Sieci komputerowe. Najczęstsze problemy i ich rozwiązania - ebook

Zrozumienie budowy i działania sieci komputerowych nie jest łatwe. Trzeba przyswoić wiele pojęć, zrozumieć bardzo zawiłe mechanizmy, a także przygotować się na gwałtowny rozwój technologii sieciowych. Mimo dostępności licznych podręczników i wypracowania różnych podejść do nauczania podstaw sieci komputerowych wciąż wielu inżynierów nie rozumie tych zagadnień. Te braki w wiedzy i w umiejętnościach należy traktować jako istotny problem: w przyszłości będą się pojawiać coraz to nowsze rozwiązania sieciowe, a ich znaczenie dla niemal każdego przedsiębiorstwa będzie rosło.

W książce zastosowano podejście problemowe, dzięki czemu łatwiej jest zrozumieć budowę oraz działanie współczesnych sieci komputerowych i protokołów, jak również wyzwania, z jakimi mierzą się dzisiejsze systemy. W praktyczny sposób opisano zagadnienia transportu danych i sterowania pracą sieci, przeanalizowano też kilka typowych projektów i architektur sieci, w tym sieci szkieletowe centrów danych i nowoczesne sieci rozległe definiowane programowo (SD-WAN). Szczegółowo zaprezentowano takie technologie jak sieci definiowane programowo (SDN). Każdemu zagadnieniu towarzyszy omówienie typowych problemów i ich rozwiązań, a także sposobów ich implementacji w protokołach oraz metod wdrożenia.

W tej książce między innymi:

• protokoły transportu w warstwach sieci i komunikacja międzywarstwowa
• pakiety, usługi, topologia sieci
• zabezpieczanie sieci, redundancja i odporność
• wzorce projektowe w sieciach
• automatyzacja zarządzania siecią
• internet rzeczy oraz inne nowości w sieciach

Czy rozumiesz już działanie swojej sieci?

O autorach 17

Wprowadzenie 19

CZĘŚĆ I. PŁASZCZYZNA DANYCH 23

Rozdział 1. Podstawowe pojęcia 27

• Sztuka czy inżynieria? 28
• Komutacja łączy 30
• Przełączanie pakietów 33
  
  • Działanie przełączania pakietów 34
  • Kontrola przepływu w sieci z przełączaniem pakietów 36
• Ramki o stałej a ramki o zmiennej długości 37
• Obliczanie ścieżek pozbawionych pętli 40
• Jakość usług 42
• Zemsta scentralizowanych płaszczyzn sterowania 44
• Złożoność 44
  
  • Skąd ta złożoność? 45
  • Definiowanie złożoności 46
  • Zarządzanie złożonością poprzez talię osy 49
• Końcowe rozważania 51
• Dalsza lektura 51
• Pytania kontrolne 52

Rozdział 2. Problemy i rozwiązania związane z transportem danych 55

• Cyfrowe gramatyki i organizowanie 57
  
  • Cyfrowe gramatyki i słowniki 57
  • Pola o stałej długości 60
  • Format TLV 62
  • Współdzielone słowniki obiektów 63
• Błędy 64
  
  • Wykrywanie błędów 64
  • Korekcja błędów 69
• Multipleksowanie 71
  
  • Adresacja urządzeń i aplikacji 71
  • Multicast 73
  • Anycast 76
• Kontrola przepływu 78
  
  • System okien dystrybucji 79
  • Negocjowane szybkości transmisji bitów 83
• Końcowe rozważania dotyczące transportu 84
• Dalsza lektura 84
• Pytania kontrolne 86

Rozdział 3. Modelowanie transportu sieciowego 89

• Model Departamentu Obrony Stanów Zjednoczonych (DoD) 90
• Model Open Systems Interconnect (OSI) 93
• Model rekursywnej architektury internetowej (RINA) 97
• Zorientowanie na połączenie i bezpołączeniowość 99
• Końcowe rozważania 99
• Dalsza lektura 100
• Pytania kontrolne 100

Rozdział 4. Transport w niższych warstwach 103

• Ethernet 104
  
  • Multipleksowanie 104
  • Kontrola błędów 110
  • Organizowanie danych 111
  • Kontrola przepływu 112
• Sieć bezprzewodowa 802.11 112
  
  • Multipleksowanie 113
  • Organizowanie danych, kontrola błędów i kontrola przepływu 119
• Końcowe rozważania dotyczące protokołów transmisji w niższych warstwach 120
• Dalsza lektura 121
• Pytania kontrolne 121

Rozdział 5. Transport danych w wyższych warstwach 123

• Protokół internetowy 125
  
  • Transport i organizowanie danych 127
  • Multipleksowanie 130
• Protokół kontroli transmisji (TCP) 135
  
  • Kontrola przepływu 135
  • Kontrola błędów 140
  • Numery portów TCP 140
  • Konfiguracja sesji protokołu TCP 141
• QUIC 141
  
  • Redukcja początkowego uzgadniania 142
  • Ograniczanie retransmisji 142
  • Zmniejszenie blokowania początku linii 143
• ICMP 146
• Końcowe rozważania 147
• Dalsza lektura 148
• Pytania kontrolne 150

Rozdział 6. Odnajdowanie międzywarstwowe 151

• Rozwiązania w zakresie odnajdowania międzywarstwowego 152
  
  • Powszechnie znane lub ręcznie skonfigurowane identyfikatory 153
  • Mapowanie bazy danych i protokołu 154
  • Ogłaszanie mapowania identyfikatorów za pomocą protokołu 155
  • Wyliczanie jednego identyfikatora z innego 155
• Przykłady odnajdowania międzywarstwowego 155
  
  • System nazw domen (DNS) 155
  • DHCP 157
  • Protokół rozwiązywania adresów IPv4 159
  • IPv6 Neighbor Discovery - odnajdowanie sąsiadów 161
• Problem z bramą domyślną 163
• Końcowe rozważania 166
• Dalsza lektura 167
• Pytania kontrolne 168

Rozdział 7. Przełączanie pakietów 169

• Z medium fizycznego do pamięci 171
• Przetwarzanie pakietu 172
  
  • Przełączanie 172
  • Routing 173
  • Po co routować? 174
  • Wiele ścieżek o równym koszcie 175
• Przez magistralę 182
  
  • Krzyżowe pola komutacyjne i rywalizacja 184
• Z pamięci do medium fizycznego 186
• Końcowe rozważania dotyczące przełączania pakietów 187
• Dalsza lektura 188
• Pytania kontrolne 189

Rozdział 8. Jakość usług 191

• Definiowanie zakresu problemu 192
  
  • Dlaczego po prostu nie zrobić wystarczająco szybkich łączy? 193
• Klasyfikacja 194
  
  • Zachowywanie klasyfikacji 199
  • Nieoznaczony Internet 201
• Zarządzanie zatorami 202
  
  • Terminowość - kolejkowanie o niskim opóźnieniu 202
  • Uczciwość - uczciwe kolejkowanie ważone według klasy 207
  • Krytyczne przeciążenie 208
  • Inne narzędzia QoS do zarządzania zatorami 208
• Zarządzanie kolejką 209
  
  • Zarządzanie pełnym buforem - ważone losowe wczesne wykrywanie 209
  • Zarządzanie opóźnieniami bufora, rozdęte bufory i CoDel 210
• Końcowe rozważania dotyczące QoS 212
• Dalsza lektura 212
• Pytania kontrolne 213

Rozdział 9. Wirtualizacja sieci 215

• Zrozumieć sieci wirtualne 216
  
  • Świadczenie usług Ethernet w sieci IP 219
  • Wirtualny prywatny dostęp do sieci korporacyjnej 220
  • Podsumowanie problemów i rozwiązań związanych z wirtualizacją 222
• Routing segmentowy 223
  
  • Routing segmentowy z wieloprotokołowym przełączaniem etykiet (MPLS) 224
  • Routing segmentowy w IPv6 228
  • Sygnalizowanie etykiet routingu segmentowego 229
• Sieci rozległe definiowane programowo 230
• Złożoność i wirtualizacja 232
  
  • Powierzchnie interakcji i grupy łączy wspólnego ryzyka 232
  • Powierzchnie interakcji i nakładające się płaszczyzny sterowania 234
• Końcowe rozważania dotyczące wirtualizacji sieci 236
• Dalsza lektura 236
• Pytania kontrolne 238

Rozdział 10. Bezpieczeństwo transportu 239

• Sformułowanie problemu 240
  
  • Sprawdzanie prawidłowości danych 240
  • Ochrona danych przed badaniem 240
  • Ochrona prywatności użytkowników 241
• Dostępne rozwiązania 242
  
  • Szyfrowanie 242
  • Wymiana kluczy 249
  • Skróty kryptograficzne 252
  • Zaciemnianie danych użytkownika 252
• Transport Layer Security 257
• Końcowe rozważania dotyczące bezpieczeństwa transportu 259
• Dalsza lektura 260
• Pytania kontrolne 261

CZĘŚĆ II. PŁASZCZYZNA STEROWANIA 263

Rozdział 11. Wykrywanie topologii 265

• Węzły, krawędzie i osiągalne miejsca docelowe 267
  
  • Węzeł 267
  • Krawędź 268
  • Osiągalne miejsce docelowe 268
  • Topologia 270
• Poznawanie topologii 271
  
  • Wykrywanie innych urządzeń sieciowych 271
  • Wykrywanie łączności dwukierunkowej 272
  • Wykrywanie maksymalnej jednostki transmisji (MTU) 274
• Uczenie się osiągalnych miejsc docelowych 276
  
  • Uczenie się reaktywne 276
  • Uczenie się proaktywnie 277
• Rozgłaszanie osiągalności i topologii 278
  
  • Decydowanie, kiedy należy rozgłaszać osiągalność i topologię 278
  • Reaktywne rozpowszechnianie osiągalności 280
  • Proaktywne rozpowszechnianie osiągalności 283
• Redystrybucja między płaszczyznami sterowania 285
  
  • Redystrybucja i metryki 285
  • Pętle redystrybucji i routingu 287
• Końcowe rozważania dotyczące wykrywania topologii 289
• Dalsza lektura 290
• Pytania kontrolne 291

Rozdział 12. Wolne od pętli ścieżki unicastowe (1) 293

• Która ścieżka jest wolna od pętli? 294
• Drzewa 296
• Alternatywne ścieżki wolne od pętli 299
  
  • Model wodospadu (lub zlewiska) 300
  • Przestrzeń P/Q 302
  • Zdalne alternatywy bez pętli 303
• Obliczanie wolnej od pętli ścieżki za pomocą algorytmu Bellmana-Forda 304
• Algorytm DUAL Garcii 310
• Końcowe rozważania 315
• Dalsza lektura 315
• Pytania kontrolne 316

Rozdział 13. Wolne od pętli ścieżki unicastowe (2) 317

• Najkrótsza ścieżka Dijkstry 317
  
  • Częściowy i przyrostowy SPF 324
  • Obliczanie LFA i rLFA 325
• Wektor ścieżki 327
• Algorytmy rozłącznej ścieżki 330
  
  • Sieć dwupołączona 331
  • Algorytm rozłącznej ścieżki Suurballe'a 332
  • Maksymalnie redundantne drzewa 336
• Łączność dwukierunkowa 339
• Końcowe rozważania 340
• Dalsza lektura 341
• Pytania kontrolne 343

Rozdział 14. Reagowanie na zmiany w topologii 345

• Wykrywanie zmian w topologii 347
  
  • Odpytywanie w celu wykrycia awarii 347
  • Wykrywanie awarii oparte na zdarzeniach 348
  • Porównanie wykrywania opartego na zdarzeniach i odpytywaniu 350
  • Przykład: wykrywanie przekazywania dwukierunkowego 351
• Dystrybucja zmian 354
  
  • Zalewanie 354
  • Przeskok po przeskoku 358
  • Scentralizowany magazyn 359
• Spójność, dostępność i odporność na partycjonowanie 362
• Końcowe rozważania 364
• Dalsza lektura 365
• Pytania kontrolne 366

Rozdział 15. Płaszczyzny sterowania wykorzystujące protokoły wektora odległości 367

• Klasyfikacja płaszczyzn sterowania 368
• Protokół STP 371
  
  • Budowanie drzewa wolnego od pętli 371
  • Poznawanie osiągalnych miejsc docelowych 375
  • Podsumowanie protokołu STP 377
• Protokół RIP 378
  
  • Powiązanie algorytmu Bellmana-Forda z protokołem RIP 380
  • Reagowanie na zmiany w topologii 382
  • Podsumowanie protokołu RIP 383
• Protokół EIGRP 383
  
  • Reagowanie na zmianę topologii 386
  • Wykrywanie sąsiadów i niezawodny transport 388
  • Podsumowanie protokołu EIGRP 390
• Dalsza lektura 391
• Pytania kontrolne 392

Rozdział 16. Płaszczyzny sterowania wykorzystujące protokoły stanu łącza i wektora ścieżki 395

• Krótka historia OSPF i IS-IS 396
• Protokół IS-IS 397
  
  • Adresowanie OSI 397
  • Marshalling danych w protokole IS-IS 399
  • Wykrywanie sąsiadów i topologii 399
  • Niezawodne zalanie 401
  • Podsumowanie protokołu IS-IS 403
• Protokół OSPF 404
  
  • Marshalling danych w protokole OSPF 404
  • Wykrywanie sąsiadów i topologii 406
  • Niezawodne zalewanie 407
  • Podsumowanie protokołu OSPF 409
• Wspólne elementy protokołów OSPF i IS-IS 409
  
  • Łącza wielodostępowe 410
  • Konceptualizacja łączy, węzłów i osiągalności w protokołach stanu łącza 412
  • Sprawdzanie łączności dwukierunkowej w SPF 414
• Protokół BGP 414
  
  • Peering BGP 415
  • Proces decyzyjny wyboru najlepszej ścieżki w protokole BGP 417
  • Reguły rozgłaszania BGP 419
  • Podsumowanie protokołu BGP 421
• Końcowe rozważania 421
• Dalsza lektura 422
• Pytania kontrolne 424

Rozdział 17. Reguły w płaszczyźnie sterowania 425

• Przypadki użycia reguł płaszczyzny sterowania 426
  
  • Routing i ziemniaki 426
  • Segmentacja zasobów 428
  • Przypinanie przepływów dla optymalizacji aplikacji 429
• Definiowanie reguł płaszczyzny sterowania 434
• Reguły i złożoność płaszczyzny sterowania 435
  
  • Routing i ziemniaki 435
  • Segmentacja zasobów 436
  • Przypinanie przepływów dla optymalizacji aplikacji 438
• Końcowe rozważania dotyczące reguł płaszczyzny sterowania 439
• Dalsza lektura 439
• Pytania kontrolne 440

Rozdział 18. Scentralizowane płaszczyzny sterowania 441

• Definicja pojęcia software defined 442
  
  • Systematyka interfejsów 442
  • Podział pracy 444
• BGP jako SDN 444
• Fibbing 446
• I2RS 449
• Protokół PCEP 453
• Protokół OpenFlow 455
• Twierdzenie CAP i pomocniczość 457
• Końcowe rozważania dotyczące scentralizowanych płaszczyzn sterowania 460
• Dalsza lektura 461
• Pytania kontrolne 462

Rozdział 19. Domeny awarii i ukrywanie informacji 463

• Przestrzeń problemu 464
  
  • Definiowanie zakresu stanu płaszczyzny sterowania 464
  • Pętle dodatniego sprzężenia zwrotnego 465
• Przestrzeń rozwiązań 468
  
  • Sumaryzacja informacji o topologii 469
  • Agregowanie informacji o osiągalności 470
  • Filtrowanie informacji o osiągalności 473
  • Uwarstwienie płaszczyzn sterowania 474
  • Buforowanie 475
  • Spowalnianie 479
• Końcowe rozważania dotyczące ukrywania informacji 481
• Dalsza lektura 481
• Pytania kontrolne 482

Rozdział 20. Przykłady ukrywania informacji 483

• Sumaryzacja informacji o topologii 484
  
  • Protokół IS-IS 484
  • Protokół OSPF 489
• Agregacja 495
• Uwarstwienie 496
  
  • Protokół BGP jako nakładka osiągalności 496
  • Routing segmentowy z nakładką kontrolera 498
• Zmniejszenie prędkości stanu 500
  
  • Exponential backoff 500
  • Redukcja zalewania stanem łącza 503
• Końcowe rozważania dotyczące domen awarii 505
• Dalsza lektura 505
• Pytania kontrolne 507

CZĘŚĆ III. PROJEKTOWANIE SIECI 509

• Trzy podstawowe modele 510
  
  • Prawo nieszczelnych abstrakcji 510
  • Triada stan-optymalizacja-powierzchnia (SOS) 510
  • Triada spójność-dostępność-odporność na partycjonowanie (CAP) 511

Rozdział 21. Kwestie bezpieczeństwa w szerszym ujęciu 513

• Zakres problemu 514
  
  • Zagadnienie tożsamości biometrycznej 514
  • Definicje 516
  • Przestrzeń problemów 517
• Przestrzeń rozwiązań 517
  
  • Obrona w głąb 517
  • Kontrola dostępu 518
  • Ochrona danych 519
  • Gwarantowanie dostępności usług 523
• Pętla OODA jako model bezpieczeństwa 532
  
  • Obserwuj 533
  • Zorientuj się 533
  • Zdecyduj 534
  • Działaj 535
• Końcowe rozważania dotyczące kwestii bezpieczeństwa 535
• Dalsza lektura 536
• Pytania kontrolne 538

Rozdział 22. Wzorce projektowania sieci 539

• Przestrzeń problemu 540
  
  • Rozwiązywanie problemów biznesowych 540
  • Przekładanie wymagań biznesowych na techniczne 544
  • Co to jest dobry projekt sieci? 546
• Projektowanie hierarchiczne 547
• Powszechne topologie 549
  
  • Topologie pierścienia 550
  • Topologie siatki 553
  • Topologie gwiazdy 555
  • Topologie planarne, nieplanarne i regularne 556
• Końcowe rozważania dotyczące wzorców projektowania sieci 558
• Dalsza lektura 558
• Pytania kontrolne 558

Rozdział 23. Redundancja i odporność 559

• Przestrzeń problemu: jak aplikacje postrzegają awarie 560
• Definiowanie odporności 561
  
  • Inne "wskaźniki" 563
• Redundancja jako narzędzie do tworzenia odporności 563
  
  • Grupy łączy współdzielonego ryzyka 565
  • Aktualizacja oprogramowania w trakcie działania i płynny restart 566
  • Rdzenie dwupłaszczyznowe i wielopłaszczyznowe 566
• Modułowość i odporność 567
• Końcowe rozważania dotyczące odporności 569
• Dalsza lektura 569
• Pytania kontrolne 570

Rozdział 24. Rozwiązywanie problemów 571

• Co jest celem? 572
• Czym są komponenty? 573
• Modele i rozwiązywanie problemów 574
  
  • Budowanie modeli "jak" 575
  • Budowanie modeli "co" 576
  • Budowanie dokładnych modeli 578
  • Przełączanie się między modelami 579
• Podziel na pół i idź dalej 581
  
  • Manipulowanie 583
  • Upraszczanie przed testowaniem 585
• Usuwanie problemu 585
• Końcowe rozważania dotyczące rozwiązywania problemów 586
• Dalsza lektura 587
• Pytania kontrolne 588

CZĘŚĆ IV. AKTUALNE TEMATY 589

Rozdział 25. Dezagregacja, hiperkonwergencja i zmieniająca się sieć 591

• Zmiany w zasobach obliczeniowych i aplikacjach 592
  
  • Konwergentne, zdezagregowane, hiperkonwergentne i kompozycyjne 592
  • Zwirtualizowane i zdezagregowane aplikacje 595
• Wpływ na projektowanie sieci 597
  
  • Wzrost ruchu na linii wschód - zachód 597
  • Wzrost odchyleń i opóźnień 599
• Sieci szkieletowe z przełączaniem pakietów 599
  
  • Szczególne własności sieci szkieletowej 599
  • Gałęzie i liście 603
  • Inżynieria ruchu w sieci gałęzi i liści 606
  • Sieć gałęzi i liści o większej skali 607
• Dezagregacja w sieciach 607
• Końcowe rozważania dotyczące dezagregacji 611
• Dalsza lektura 612
• Pytania kontrolne 613

Rozdział 26. Powody automatyzacji sieci 615

• Koncepcje automatyzacji 617
• Nowoczesne metody automatyzacji 620
  
  • NETCONF 620
  • RESTCONF 623
• Automatyzacja z wykorzystaniem interfejsów programowalnych 624
• Automatyzacja na poziomie urządzenia 627
• Automatyzacja sieci z wykorzystaniem narzędzi automatyzacji infrastruktury 628
• Kontrolery sieciowe i automatyzacja 629
• Automatyzacja sieci na potrzeby wdrażania 629
• Końcowe rozważania dotyczące przyszłości automatyzacji sieci: od zautomatyzowanej do automatycznej 630
• Dalsza lektura 630
• Pytania kontrolne 632

Rozdział 27. Zwirtualizowane funkcje sieciowe 633

• Elastyczność w projektowaniu sieci 635
  
  • Tworzenie łańcucha usług 637
• Skalowanie horyzontalne 642
• Zmniejszenie czasu obsługi dzięki automatyzacji 643
  
  • Scentralizowane zarządzanie konfiguracjami 643
  • Sieć oparta na intencjach 645
  • Korzyści 646
• Architektura i korzyści obliczeniowe 646
  
  • Poprawianie przepustowości VNF 647
• Rozważanie kompromisów 647
  
  • Stan 647
  • Optymalizacja 648
  • Powierzchnia 648
  • Inne kompromisy do rozważenia 649
• Końcowe rozważania 649
• Dalsza lektura 649
• Pytania kontrolne 651

Rozdział 28. Koncepcje i wyzwania przetwarzania w chmurze 653

• Biznesowe powody korzystania z chmur publicznych 655
  
  • Od wydatków inwestycyjnych do operacyjnych 656
  • Czas wprowadzenia na rynek i zwinność biznesowa 656
• Nietechniczne kompromisy związane z chmurami publicznymi 657
  
  • Kompromisy operacyjne 657
  • Kompromisy biznesowe 660
• Techniczne wyzwania tworzenia sieci w chmurze 661
  
  • Opóźnienie 661
  • Wypełnianie zdalnej przestrzeni dyskowej 663
  • Ciężar danych 664
  • Wybór spośród wielu ścieżek do chmury publicznej 664
• Bezpieczeństwo w chmurze 665
  
  • Ochrona danych przy transporcie przez sieć publiczną 665
  • Zarządzanie bezpiecznymi połączeniami 666
  • Chmura z wieloma podmiotami 667
  • Kontrola dostępu oparta na rolach 667
• Monitorowanie sieci w chmurze 668
• Końcowe rozważania 668
• Dalsza lektura 669
• Pytania kontrolne 669

Rozdział 29. Internet rzeczy 671

• Wprowadzenie do internetu rzeczy 672
• Bezpieczeństwo internetu rzeczy 673
  
  • Zabezpieczanie niezabezpieczalnych urządzeń poprzez izolację 674
  • IoT nie stanowi nowych wyzwań dla bezpieczeństwa 678
• Łączność w internecie rzeczy 678
  
  • Bluetooth Low Energy (BLE) 678
  • LoRaWAN 680
  • IPv6 dla IoT 681
• Dane w internecie rzeczy 683
• Końcowe rozważania dotyczące internetu rzeczy 684
• Dalsza lektura 685
• Pytania kontrolne 686

Rozdział 30. Patrząc w przyszłość 687

• Rozpowszechniona otwarta automatyzacja 688
  
  • Języki modelowania i modele 689
  • Krótkie wprowadzenie do YANG 689
  • Patrząc w przyszłość w stronę wszechobecnej automatyzacji 691
• Sieci hiperkonwergentne 691
• Sieć oparta na intencjach 692
• Uczenie maszynowe i wąska sztuczna inteligencja 694
• Sieci nazwanych danych i łańcuchy bloków 696
  
  • Działanie sieci nazwanych danych 697
  • Łańcuchy bloków 700
• Przekształcenia Internetu 702
• Końcowe rozważania dotyczące przyszłości inżynierii sieci 704
• Dalsza lektura 704
• Pytania kontrolne 705

Skorowidz 707