TCP/IP Tutorial and Technical Overview

Front cover TCP/IP Tutorial and Technical Overview Understand networking fundamentals of the TCP/IP protocol suite Introduces advanced concepts and new technologies Includes the latest TCP/IP protocols Lydia Parziale David T. Britt Chuck Davis Jason Forrester Wei Liu Carolyn Matthews Nicolas Rosselot ibm.com/redbooksInternational Technical Support Organization TCP/IP Tutorial and Technical Overview December 2006 GG24-3376-07Note: Before using this information and the product it supports, read the information in “Notices” on page xvii. Eighth Edition (December 2006) © Copyright International Business Machines Corporation 1989-2006. All rights reserved. Note to U.S. Government Users Restricted Rights -- Use, duplication or disclosure restricted by GSA ADP Schedule Contract with IBM Corp.Contents Notices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii Trademarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviii Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix The team that wrote this redbook. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xx Become a published author . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxii Comments welcome. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxiii Part 1. Core TCP/IP protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Chapter 1. Architecture, history, standards, and trends . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1 TCP/IP architectural model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.1 Internetworking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.2 The TCP/IP protocol layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.3 TCP/IP applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2 The roots of the Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.1 ARPANET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.2 NSFNET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.3 Commercial use of the Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.4 Internet2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.2.5 The Open Systems Interconnection (OSI) Reference Model . . . . . . 20 1.3 TCP/IP standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.3.1 Request for Comments (RFC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3.2 Internet standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.4 Future of the Internet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.4.1 Multimedia applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.4.2 Commercial use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.4.3 The wireless Internet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.5 RFCs relevant to this chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Chapter 2. Network interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.1 Ethernet and IEEE 802 local area networks (LANs) . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.1.1 Gigabit Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2 Fiber Distributed Data Interface (FDDI). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.3 Serial Line IP (SLIP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.4 Point-to-Point Protocol (PPP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.4.1 Point-to-point encapsulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.5 Integrated Services Digital Network (ISDN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.6 X.25 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 © Copyright IBM Corp. 1989-2006. All rights reserved. iii2.7 Frame relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.7.1 Frame format. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.7.2 Interconnect issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.7.3 Data link layer parameter negotiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.7.4 IP over frame relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.8 PPP over SONET and SDH circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.8.1 Physical layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.9 Multi-Path Channel+ (MPC+) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.10 Asynchronous transfer mode (ATM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.10.1 Address resolution (ATMARP and InATMARP) . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.10.2 Classical IP over ATM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.10.3 ATM LAN emulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.10.4 Classical IP over ATM versus LAN emulation. . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.11 Multiprotocol over ATM (MPOA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.11.1 Benefits of MPOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.11.2 MPOA logical components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.11.3 MPOA functional components. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.11.4 MPOA operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.12 RFCs relevant to this chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Chapter 3. Internetworking protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.1 Internet Protocol (IP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.1.1 IP addressing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.1.2 IP subnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.1.3 IP routing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.1.4 Methods of delivery: Unicast, broadcast, multicast, and anycast . . . 84 3.1.5 The IP address exhaustion problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.1.6 Intranets: Private IP addresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.1.7 Network Address Translation (NAT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.1.8 Classless Inter-Domain Routing (CIDR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.1.9 IP datagram. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.2 Internet Control Message Protocol (ICMP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 3.2.1 ICMP messages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.2.2 ICMP applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 3.3 Internet Group Management Protocol (IGMP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 3.4 Address Resolution Protocol (ARP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 3.4.1 ARP overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 3.4.2 detailed concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 3.4.3 ARP and subnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 3.4.4 Proxy-ARP or transparent subnetting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 3.5 Reverse Address Resolution Protocol (RARP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 3.5.1 RARP concept. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 3.6 Bootstrap Protocol (BOOTP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 iv TCP/IP Tutorial and Technical Overview3.6.1 BOOTP forwarding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 3.6.2 BOOTP considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 3.7 Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 3.7.1 The DHCP message format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 3.7.2 DHCP message types. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 3.7.3 Allocating a new network address. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 3.7.4 DHCP lease renewal process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 3.7.5 Reusing a previously allocated network address . . . . . . . . . . . . . . 138 3.7.6 Configuration parameters repository. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 3.7.7 DHCP considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 3.7.8 BOOTP and DHCP interoperability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 3.8 RFCs relevant to this chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .