Tremaを試す ～simple-ruter その１～

サンプルプログラムの中にあるsimpel-routerのソースコードを見ていきたいと思います。

ただし、simple-routerのソースに入る前にルータが何をしているのかを調べておきます。

今回はルータやL3スイッチなどの動作の一つ、ルーティングおよびルーティングテーブルについてです。

ルーティングとはパケットを宛先まで送る際に、最適な経路の選択をする事を言います。
その経路を選択するのに使用するのがルーティングテーブルです。
ルーティングテーブルには宛先までの経路情報が記録されています。

ルータ等はパケットの宛先IPアドレスを元にルーティングテーブルを参照して、次はどこにパケットを送るかを決定します。
ルーティングテーブルから次のパケット転送先が特定出来ない場合、パケットは破棄されます。

■ルーティングテーブルには以下のような情報が記録されています。

宛先ネットワーク	宛先ネットワークアドレスとネットマスクの情報。 ルーティングをする際は宛先IPアドレスと宛先ネットワーク情報から経路を選択する
ネクストホップ	宛先ネットワークに到達する為に、次のパケット送り先となるネットワーク情報。
メトリック	宛先ネットワークへの経路が複数存在する場合の優先順位です。
出力インターフェイス	ネクストホップのパケット出力先インターフェイス。
その他	経路を学習してからの経過時間や経路の情報源等

■ルーティングテーブルの作られ方
・スタティックルーティング（静的経路制御）

管理者の手でルート情報をルーティングテーブルに追加しておく方法です。

・ダイナミックルーティング（動的経路制御）

ルーティングプロトコルにより自動でルーティング追加・管理させる方法です。

以下はルーティングテーブルに関する動作についてです。

■ルート集約

ルーティングテーブルの複数の経路情報のエントリをまとめる事です。
エントリをまとめる理由は、宛先毎に経路情報を保持していくとルーティングテーブルのエントリーががどんどん多くなり、経路を見つけるまでの時間がかかるようになったり、大量のメモリが必要になるためです。

例えば以下の2つのルーティングは一つにまとめられます

宛先	ネクストホップ		宛先	ネクストホップ
192.168.0.0/24	ルータ１	→	192.168.0.0/23	ルータ１
192.168.1.0/24	ルータ１

この例を2進数表示と合わせて表にすると以下のようになります。
まずは集約前のルーティングテーブルの状態です。

宛先（10進数）	宛先（2進数）	ネクストホップ
192.168.0.0/24	11000000.10101000.00000000.00000000	ルータ１
192.168.1.0/24	11000000.10101000.00000001.00000000	ルータ１

この2つの経路情報はネクストホップが同じであり、サブネットマスクを/24から/23にする事で両方のネットワークを表すことができるため、エントリを一つにまとめることができます。
サブネットマスク/24から/23にすると以下のようになります。

11111111.11111111.11111111.00000000

↓

11111111.11111111.11111110.00000000

例のルーティングテーブルのサブネットマスクを/24→/23に変更したネットワークアドレスは以下のようになります。

宛先（10進数）	ネットワークアドレス（2進数）	ネクストホップ
192.168.0.0	11000000.10101000.0000000	ルータ１
192.168.1.0	11000000.10101000.0000000	ルータ１

このように全く同じ内容になるため、集約できるわけです。

■ロンゲストマッチ

宛先ネットワークへの経路が複数存在する場合、プレフィックス長が長い方を選択します。
例えば以下のルーティングテーブルを持つルータを経由して192.168.1.1へパケットを送る時は 2の経路が選択されます。

No	宛先	ネクストホップ
1	192.168.0.0/16	ルータ１
2	192.168.1.0/24	ルータ２

以上です。

rubyのモジュールとは何だ！？

今回はrubyのモジュール（module）について調べました。

調べたと言ってもかなり浅くでして、実はもっと奥が深いようです。

モジュールの書き方はクラスの定義と同じ様に「module モジュール名」で定義をします。
モジュールはクラスと違い、クラスからオブジェクトを作ったり継承する事は出来ません。

以下は簡単な例ですが、モジュールの使い方です。

(Test.rb)

module Hoge

  def hello
    p "Hello"
  end

end

class Test

  include Hoge

  def moge
    hello
  end

end

a=Test.new
a.hello
a.moge

実行すると以下のように表示されます。

$ ruby Test.rb
"Hello"
"Hello"

例のようにモジュールはクラスにincludeして使います。
includeすると関数のように使えます。

実行結果の1つ目の”Hello"はaクラスの関数のように実行しました。
2つ目はaクラスのmogeメソッドの中で実行しています。

今回はこのへんで。

ICMPとはなんだ！？

今回はtremaのsimple-routerにICMPが出てくるので調べました。

ICMPはIPアドレスで通信をするうえで欠かせないプロトコルです。
pingやtracerouteはICMPプロトコルを使用したものです。

ICMPには、大きく分けて「問い合わせ」と「エラー通知」の2種類のメッセージがあります。
pingやtracerouteは「問い合わせ」にあたります。

「エラー通知」はIP通信において経路上にエラーが発生した場合に、送信元にエラーの理由を返します。
なおエラー通知が無限ループにならないように、ICMP通知に対してはエラー通知の対象にならないようになっています。

ICMPのパケットの構造

ethernetヘッダー
IPヘッダー
ICMPメッセージ
　タイプ　　　　　機能コードの値が入る
　コード　　　　　詳細な機能コードが入る
　チェックサム　エラーがないか確認する値が入る
　データ　　　　　ICMPメッセージごとに異なる

ICMPタイプ（抜粋）

タイプ	メッセージ	説明
0	Echo Reply	エコー応答
3	Destination Unreachable	宛先到達不可
4	Source Quench	送出抑制要求
5	Redirect	経路変更要求
8	Echo Request	エコー要求
11	Time Exceeded	時間超過
12	Parameter Problem	不正引数
13	Timestamp Request	タイムスタンプ要求
14	Timestamp Reply	タイムスタンプ応答
15	Information Request	情報要求
16	Information Reply	情報応答
17	Address Mask Request	アドレスマスク要求
18	Address Mask Reply	アドレスマスク応答

タイプ0、8はpingで使われています。

ICMPについては引き続きまとめます。

rubyのpackメソッドがわからない

標記の通りなんですが・・・。

packメソッドはsimple-routerのrouter-util.rbで使われています。
構文は「pack(template)->string」で、説明は「配列の内容をtemplateで指定された文字列にしたがってバイナリとしてパックした文字列を返す」と書いてありますが、いったい何がどうなるのでしょうか？

調べてわかったのは、packメソッドっというのはruby以外にPHPやperlにもある。
packではバイナリデータを出力するメソッドのようです。
構文のtemplateで型指定と長さを指定します。

それ以上の事はわかりませんでした。
とりあえず今回はtemplateの内容をまとめてみます。
（といってもリファレンスマニュアルからの抜粋ですが・・・）

template文字列	説明
a	ASCII（足りない部分はnull文字を詰める）
A	ASCII（足りない部分はスペースを詰める）
Z	null終端文字列（aと同じ）
b	ビットストリング（各バイトごとに下位ビットから上位ビット）
B	ビットストリング（各バイトごとに上位ビットから下位ビット）
h	16進数文字列（下位ニブルが先）
H	16進数文字列（上位ニブルが先）
c	char（8bit符号付整数）
C	char（8bit符号なし整数）
s	short（16bit符号付整数、エンディアンに依存）
S	unsigned short（16bit符号なし整数、エンディアンに依存）
i	int（符号付整数、エンディアンとintのサイズに依存）
I	unsigned int（16bit符号なし整数、エンディアンとintのサイズに依存）
l	long（32bit符号付整数、エンディアンに依存）
L	unsigned long（32bit符号付整数、エンディアンに依存）
q	long long（符号付整数、エンディアンとlong longのサイズに依存）
Q	unsigned long long（符号なし整数、エンディアンとlong longのサイズに依存）
m	base64された文字列。60オクテッドごとに改行が付加される
M	quoted-printable encodingされた文字列
n	ネットワークバイトオーダーのunsigned short
N	ネットワークバイトオーダーのunsigned long
v	"VAX"バイトオーダーのunsigned short
V	"VAX"バイトオーダーのunsigned long
f	単精度浮動小数点数
d	倍精度浮動小数点数
e	リトルエンディアンの単精度浮動小数点数
E	リトルエンディアンの倍精度浮動小数点数
g	ビッグエンディアンの単精度浮動小数点数
G	ビッグエンディアンの倍精度浮動小数点数
p	ナル終端の文字列へのポインタ
P	構造体（固定長文字列）へのポインタ
u	unencodeされた文字列
U	UTF-8
w	BER圧縮指数
x	ナルバイト
X	1バイト後退
@	絶対位置への移動

また何かわかったら載せたいと思います。

パケットとフレームの違い

SDNやtremaでは、よくパケットという単語を目にします。
パケットと言えばネットワークに流れるデータを指してそう呼んでいると思います。

ただ、パケットの他にもフレームという単語もあり、こちらも同様にネットワークを流れるデータを指しているようです。
今回はパケットとフレームの違いを調べてみました。

まずパケットやフレームというのは、OSI参照モデルの各レイヤのPDU（プロトコル・データ・ユニット）の呼び名という事でした。
PDUは各プロトコルごとに決められたデータ単位の事です。

パケット	レイヤ3（ネットワーク層）のIPのPDU
フレーム	レイヤ2（データリンク層）のEthernetのPDU

他にもこんなのもあるみたいです。

セグメント	レイヤ4（トランスポート層）のTCPのPDU
メッセージ	レイヤ5（セッション層）のPDU
セル	レイヤ2のATM（Asynchronous Transfer Mode）のPDU

ただ、ネットワークに流れるデータをパケットと言ってしまっているケースもあるようです。

simple-routerとARP

前回、ARPについて書きましたが、実はtremaのsimple-routerで使っているrouter-utils.rbに関係があります。
router-utils.rbのソースコードにARPPacketというクラスがあります。
以下がそのソースになります。

(router-utils.rbから抜粋)

 1  class ARPPacket
 2    attr_accessor :type, :tha, :sha, :tpa, :spa
 3  
 4    def initialize type, tha, sha, tpa, spa
 5      @type = type
 6      @tha = tha
 7      @sha = sha
 8      @tpa = tpa
 9      @spa = spa
10    end
11  
12    def pack
13      eth_header = EthernetHeader.new( @tha, @sha, 0x0806 )
14  
15      # arp
16      arp = [ 0x00, 0x01, 0x08, 0x00, 0x06, 0x04, 0x00, @type ]
17      arp += @sha.to_a + @spa.to_a + @tha.to_a + @tpa.to_a
18  
19      while arp.length < 46 do
20        arp += [ 0x00 ]
21      end
22  
23      eth_header.pack + arp.pack( "C*" )
24    end
25  end

今回は詳しく見ませんが、以下の部分はARPパケットの中身そのものです。

16      arp = [ 0x00, 0x01, 0x08, 0x00, 0x06, 0x04, 0x00, @type ]
17      arp += @sha.to_a + @spa.to_a + @tha.to_a + @tpa.to_a

16行目は、ARPパケットの制御情報と動作コードを配列にセットしています。

0x0001　　　　　　　　　ネットワーク種類（Ethernet）
0x0800　　　　　　　　　プロトコル（IP）
0x06　　　　　　　　　　ハードウェアアドレス長さ
0x04　　　　　　　　　　プロトコルアドレス長さ
0x0001 または 0x0002　　動作コード（ARPリクエスト／ARPリプライ）

17行目はARPパケットの送信元、目標の情報をarp変数の配列に追加しています。

sha　　　　　　　　　　 送信元のMACアドレス
spa　　　　　　　　　　 送信元のIPアドレス
tha　　　　　　　　　　 目標のMACアドレス
tpa　　　　　　　　　　 目標のIPアドレス

ARPパケットについて知らずにソースを見てもよくわかりませんでしたが、ARPパケットの中身が分かってから見ると意味がわかる気がしますね。

ARPとは何だ！？

今回はARP（Address Resolution Protocol）についてです。

ARP自体は少し調べてみればなんとなくわかる思いますが、ザックリとまとめてみました。
要するにTCP/IPで通信するにはIPアドレスの他にMACアドレスが必要で、IPアドレスからMACアドレスを調べるためにARPというプロトコルがあります。

ARPには以下の2種類があります。
・ARPリクエスト（要求）
・ARPリプライ（応答）

ARPの仕組みは、ARPリクエストをするノード（※1）は同一ネットワーク上の全てのノードに対してARPリクエストを送ります（※2）。
ARPリクエストを受け取ったノードは、ARPパケットの目標IPが自分宛てだった場合、ARPリクエストをしたノードにだけARPリプライを送ります（※3）。
ARPパケットの目標IPが自分宛てではなかったノードはパケットを破棄します
　※1：ノードとはネットワークを構成するコンピュータや通信機器の事
　※2：ブロードキャスト
　※3：ユニキャスト

ARPパケットの中身はこんな感じです。

■ARPリクエスト

【イーサネットヘッダ】
宛先MACアドレス　　　　ブロードキャスト（「FF:FF:FF:FF:FF:FF」）
送信元MACアドレス　　　ARPリクエストしたノードのMACアドレス
フレームタイプ　　　　 0x0806（固定）→ARPを示す
　【ARPパケット】
　制御情報　　　　　　　 プロトコル等＜ネットワーク種類：0x0001（固定）→Ethernet／プロトコル：0x0800→IP／ハードウェアアドレス（MAC）長さ：0x06固定／プロトコルアドレス（IP）長さ：0x04（固定）＞
　動作コード　　　　　　 0001（固定）→ARPリクエストを示す
　送信元MACアドレス　　　ARPリクエストしたノードのMACアドレス
　送信元IPアドレス　　　 ARPリクエストしたノードのIPアドレス
　目標MACアドレス　　　　わからないため「00:00:00:00:00:00」や「FF:FF:FF:FF:FF:FF」にしておく
　目標IPアドレス　　　　 調べたいノードのIPアドレス

■ARPリプライ

【イーサネットヘッダ】
宛先MACアドレス　　　　ARPリクエストしたノードのMACアドレス
送信元MACアドレス　　　ARPリプライしたノードのMACアドレス
フレームタイプ　　　　 0x0806固定→ARPを示す
　【ARPパケット】
　制御情報　　　　　　　 プロトコル等＜ネットワーク種類：0x0001（固定）→Ethernet／プロトコル：0x0800→IP／ハードウェアアドレス（MAC）長さ：0x06固定／プロトコルアドレス（IP）長さ：0x04（固定）＞
　動作コード　　　　　　 0x0002（固定）→ARPリプライを示す
　送信元MACアドレス　　　ARPリプライしたノードのMACアドレス
　送信元IPアドレス　　　 ARPリプライしたノードのIPアドレス
　目標MACアドレス　　　　ARPリクエストしたノードのMACアドレス
　目標IPアドレス　　　　 ARPリクエストしたノードのIPアドレス

以上です。