Интерфейсный уровень и его представление

Задачи интерфейсного уровня:

1. Подключение среды передачи данных к устройству (собственно интерфейс)

   • Как отличить данные от не-данных (или начало от середины)?
   • Метаинформация

2. Дисциплина использования среды

   • Очерёдность, коллизии, приоритеты и т. п.
   • Защита данных и авторизация абонента

Инкапсуляция на физическом уровне (то, чего на интерфейсном уровне не видно):

• Заворачивание фрейма в маркеры начала и конца / межфреймовый заполнитель
• Избыточность при кодировании (борьба с шумом на аппаратном уровне: payload vs overhead)

Ethernet:

• 0x55*7 0xD5

  • в действительности 10*31 + 11, потому что старший бит октета — последний

• Interpacket_gap (12 октетов) пропуска

Пример принципиально иной дисциплины доступа: Token Ring

Фреймы (пакеты интерфейсного уровня)

Сеть с разделением пакетов (окончательно)

Состав фрейма:

• Паспорт (ID отправителя и получателя, сведения о топологии, всякое)
• Полезная нагрузка
• Контрольная сумма (нужно ли больше избыточного кодирования?)
• Данные по шифрованию / авторизации

Ethernet

Общая среда ⇒

• ID отправителя и получателя

  • Etherne: MAC-адрес:

    • 3*8 VENDOR + 3*8 ID (и + 4*8 для VLAN)

    • в основном — глобально уникальны

  • Ethernet

  • Аппаратная фильтрация MAC
    • promiscuous mode
  • Широковещательный адрес (нулевой бит=1; обычно все биты=1)

• Алгоритм доступа: неодновременный

  • определение идущей передачи (CSMA)
    • определение работоспособности сети
  • определение коллизий (CD) — если всё-таки более одного устройства начало передачу

  • случайная задержка перед повторной передачей

    • +увеличение в 2 раза при повторной ошибке
    • общий тайм-аут

⇒ Нет гарантированного времени доставки

Linux

• ethtool — взаимодействие с аппаратным уровнем

• iproute2 — основной инструмент настройки

• ip link (поднятие, останов, свойства)

• tcpdump — основной инструмент анализа

  • Link-level: tcpdump -e

Настройка внутренней сети в VBox

• Типы сетей в VB
• «Внутренняя» появляется просто по факту наименования — это общая среда
• «Втыкание провода» и «неразборчивый режим»

• Название firstnet — произвольное

• Из командной строки:

  $ VBoxManage modifyvm srv --nic2 intnet --intnet2 firstnet --cableconnected2 on

Проверка работоспособности

• 2 клона (не забываем: другие MAC-адреса всем интерфейсам)

• Просмотр интерфейсов:

  # ip link

• Активация («поднятие») интерфейса

  # ip link set eth1 up

• На одной машине:

  # tcpdump -XXe -i eth1

  • -XX означает выводить шестнадцатеричный дамп всего фрейма

• На другой машине: # echo "08:00:27:ab:cd:ef 08:00:27:fe:dc:ba 8102 48 69" | xxd -r -p | socat - INTERFACE:eth1

  • 08:00:27:ab:cd:ef — MAC-адрес получателя

  • 08:00:27:fe:dc:ba — MAC-адрес отправителя

  • 8102 — Тип содержимого (IP-пакет, но у нас он неправильный)

  • 48 69 — «Hi»

  • xxd -r -p — вырезает из входного текста всё, кроме шестнадцатеричных цифр, остальное преобразует в байты (операция, противоположная шестнадцатеричному дампу)

  • socat - INTERFACE:eth1 — запихивает получившийся фрейм в интерфейс eth1

Минимальный размер фрейма — 64 октета (включая 4 октета контрольной суммы, которая формируется / проверяется аппаратно и не выводится).

Если вместо -XX написать -X, увидим только payload — «Hi».

Если запустить tcpdump с добавочным ключом -p, то:

• Не будет включён promiscuous mode ⇒ если поменять MAC получателя, фрейм не дойдёт
  • Вариант: поставить широковещательного получателя ff:ff:ff:ff:ff:ff
• А вот MAC отправителя может быть любой ☺

Протоколы интерфейсного уровня

Вообще-то Тысячи их

Wi-Fi

Например, IEEE 802.11g

• Воздух: затухание и вариабельность сигнала ⇒ избыточность
• Совместный доступ:
  • Несколько «каналов»

  • OFDM (FDM+ортогональность)

  • … TODO: (совместимость: Complementary_code_keying, DSSS)

• Воздух общий ⇒ авторизация/шифрование

  • SSID (+ESSID)

  • Защита парольной фразой (PSK)
  • Короткие, предсказуемые пакеты ⇒ ухудшение стойкости ключа со временем

    • ⇒ регулярное пересоздание ключей WPA2

    • ⇒ wpa_supplicant

      • программная поддержка со стороны OS

  • Шифрование ⇒ сертификация; диапазон частот ⇒ сертификация

WIFI в Linux

(На всякий случай — в конце лекции) Взято отсюда. См. также

• rfkill

• ip link set wlan0 up

• iw wlan0 scan

• iw wlan0 link

• (stty -echo; wpa_passphrase) > config

• wpa_supplicant -B -i wlan0 -c config

• iw wlan0 link

• dhcpcd wlan0

TUN/TAP

Отступление о screen: как запустить два шелла в одной консоли:

• GNU screen

• «Горячая клавиша» Ctrl+A

• Два сеанса:

  • Разбить одно горизонтально на два: Ctrl+A S (от «Split»)

  • Переключение между окнами: Ctrl+A Tab

  • Заведение нового сеанса Ctrl+A c (от «create»)

  • (переключение между сеансами Ctrl+A Ctrl+A)

• …

tmux

• «Горячая клавиша» Ctrl+B

• Разбить одно горизонтально на два: Ctrl+B "

• Переключение между окнами: Ctrl+B O

Виртуальный интерфейс tap.

• Если открыть устройство /dev/net/tun и применить к нему ioctl() TUNSETIFF (подробнее тут), заведётся виртуальный сетевой интерфейс

  # socat TUN,up,tun-type=tap - | hexdump -C

• После этого им можно пользоваться как сетевым интерфейсом — слать туда фреймы и получать их оттуда:

• В этот интерфейс можно заслать фрейм

  # ip link                      # появился интерфейс tap0
  # cal | socat - INTERFACE:tap0

• интерфейс типа tap передаёт фреймы и имеет MAC-адрес

• интерфейс типа tun передаёт только payload, ибо «с той стороны» всё равно только программа

Вручную сложнее всего вызвать этот самый ioctl. Вот программа tapdump.py (более полный вариант см. в прошлогодней лекции):

   1 import fcntl
   2 import struct
   3 
   4 fd = open("/dev/net/tun", "rb")
   5 fcntl.ioctl(fd, 0x400454ca, struct.pack("16sH22s", b"tap0", 0x2, b''))
   6 while s := fd.read(128):
   7     print(s.decode(), end="")

• 0x400454ca — это ioctl TUNSETIFF; 0x2 — это флаг IFF_TAP

• В одном окне запускаем python3 tapdump.py

• В другом — поднимаем появившийся интерфейс ip link set tap0 up и снова cal | socat - INTERFACE:tap0

Ежели совсем руками, можно воспользоваться утилитой ioctl (в составе дистрибутивов ALT она пропатчена специально для нас!)

• В первом окне вручную заведём tap0 и запустим на нём tcpdump:

  # ip tuntap add mode tap name tap0
  # ip link set tap0 up
  # tcpdump -XXe -i tap0

• В другом — вызовем утилиту ioctl (параметры там такие: 16 байт имя с нулями, 4 байта флаги и ещё 20 байт нулей) и выведем содержимое фрейма. Некоторая сложность — в том, что и ioctl(), и вывод надо делать на один раз открытое устройство

  # ( printf "74617030%024d0210%044d" 0 0 | xxd -r -p | ioctl 3 TUNSETIFF -s 40; cal >&3 ) 3> /dev/net/tun

Д/З

Новости относительно образа

• В варианте AArch64 (для Mac) не работает COM-порт, однако найден способ запуска под Mac образа x86_64 (см. по ссылке)

Задание 2

Воспроизвести пример из лекции с двумя виртуалками, объединёнными внутренней сетью

• Настроить в самом virtualbox общую виртуальную сеть
• Сделать два клона (base и second) и настроить на обеих машинах «Адаптер 2» как подключённый к некоторой одинаковой сети
• Отчёты:

  • На базовой машине (report 2 base)

    • Поднять сетевой интерфейс, к которому подключена виртуальная сеть

    • Запустить tcpdump -p -XX -c 2 на этот интерфейс; дождаться окончания

  • На дублёре (report 2 second)

    • Поднять сетевой интерфейс, к которому подключена виртуальная сеть

    • Трижды сгенерировать и отправить фрейм с помощью xxd + socat по примеру из лекции (payload может быть любым не длиннее 40 символов)

      1. MAC отправителя и MAC получателя должны совпадать с актуальными

      2. MAC получателя должен не совпадать с актуальным

      3. MAC получателя должен совпадать с актуальным, а MAC отправителя — нет

• Оба отчёта (report.02.base и report.02.second) именно с такими названиями переслать одним письмом в качестве приложений на uneexlectures@cs.msu.ru

  • В теме письма должно встречаться слово LinuxNetwork2026