

Oktett – spetsifikatsioonides võidakse rääkida terminist "oktett". Oktett tähendab kaheksat ja väljade suurustes on ta ekvivalentne baidiga (üks bait on kaheksa bitti).

IP on adresseerimisel kasutatavaks protokolliks Internetis. IP on marsruuditav protokoll (routed protocol). See tähendab, et edastatav andmeühik ehk pakett on võrgusõlmedel suunatav ühelt sõlmelt teisele, kuni pakett jõuab sihtpunkti (võrgusõlmed suunavad paketti järjest lähemale sihtpunktile). IP-võrgus olevat masinat, millel on unikaalne IP-aadress, nimetatakse hostiks. Hostiks võib olla tavaline arvuti, kuid ka server, võrguprinter, võrguseade, külmkapp jne – kõik seadmed, millele saab määrata IP-aadressi ja millega saab suhelda.

Iga arvuti, mis IP-võrgus asub, peab antud võrgus olemise ajal omama unikaalset aadressi. IP-aadress on midagi sarnast näiteks postiaadressi või telefoninumbriga. Igaüks, kellel on telefon, omab mingit unikaalset identifikaatorit, millele helistades jõuab kõne just ainult temani või jõuab kiri üheselt määratud aadressile. See tagab, et suvaline host saaks suhelda suvalise teise hostiga, kui ta teab tema aadressi. IP-aadresside kasutust reguleerib organisatsioon nimega IANA (Internet Assigned Numbers Authority). IANA koduleht: http://www.iana.org. IP-protokoll on ühenduseta, see tähendab, et mingit eraldi ühendust ei looda enne paketi teele saatmist. Seega ei pruugi paketi saatja IP-protokolli tasemel ette teada, kas pakett jõuab kohale või mitte või kas sihtpunkt üldsegi olemas on (näiteks IP-aadress ei ole kasutusel või on arvuti välja lülitatud). Samuti ei pruugi paketi liikumistee olla alati samasugune, see tähendab, et üks pakett võib liikuda ühte teed pidi, aga teine pakett teist teed pidi sihtpunkti. Sellest lähtuvalt võib hiljem teele pandud pakett jõuda sihtpunkti varem kui temast varem teele saadetud pakett, sest iga pakett on iseseisev ja sõlmed teevad edastamisotsused jooksvalt antud hetkel eeldatavalt parimat teed valides (mingite kriteeriumite alusel). Ühendusele orienteeritud ühendusviisi puhul luuakse ühenduskanal mõlema otspunkti vahel, seejärel saab andmeid vahetada osapoolte vahel. Paralleelina on tavalise paberkirja saatmine ühenduseta andmete saatmise viis (eelnevalt ei looda osapoolte vahel kanalit, seega võib kiri ära kaduda, adressaat mitteeksisteeriv olla jne). Ühendusele orienteeritud ühendus on seevastu tavaline telefoniühendus, kus luuakse otspunktide vahel ühendus, mille järel hakatakse sõnumeid vahetama. Ühenduseta ühendust kutsutakse tihti ka pakettkommuteeritud (packet-switched) meetodiks ja ühendusega ühendust lülitus-kommuteeritud (circuit-switched) meetodiks.

IP-aadress on kokku 32-bitine number. Inimesele loetavamaks ja paremini käideldavamaks kujuks on IP-aadress, kus ta on jaotatud neljaks osaks (igas osas kaheksa bitti), mis eraldatakse omavahel punktidega ja kirjutatakse enamasti kümnendsüsteemi arvudega. Neid osasid nimetatakse oktettideks (koosneb kaheksast bitist). Iga okteti väärtuseks on 0-255 (2^8-1=255; -1, sest loendamist alustatakse nullist). Seega on IP-aadressi üldkuju järgmine: "A.B.C.D", kus A, B, C, D ∈ {0, 1,..., 255}.

Igas internetis peavad kõikide hostide IP-aadressid olema unikaalsed, Internetis samuti. Kuna IP-aadressi alusel peab olema võimalik saata paketti suvalisele aadressile internetis, kus võib olla väga palju hoste, siis on vaja adresseerimine loogiliselt üles ehitada. IP-aadress jaotatakse kahte ossa: võrgu- ja hostiosa. Võrguosa bitid on IP-aadressis eespool olevad bitid ja hostiosa bitid on tagumised bitid. Võrguaadressiks (network address) nimetatakse IP-aadressi, kus hostiosa bitid on kõik nullid. Võrgu leviedastusaadressiks (broadcast address) nimetatakse IP-aadressi, kus hostiosa bitid on kõik ühed. Võrgu kasutatavateks IP-aadressideks nimetatakse kõiki IP-aadresseid, mis jäävad võrguaadressi ja leviedastusaadressi vahele. Võrguaadressil, kasutatavatel aadressidel ja leviedastusaadressil on võrguosa bitid samasugused, kuid hostiosa bitid on erinevad. Iga leviedastusdomeen omab oma unikaalset võrguaadressi ehk igal leviedastusdomeenil on unikaalsed võrguosa bitid, mida ei ole mitte kusagil mujal Internetis. Ühe leviedastusdomeeni sees on kõik hostiosa bitid samuti unikaalsed. Seega mitte ükski arvuti Internetis ei saa omada sama IP-aadressi. Edaspidi käsitleme IP-d Interneti kontekstis.

Võrgu- ja hosti aadressiosa piiritlemiseks kasutatakse võrgumaski (network mask). Võrgumask on samuti 32 bitti pikk, nagu IP-aadresski. Võrgumaskis on võrguosa bittide osas kõik ühed ja hosti osas kõik nullid. Seega võrgumask on binaarsel kujul 1...10...0. Võrgumask näitab, millised bitid IP-aadressis on võrguaadressi osa ja millised bitid on IP-aadressis suvalised, et vastav IP-aadress kuuluks vastavasse võrku.

Saatja peab mingile teisele hostile andmete saatmiseks teadma sihtpunkti (kui host asub samas kohtvõrgus) või võrguvärava MAC-aadressi (kui host asub väljaspool kohtvõrku) ja sihtpunkti IP-aadressi. IP- ja MAC-aadressi sidumisel on oluline teada, kas IP-aadress, kuhu me tahame paketti saata, asub saatjaga samas võrgus või mitte. Hostid omavad tabelit, mis sisaldab lokaalsetele IP-aadressidele vastavaid MAC-aadresse (mittelokaalsetele IP-aadresside puhul kasutatakse võrguvärava MAC-aadressi). Seda tabelit nimetatakse ARP-tabeliks (Address Resolution Protocol).

NATi tegeval seadmel on kaks poolt, millest üks ühendatakse välisvõrguga ja omab välisvõrgu IP-aadressi (näiteks 123.45.67.89), teine pool ühendatakse sisevõrguga (vt ka joonist 11.2). Sisevõrgus kasutatakse privaatseks kasutamiseks mõeldud aadressiruumi, kus NAT-marsruuter omab samuti vastavasse võrku kuuluvat IP-aadressi. NAT toimib tõlgina välisvõrgu ja sisevõrgu vahel, kasutades tõlkimiseks porte (TCP ja UDP omasid).

Masinate loomine

Alustuseks tekita endale kolm (3) virtuaalmasinat, mille vahel pakette marsruutida.

1. Esimese asjana peaksid tõmbama endale https://owncloud.ut.ee/owncloud/s/FKy7Kkr3Q25tmci net.ova ja importima oma VirtualBoxi.
2. Klooni endale kolm (3) täiendavat virtuaalmasinat – olgu nende nimeks <sinuperekonnanimi>-ruuter1, <sinuperekonnanimi>-ruuter2 ja <sinuperekonnanimi>-klient. Iga masina kloonimiseks tee järgmist:
   • Vali virtuaalmasin net.
   • paremklõps net-virtuaalmasinal -> Clone, nimeks näiteks "sinuperekonnanimi-ruuter1"; Linked clone; MAC Address Policy: "Generate new MAC addresses for all network adapters" -> Clone.
3. Anna igale hostile erinev hostinimi, et masinaid lihtsamini eristada.
   • Logi masinasse sisse kasutajana kasutaja, parool isherenow.
   • Klaviatuuri asetust saad muuta ajutiselt näiteks käsuga sudo loadkeys ee.
     • Klaviatuuri keele püsivaks muutmiseks saate Ubuntus kasutada järgmist käsku: sudo dpkg-reconfigure keyboard-configuration.
   • Muuda failis /etc/hostname arvuti nimi ära.

    sudo nano /etc/hostname
   

   • Muuda ka failis /etc/hosts oma masina DNS-nimi ära, sest igas korralikult konfitud masinas on failis /etc/hosts oma masina kohta kirje (harilikult päris IP-aadressiga, aga sageli piisab kasvõi sellisest minimaalsest, nagu siin Ubuntus 127.0.1.1 ruuter2 – tegu on masinasisese IP-ga)

    sudo nano /etc/hosts
   

   • Tee masinale võrguliideste ümberühendamiseks viisakas välja lülitamine ehk halt – vajuta klaviatuuril parem Ctrl + H.

Võrkude ühendamine

4. Tekita endale kaks VirtualBoxi-sisest Host-only võrku: File -> Tools -> Network Manager-> Create. Lisa sinna kaks võrku (Linuxi hostis vboxnet0 ja vboxnet1, Windowsi hostis VirtualBox Host-Only Ethernet Adapter #2 ja VirtualBox Host-Only Ethernet Adapter #3). Keela kummalgi seadistustest ära DHCP-server. Selleks vali Network-aknas sakk DHCP server ning võta linnuke eest valikult Enable DHCP server.
5. Seadista ruuter1 võrguliidesed:
   • ruuter1 Settings -> Network
   • Adapter 1: enabled, Attached to: NAT
   • Adapter 2: enabled, Attached to: Host-only Adapter, Name: VirtualBox Host-Only Ethernet Adapter #2 (Linuxis vboxnet0)
6. Seadista ruuter2 võrguliidesed:
   • ruuter2 Settings -> Network
   • Adapter 1: enabled, Attached to: Host-only Adapter, Name: VirtualBox Host-Only Ethernet Adapter #2 (Linuxis vboxnet0)
   • Adapter 2: enabled, Attached to: Host-only Adapter, Name: VirtualBox Host-Only Ethernet Adapter #3 (Linuxis vboxnet1)
7. Seadista kliendi võrguliidesed:
   • klient Settings -> Network
   • Adapter 1: enabled, Attached to: Host-only Adapter, Name: VirtualBox Host-Only Ethernet Adapter #3 (Linuxis vboxnet1)
   • Adapter 2: disabled

Võrguaadresside konfigureerimine

Siin jaotises kirjeldame igale Linuxi virtuaalmasina liidesele sobivad IP-aadressid.

8. Seadista kõigile masinatele võrgukonfiguratsioon vastavalt allolevale infole.

• Esiteks tapa maha olemasolev vaikimisi DHCP-klient eth0-liidesel, et see hiljem probleeme ei tekitaks (NB! allpool olev käsk on vaja käivitada kõigis kolmes virtuaalmasinas: ruuter1, ruuter2, klient):

sudo ifdown eth0

Seadistamise lõpuks peab olema selline seis (seadistamise näited ise on allpool):

• ruuter1 – eth0 DHCP (vaikimisi), eth1 staatiline 192.168.X.1/24
• ruuter2 – eth0 staatiline 192.168.X.2/24, eth1 staatiline 192.168.{X+1}.65/26
• klient – eth0 staatiline 192.168.{X+1}.66/26, eth1 puudub
  • X on teie matriklinumbri kaks viimast kohta.
• Võrgu aadresside käsitsi seadistamiseks Linuxis redigeeri /etc/network/interfaces-faili (enne selle faili muutmist on alati soovitatav võrguliidese draiver enne seisma panna: sudo ifdown eth0 või sudo ifdown eth1)

sudo ifdown eth0
sudo nano /etc/network/interfaces

Selleks on järgmised vihjed:

• Näide DHCP kasutusest:

auto eth0
iface eth0 inet dhcp

• Näide staatilisest IP-aadressist:

auto eth7
iface eth7 inet static
        address 10.0.0.1
        netmask 255.255.240.0
        network 10.0.0.0
        broadcast 10.0.15.255

• Asendage loomulikult liidese nimi, aadress ja mask ning arvutage harjutuse mõttes välja ka network (võrgu algus) ja broadcast (hostiosas kõik bitid 1). Sellesse faili gateway lisamine pole vajalik, kuna me tegeleme ruutimisega allpool käsitsi. Arvutatud netmaski ja broadcasti väärtusi võite kontrollida siit.

9. Muudatuste aktiveerimiseks tehke iga muudetud liidese kohta järgmist (õige liidesenimega!):

 sudo ifdown eth7
 sudo ifup eth7

ning vaadake, et ifup vigu ei annaks.

10. Tulemusena tekkinud liideste IP-aadresside kontrolliks kasutage

ifconfig -a

või

ip addr l

Testime ühendusi naabritega

11. Pingige mõlema naabri ühendused läbi.
    • Esiteks pingige ruuter1-st ruuter2 aadressi 192.168.X.2 – peab vastama.
    • Teiseks pingige ruuter1-st Internetti, aadressi 8.8.8.8 – peab vastama.
    • Kolmandaks pingige ruuter2-st kliendi aadressi 192.168.{X+1}.66 – peab vastama.
    • Neljandaks pingige ruuter2-st Internetti, aadressi 8.8.8.8 – peab vastama veateatega Network is unreachable.
    • ** Kontrollige, et X on teie matriklinumbri kaks viimast kohta.
    • Kui Testid 1-3 ei vasta (ehk annavad veateadet Network is unreachable), lahendage probleem enne, kui praktikumiga jätkate.

Häälestame ruuterid pakette edastama

Võib-olla panite tähele, et eelmistes testides Ruuter1 sai juba Internetiga ühendust, kuid ruuter2 ja klient ei oska veel Internetti üles leida. Järgnevalt näitame, kuidas seadistada käsitsi pakettide edasisaatmist sihtkohta ehk ruutimist (ametlik eestikeelne termin on marsruutimine).

12. Häälestame ruutingutabelid. Teeme seda lihtsuse mõttes mittepermanentselt.
    • Ruutingutabeli vaatamiseks on käsk

     ip route
    

    Paneme tähele, et vahetult ühendatud võrkude kohta on ruuting juba automaatselt lisatud.
    • Ruutingu lisamise käsu kuju on järgmine:

     sudo ip route add 10.1.2.0/24 via 1.2.3.4
    

    Seejuures peab 1.2.3.4 olema next hop IP address paketi teel ehk järgmine seade, mis on konfigureeritava seadmega vahetult võrguga ühendatud. Ruuteri (1.2.3.4) maski (/24 vms) pole vaja lisada, sest sihtruuteri näol on alati tegu konkreetse seadmega, mitte võrguga.
13. Kasutades neid käske, tekitage kõigile kolmele masinale sobivad ruutingutabelid:
    • ruuter1 peab teadma, kus on 192.168.{X+1}.64/26 võrk; teist sisevõrku ja Internetti teab ta niigi.
    • ruuter2 peab teadma, kustkaudu pääseb Internetti. Aadressina saab kasutada sõne default reaalse IP ja maski 0.0.0.0/0 asemel. (Mõlemad sisevõrgud on tal niigi teada, kuna need on vahetult ühendatud.)
    • klient peab teadma, et Interneti (kogu mittekohaliku võrguliikluse) jaoks peab ta pakette saatma ruuter2-le.

     sudo ip route add default via 1.2.3.4
    
14. Vaikimisi ei edasta laiatarbe-opsüsteemid pakette eri liideste vahel, et mitte võrgus segadust tekitada. Selleks, et Linux hakkaks liideste vahel pakette edastama, tuleb vastavad liidesed seadistada edastama. Meie teeme seda siin lihtsuse mõttes mittepermanentselt (pärast rebooti tuleks uuesti teha).
    • Nii ruuter1 kui ruuter2 mõlemad Ethernet-liidesed häälestage IP-pakette edastama:

     sudo -i
     echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/forwarding
     echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth1/forwarding
     exit
    
15. Testime algul ping'i ja mtr'i abil (mtr - teenäitaja, "traceroute"):
    • Pingige kõikidest masinatest kõiki meie poolt konfitud IP-aadresse – peavad toimima.
    • Pingige kõikidest masinatest 8.8.8.8 (Google) – peaks pingima ainult ruuter1-st, mujalt mitte.
    • Uurige muudest masinatest mtri abil, kuhu jõuab 8.8.8.8 liiklus – peab jõudma ruuter1-ni.
16. ruuter2 ja klient ei pääse välja selle pärast, et sihtmasin ei saada nende IP-aadressidega vastuspakette tagasi ruuter1 poole, kuna need ei ole ruuter1 võrgust. Seega peame häälestama ruuter1 omakorda NAT-ruuteriks, et ta peidaks ruuter2 ja kliendi enda IP-aadressi taha ära ning väljastpoolt paistaks kõik võrgupaketid nagu ruuter1-st (siis saadab sihtmasin vastused ruuter1-le tagasi).
    • ruuter1-s aktiveerige NAT (mittepermanentselt):

     sudo iptables -t nat -I POSTROUTING -o eth0 -j MASQUERADE
    

    See tähendab, et pärast ruutinguotsuse tegemist (et pakett väljub eth0 kaudu) rakendame IP maskeraadi ehk lihtsat viisi SNAT-i.
    • Testige ruuter2 ja kliendi masinatest
    mtr 8.8.8.8

Erinevalt varasemast peab see nüüd toimima.

DNSi seadistamine

Eelnevalt seadistasime IP-võrgu, mis suudab edukalt Interneti (Google'i serveriga) suhelda. Arvutid on numbritega osavad ja eelistavad seega numbreid omavahel suhtluseks ja üksteisele viitamiseks. Inimesed jällegi eelistavad kasutada asjadele viitamiseks nimesid. Selle asemel, et kirjutada aadressiribale 193.40.5.73, on hulga mugavam kirjutada www.ut.ee. DNSi ülesanne ongi tõlkida inimkujul masinanimed masinloetavateks IP-aadressideks.

17. Veenduge, et hetkel meil DNS-nimesid klient-virtuaalmasin lahendada ei oska.

ping www.neti.ee 

18. Lisage DNS-serverite kirjed klient-masinasse, selleks sisestage käsk sudo ifdown eth0, avage fail /etc/network/interfaces ja lisage sinna eth0 kirjelduse juurde 2 rida (neist gateway rida on selleks, et taastada vaikeruuting selliseks, mida me enne käsitsi tegime):

gateway 192.168.{X+1}.65
dns-nameservers 1.1.1.1 

Lubage uuesti eth0-võrguliides käsuga sudo ifup eth0.

19. Proovige, et ping www.neti.ee nüüd töötab:

ping www.neti.ee 

ja samuti mtr www.neti.ee:

mtr www.neti.ee 

Praktikumi arvestus

20. Praktikumi arvestuse jaoks esitage lahendusena ekraanipilt kliendiarvutist eduka mtr www.neti.ee väljundiga. Pildil peavad olema näha IP-aadressid 192.168.X.1 ja 192.168.X+1.65, kus X on teie matriklinumbri kaks viimast kohta.

(Tähtaeg 2 nädalat)

Esitamine

Praktikumi vastused tuleb panna Github/Gitlabi dokumenti nimega praktikum10.md. Kui teil Github või Gitlab lehekülg valmis on, esitage lahendus ka moodles hindamiseks.