home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Hacker Chronicles 2 / HACKER2.BIN / 484.TUTORIAL.DOC < prev    next >
Text File  |  1987-07-07  |  91KB  |  1,707 lines

  1.  
  2.  
  3.  
  4.  
  5.  
  6.  
  7.  
  8.  
  9.  
  10.  
  11.  
  12.  
  13.                              Introduction
  14.                                   to
  15.                         the Internet Protocols
  16.  
  17.  
  18.  
  19.  
  20.  
  21.                       C                       R
  22.  
  23.                               C       S
  24.                   Computer Science Facilities Group
  25.                               C       I
  26.  
  27.                       L                       S
  28.  
  29.  
  30.                                RUTGERS
  31.                   The State University of New Jersey
  32.  
  33.  
  34.  
  35.  
  36.                              3 July 1987
  37.  
  38. This is an introduction to the Internet networking protocols (TCP/IP).
  39. It  includes  a  summary  of  the  facilities  available   and   brief
  40. descriptions of the major protocols in the family.
  41.  
  42. Copyright  (C)  1987,  Charles  L. Hedrick.  Anyone may reproduce this
  43. document, in whole or in  part,  provided  that:    (1)  any  copy  or
  44. republication  of  the entire document must show Rutgers University as
  45. the source, and must include this notice; and (2)  any  other  use  of
  46. this  material  must reference this manual and Rutgers University, and
  47. the fact that the material is copyright by Charles Hedrick and is used
  48. by permission.
  49.  
  50.  
  51.  
  52. Unix is a trademark of AT&T Technologies, Inc.
  53.  
  54.  
  55.  
  56.                           Table of Contents
  57.  
  58.  
  59.    1. What is TCP/IP?                                                1
  60.    2. General description of the TCP/IP protocols                    5
  61.        2.1 The TCP level                                             7
  62.        2.2 The IP level                                             10
  63.        2.3 The Ethernet level                                       11
  64.    3. Well-known sockets and the applications layer                 12
  65.        3.1 An example application: SMTP                             15
  66.    4. Protocols other than TCP: UDP and ICMP                        17
  67.    5. Keeping track of names and information: the domain system     18
  68.    6. Routing                                                       20
  69.    7. Details about Internet addresses: subnets and broadcasting    21
  70.    8. Datagram fragmentation and reassembly                         23
  71.    9. Ethernet encapsulation: ARP                                   24
  72.    10. Getting more information                                     25
  73.  
  74.  
  75.  
  76.  
  77.  
  78.  
  79.  
  80.  
  81.  
  82.  
  83.  
  84.  
  85.  
  86.  
  87.  
  88.  
  89.  
  90.  
  91.  
  92.  
  93.  
  94.  
  95.  
  96.  
  97.  
  98.  
  99.  
  100.  
  101.  
  102.  
  103.  
  104.  
  105.  
  106.  
  107.  
  108.  
  109.  
  110.  
  111.                                   i
  112.  
  113.  
  114.  
  115. This document is a brief introduction to TCP/IP, followed by advice on
  116. what to read for more information.  This  is  not  intended  to  be  a
  117. complete  description.    It  can  give  you  a reasonable idea of the
  118. capabilities of the protocols.  But if you need to know any details of
  119. the  technology,  you  will  want  to  read  the  standards  yourself.
  120. Throughout the text, you will find references to the standards, in the
  121. form of "RFC" or "IEN" numbers.  These are document numbers. The final
  122. section of this  document  tells  you  how  to  get  copies  of  those
  123. standards.
  124.  
  125.  
  126.  
  127. 1. What is TCP/IP?
  128.  
  129.  
  130. TCP/IP  is a set of protocols developed to allow cooperating computers
  131. to share resources across a network.  It was developed by a  community
  132. of  researchers centered around the ARPAnet.  Certainly the ARPAnet is
  133. the best-known TCP/IP network.  However as of June, 87, at  least  130
  134. different  vendors  had products that support TCP/IP, and thousands of
  135. networks of all kinds use it.
  136.  
  137. First some basic definitions.  The most accurate name for the  set  of
  138. protocols we are describing is the "Internet protocol suite".  TCP and
  139. IP are two of the protocols in this suite.  (They  will  be  described
  140. below.)    Because  TCP and IP are the best known of the protocols, it
  141. has become common to use the term TCP/IP or IP/TCP  to  refer  to  the
  142. whole  family.  It is probably not worth fighting this habit.  However
  143. this can lead to some oddities.  For example, I  find  myself  talking
  144. about  NFS as being based on TCP/IP, even though it doesn't use TCP at
  145. all.  (It does use IP.  But it  uses  an  alternative  protocol,  UDP,
  146. instead  of TCP.  All of this alphabet soup will be unscrambled in the
  147. following pages.)
  148.  
  149. The Internet is a  collection  of  networks,  including  the  Arpanet,
  150. NSFnet, regional networks such as NYsernet, local networks at a number
  151. of University and research institutions,  and  a  number  of  military
  152. networks.  The term "Internet" applies to this entire set of networks.
  153. The subset of them that is managed by the  Department  of  Defense  is
  154. referred  to  as the "DDN" (Defense Data Network).  This includes some
  155. research-oriented networks, such as  the  Arpanet,  as  well  as  more
  156. strictly  military  ones.    (Because much of the funding for Internet
  157. protocol developments is done via  the  DDN  organization,  the  terms
  158. Internet  and  DDN  can  sometimes  seem  equivalent.)    All of these
  159. networks are connected to each other.  Users can  send  messages  from
  160. any  of  them  to  any other, except where there are security or other
  161. policy restrictions on access.    Officially  speaking,  the  Internet
  162. protocol  documents  are  simply  standards  adopted  by  the Internet
  163. community for its own use.  More recently, the Department  of  Defense
  164. issued a MILSPEC definition of TCP/IP.  This was intended to be a more
  165. formal definition, appropriate for use in  purchasing  specifications.
  166. However  most  of  the  TCP/IP community continues to use the Internet
  167. standards.  The MILSPEC version is intended to be consistent with it.
  168.  
  169. Whatever it is called, TCP/IP is a family of protocols.  A few provide
  170.                                   1
  171.  
  172.  
  173.  
  174. "low-level" functions needed for many applications.  These include IP,
  175. TCP, and UDP.  (These will be described in a bit more  detail  later.)
  176. Others are protocols for doing specific tasks, e.g. transferring files
  177. between computers, sending mail, or finding out who is  logged  in  on
  178. another   computer.      Initially  TCP/IP  was  used  mostly  between
  179. minicomputers or mainframes.  These machines had their own disks,  and
  180. generally  were self-contained.  Thus the most important "traditional"
  181. TCP/IP services are:
  182.  
  183.    - file transfer.  The file transfer protocol (FTP) allows a user on
  184.      any computer to get files from another computer, or to send files
  185.      to another computer.  Security is handled by requiring  the  user
  186.      to  specify  a  user  name  and  password for the other computer.
  187.      Provisions are made for handling file transfer  between  machines
  188.      with different character set, end of line conventions, etc.  This
  189.      is not quite the same thing as more recent "network file  system"
  190.      or  "netbios"  protocols, which will be described below.  Rather,
  191.      FTP is a utility that you run any time you want to access a  file
  192.      on  another  system.    You  use  it to copy the file to your own
  193.      system.  You then work with the local copy.   (See  RFC  959  for
  194.      specifications for FTP.)
  195.  
  196.    - remote  login.    The network terminal protocol (TELNET) allows a
  197.      user to log in on any other computer on the network.  You start a
  198.      remote session by specifying a computer to connect to.  From that
  199.      time until you finish the session, anything you type is  sent  to
  200.      the  other  computer.   Note that you are really still talking to
  201.      your own computer.  But the telnet program effectively makes your
  202.      computer invisible while it is running.  Every character you type
  203.      is sent directly to the other system.  Generally, the  connection
  204.      to  the  remote  computer  behaves much like a dialup connection.
  205.      That is, the remote system will ask you to  log  in  and  give  a
  206.      password, in whatever manner it would normally ask a user who had
  207.      just dialed it up.  When you log off of the other  computer,  the
  208.      telnet  program exits, and you will find yourself talking to your
  209.      own computer.  Microcomputer implementations of telnet  generally
  210.      include  a  terminal  emulator  for some common type of terminal.
  211.      (See RFC's 854 and 855 for specifications for  telnet.    By  the
  212.      way,  the  telnet protocol should not be confused with Telenet, a
  213.      vendor of commercial network services.)
  214.  
  215.    - computer mail.  This allows you to  send  messages  to  users  on
  216.      other  computers.    Originally, people tended to use only one or
  217.      two specific computers.  They  would  maintain  "mail  files"  on
  218.      those machines.  The computer mail system is simply a way for you
  219.      to add a message to another user's mail file.    There  are  some
  220.      problems  with  this  in  an environment where microcomputers are
  221.      used.  The most serious is that a micro is  not  well  suited  to
  222.      receive  computer  mail.    When you send mail, the mail software
  223.      expects to be able  to  open  a  connection  to  the  addressee's
  224.      computer, in order to send the mail.  If this is a microcomputer,
  225.      it may be turned off, or it may be running an  application  other
  226.      than  the mail system.  For this reason, mail is normally handled
  227.      by a larger system, where it is practical to have a  mail  server
  228.      running all the time.  Microcomputer mail software then becomes a
  229.                                   2
  230.  
  231.  
  232.  
  233.      user interface that retrieves mail from the mail  server.    (See
  234.      RFC  821  and  822 for specifications for computer mail.  See RFC
  235.      937 for a protocol designed for microcomputers to use in  reading
  236.      mail from a mail server.)  
  237.  
  238. These  services  should  be  present  in any implementation of TCP/IP,
  239. except that micro-oriented implementations may  not  support  computer
  240. mail.  These traditional applications still play a very important role
  241. in TCP/IP-based networks.  However more recently,  the  way  in  which
  242. networks  are  used has been changing.  The older model of a number of
  243. large, self-sufficient computers is beginning to  change.    Now  many
  244. installations    have    several   kinds   of   computers,   including
  245. microcomputers, workstations, minicomputers, and  mainframes.    These
  246. computers  are  likely  to be configured to perform specialized tasks.
  247. Although people are still likely to work with one  specific  computer,
  248. that  computer  will  call on other systems on the net for specialized
  249. services.  This has  led  to  the  "server/client"  model  of  network
  250. services.    A server is a system that provides a specific service for
  251. the rest of the network.  A client is another system  that  uses  that
  252. service.    (Note  that the server and client need not be on different
  253. computers.  They could be  different  programs  running  on  the  same
  254. computer.)    Here  are  the  kinds  of servers typically present in a
  255. modern computer setup.  Note that these computer services can  all  be
  256. provided within the framework of TCP/IP.
  257.  
  258.    - network  file  systems.   This allows a system to access files on
  259.      another computer in a somewhat more  closely  integrated  fashion
  260.      than FTP.  A network file system provides the illusion that disks
  261.      or other devices from one system are directly connected to  other
  262.      systems.    There  is no need to use a special network utility to
  263.      access a file on another system.  Your computer simply thinks  it
  264.      has  some  extra disk drives.  These extra "virtual" drives refer
  265.      to the other system's disks.    This  capability  is  useful  for
  266.      several different purposes.  It lets you put large disks on a few
  267.      computers, but still give others access to the disk space.  Aside
  268.      from the obvious economic benefits, this allows people working on
  269.      several computers  to  share  common  files.    It  makes  system
  270.      maintenance  and  backup  easier, because you don't have to worry
  271.      about updating  and  backing  up  copies  on  lots  of  different
  272.      machines.    A  number  of  vendors  now  offer  high-performance
  273.      diskless computers.  These computers have no disk drives at  all.
  274.      They  are  entirely dependent upon disks attached to common "file
  275.      servers".   (See  RFC's  1001  and  1002  for  a  description  of
  276.      PC-oriented   NetBIOS   over   TCP.     In  the  workstation  and
  277.      minicomputer area, Sun's Network File System is more likely to be
  278.      used.    Protocol  specifications  for  it are available from Sun
  279.      Microsystems.)
  280.  
  281.    - remote printing.  This allows you to  access  printers  on  other
  282.      computers  as if they were directly attached to yours.  (The most
  283.      commonly used protocol is the remote  lineprinter  protocol  from
  284.      Berkeley  Unix.  Unfortunately, there is no protocol document for
  285.      this.  However the C code is easily obtained  from  Berkeley,  so
  286.      implementations are common.)
  287.  
  288.                                   3
  289.  
  290.  
  291.  
  292.    - remote  execution.   This allows you to request that a particular
  293.      program be run on a different computer.  This is useful when  you
  294.      can  do  most  of  your work on a small computer, but a few tasks
  295.      require the resources of a larger system.  There are a number  of
  296.      different  kinds  of remote execution.  Some operate on a command
  297.      by command basis.  That is, you request that a  specific  command
  298.      or  set  of commands should run on some specific computer.  (More
  299.      sophisticated versions will choose a system that  happens  to  be
  300.      free.)    However  there are also "remote procedure call" systems
  301.      that allow a program to  call  a  subroutine  that  will  run  on
  302.      another  computer.    (There  are  many  protocols  of this sort.
  303.      Berkeley Unix contains two servers to execute commands  remotely:
  304.      rsh  and  rexec.   The man pages describe the protocols that they
  305.      use.  The user-contributed software with Berkeley 4.3 contains  a
  306.      "distributed  shell"  that  will  distribute tasks among a set of
  307.      systems, depending upon load.  Remote procedure  call  mechanisms
  308.      have  been  a  topic  for research for a number of years, so many
  309.      organizations have implementations of such facilities.  The  most
  310.      widespread commercially-supported remote procedure call protocols
  311.      seem to be Xerox's Courier and Sun's RPC.  Protocol documents are
  312.      available  from  Xerox and Sun.  There is a public implementation
  313.      of Courier over TCP as part of the user-contributed software with
  314.      Berkeley  4.3.   An implementation of RPC was posted to Usenet by
  315.      Sun, and also appears as part of  the  user-contributed  software
  316.      with Berkeley 4.3.)
  317.  
  318.    - name  servers.    In  large  installations, there are a number of
  319.      different collections of names that have to  be  managed.    This
  320.      includes  users  and their passwords, names and network addresses
  321.      for computers, and accounts.  It becomes  very  tedious  to  keep
  322.      this data up to date on all of the computers.  Thus the databases
  323.      are kept on a small number of systems.  Other systems access  the
  324.      data over the network.  (RFC 822 and 823 describe the name server
  325.      protocol used to keep track of host names and Internet  addresses
  326.      on  the  Internet.    This  is  now a required part of any TCP/IP
  327.      implementation.  IEN 116 describes an older name server  protocol
  328.      that is used by a few terminal servers and other products to look
  329.      up host names.  Sun's  Yellow  Pages  system  is  designed  as  a
  330.      general  mechanism to handle user names, file sharing groups, and
  331.      other databases commonly used by Unix  systems.    It  is  widely
  332.      available  commercially.    Its  protocol definition is available
  333.      from Sun.)
  334.  
  335.    - terminal servers.  Many installations no longer connect terminals
  336.      directly  to  computers.    Instead they connect them to terminal
  337.      servers.  A terminal server is simply a small computer that  only
  338.      knows  how  to  run  telnet  (or some other protocol to do remote
  339.      login).  If your terminal is  connected  to  one  of  these,  you
  340.      simply  type the name of a computer, and you are connected to it.
  341.      Generally it is possible to have active connections to more  than
  342.      one  computer  at  the  same time.  The terminal server will have
  343.      provisions to switch between connections rapidly, and  to  notify
  344.      you  when  output  is  waiting for another connection.  (Terminal
  345.      servers use the telnet protocol, already mentioned.  However  any
  346.      real terminal server will also have to support name service and a
  347.                                   4
  348.  
  349.  
  350.  
  351.      number of other protocols.)
  352.  
  353.    - network-oriented  window  systems.      Until   recently,   high-
  354.      performance  graphics  programs had to execute on a computer that
  355.      had  a  bit-mapped  graphics  screen  directly  attached  to  it.
  356.      Network  window  systems  allow  a  program to use a display on a
  357.      different computer.  Full-scale network window systems provide an
  358.      interface  that  lets you distribute jobs to the systems that are
  359.      best  suited  to  handle  them,  but  still  give  you  a  single
  360.      graphically-based  user  interface.  (The most widely-implemented
  361.      window system is X. A  protocol  description  is  available  from
  362.      MIT's  Project  Athena.  A reference implementation is publically
  363.      available from MIT.  A number  of  vendors  are  also  supporting
  364.      NeWS,  a window system defined by Sun.  Both of these systems are
  365.      designed to use TCP/IP.)  
  366.  
  367. Note that some of the  protocols  described  above  were  designed  by
  368. Berkeley,  Sun,  or other organizations.  Thus they are not officially
  369. part of the Internet protocol suite.   However  they  are  implemented
  370. using  TCP/IP, just as normal TCP/IP application protocols are.  Since
  371. the protocol definitions are not  considered  proprietary,  and  since
  372. commercially-support  implementations  are  widely  available,  it  is
  373. reasonable to think of these protocols as being  effectively  part  of
  374. the  Internet  suite.   Note that the list above is simply a sample of
  375. the sort of services  available  through  TCP/IP.    However  it  does
  376. contain   the  majority  of  the  "major"  applications.    The  other
  377. commonly-used protocols tend to be specialized facilities for  getting
  378. information  of  various  kinds, such as who is logged in, the time of
  379. day, etc.  However if you need a facility that is not listed here,  we
  380. encourage  you  to  look  through  the  current  edition  of  Internet
  381. Protocols (currently RFC 1011),  which  lists  all  of  the  available
  382. protocols,   and   also   to   look   at  some  of  the  major  TCP/IP
  383. implementations to see what various vendors have added.
  384.  
  385.  
  386.  
  387. 2. General description of the TCP/IP protocols
  388.  
  389.  
  390. TCP/IP is a layered set of protocols.  In  order  to  understand  what
  391. this  means,  it is useful to look at an example.  A typical situation
  392. is sending mail.  First, there is a protocol for mail.  This defines a
  393. set  of  commands which one machine sends to another, e.g. commands to
  394. specify who the sender of the message is, who it is being sent to, and
  395. then  the  text  of  the  message.  However this protocol assumes that
  396. there is a way to communicate  reliably  between  the  two  computers.
  397. Mail,  like  other  application  protocols,  simply  defines  a set of
  398. commands and messages to be sent.  It is designed to be used  together
  399. with  TCP and IP. TCP is responsible for making sure that the commands
  400. get through to the other end.  It keeps track of  what  is  sent,  and
  401. retransmitts anything that did not get through.  If any message is too
  402. large for one datagram, e.g. the text of the mail, TCP will  split  it
  403. up  into  several  datagrams,  and  make  sure  that  they  all arrive
  404. correctly.  Since these functions are needed  for  many  applications,
  405. they are put together into a separate protocol, rather than being part
  406.                                   5
  407.  
  408.  
  409.  
  410. of the specifications for sending mail.   You  can  think  of  TCP  as
  411. forming a library of routines that applications can use when they need
  412. reliable network communications with another computer.  Similarly, TCP
  413. calls  on the services of IP.  Although the services that TCP supplies
  414. are needed by  many  applications,  there  are  still  some  kinds  of
  415. applications  that  don't  need them.  However there are some services
  416. that every application needs.  So these services are put together into
  417. IP.    As  with TCP, you can think of IP as a library of routines that
  418. TCP calls on, but which is also available to applications  that  don't
  419. use  TCP.    This  strategy  of building several levels of protocol is
  420. called "layering".  We think of  the  applications  programs  such  as
  421. mail,  TCP, and IP, as being separate "layers", each of which calls on
  422. the services of the layer below it.   Generally,  TCP/IP  applications
  423. use 4 layers:
  424.  
  425.    - an application protocol such as mail
  426.  
  427.    - a  protocol  such  as  TCP  that  provides  services need by many
  428.      applications
  429.  
  430.    - IP, which provides the basic  service  of  getting  datagrams  to
  431.      their destination
  432.  
  433.    - the  protocols  needed to manage a specific physical medium, such
  434.      as Ethernet or a point to point line.  
  435.  
  436. TCP/IP is based on the "catenet model".  (This is  described  in  more
  437. detail  in  IEN 48.)  This model assumes that there are a large number
  438. of independent networks connected together  by  gateways.    The  user
  439. should  be able to access computers or other resources on any of these
  440. networks.   Datagrams  will  often  pass  through  a  dozen  different
  441. networks  before  getting  to  their  final  destination.  The routing
  442. needed to accomplish this should be completely invisible to the  user.
  443. As  far  as  the  user  is concerned, all he needs to know in order to
  444. access another system is an "Internet address".  This  is  an  address
  445. that looks like 128.6.4.194.  It is actually a 32-bit number.  However
  446. it is normally written as 4 decimal numbers, each representing 8  bits
  447. of  the  address.  (The term "octet" is used by Internet documentation
  448. for such 8-bit chunks.  The term "byte" is not used, because TCP/IP is
  449. supported  by  some computers that have byte sizes other than 8 bits.)
  450. Generally the structure of the  address  gives  you  some  information
  451. about  how  to  get  to  the  system.  For example, 128.6 is a network
  452. number assigned by a central authority to Rutgers University.  Rutgers
  453. uses  the  next  octet  to  indicate  which of the campus Ethernets is
  454. involved.  128.6.4 happens to be an  Ethernet  used  by  the  Computer
  455. Science  Department.    The last octet allows for up to 254 systems on
  456. each Ethernet.  (It is 254 because 0 and  255  are  not  allowed,  for
  457. reasons  that  will  be  discussed  later.)  Note that 128.6.4.194 and
  458. 128.6.5.194 would be different systems.  The structure of an  Internet
  459. address is described in a bit more detail later.
  460.  
  461. Of  course  we  normally  refer  to  systems  by  name, rather than by
  462. Internet address.  When we specify a name, the network software  looks
  463. it  up  in  a  database,  and comes up with the corresponding Internet
  464. address.  Most of the network software deals strictly in terms of  the
  465.                                   6
  466.  
  467.  
  468.  
  469. address.  (RFC 882 describes the name server technology used to handle
  470. this lookup.)
  471.  
  472. TCP/IP is  built  on  "connectionless"  technology.    Information  is
  473. transfered  as  a sequence of "datagrams".  A datagram is a collection
  474. of data that is sent as a single message.  Each of these datagrams  is
  475. sent  through  the network individually.  There are provisions to open
  476. connections (i.e.  to start a conversation that will continue for some
  477. time).    However at some level, information from those connections is
  478. broken up into datagrams, and  those  datagrams  are  treated  by  the
  479. network  as  completely  separate.    For example, suppose you want to
  480. transfer a 15000 octet file.  Most networks can't handle a 15000 octet
  481. datagram.   So the protocols will break this up into something like 30
  482. 500-octet datagrams.  Each of these datagrams  will  be  sent  to  the
  483. other  end.    At  that point, they will be put back together into the
  484. 15000-octet file.  However while those datagrams are in  transit,  the
  485. network doesn't know that there is any connection between them.  It is
  486. perfectly possible  that  datagram  14  will  actually  arrive  before
  487. datagram  13.    It is also possible that somewhere in the network, an
  488. error will occur, and some datagram won't get through at all.  In that
  489. case, that datagram has to be sent again.
  490.  
  491. Note  by  the way that the terms "datagram" and "packet" often seem to
  492. be nearly interchangable.  Technically, datagram is the right word  to
  493. use  when  describing  TCP/IP.  A datagram is a unit of data, which is
  494. what the protocols deal with.  A packet is a physical thing, appearing
  495. on an Ethernet or some wire.  In most cases a packet simply contains a
  496. datagram, so there is  very  little  difference.    However  they  can
  497. differ.  When TCP/IP is used on top of X.25, the X.25 interface breaks
  498. the datagrams up into 128-byte packets.   This  is  invisible  to  IP,
  499. because  the  packets  are put back together into a single datagram at
  500. the other end before being processed by TCP/IP.  So in this case,  one
  501. IP  datagram  would  be carried by several packets.  However with most
  502. media, there are efficiency advantages to  sending  one  datagram  per
  503. packet, and so the distinction tends to vanish.
  504.  
  505.  
  506.  
  507. 2.1 The TCP level
  508.  
  509.  
  510. Two separate protocols are involved in handling TCP/IP datagrams.  TCP
  511. (the "transmission control protocol") is responsible for  breaking  up
  512. the  message  into  datagrams,  reassembling  them  at  the other end,
  513. resending anything that gets lost, and  putting  things  back  in  the
  514. right  order.  IP (the "internet protocol") is responsible for routing
  515. individual datagrams.  It may seem like TCP is  doing  all  the  work.
  516. And  in  small networks that is true.  However in the Internet, simply
  517. getting a datagram to its  destination  can  be  a  complex  job.    A
  518. connection  may require the datagram to go through several networks at
  519. Rutgers, a serial line to the John von Neuman Supercomputer Center,  a
  520. couple  of Ethernets there, a series of 56Kbaud phone lines to another
  521. NSFnet site, and more Ethernets on another campus.  Keeping  track  of
  522. the  routes  to all of the destinations and handling incompatibilities
  523. among different transport media turns out to be a complex job.    Note
  524.                                   7
  525.  
  526.  
  527.  
  528. that  the  interface  between TCP and IP is fairly simple.  TCP simply
  529. hands IP a datagram with a destination.   IP  doesn't  know  how  this
  530. datagram relates to any datagram before it or after it.
  531.  
  532. It  may  have occurred to you that something is missing here.  We have
  533. talked about Internet addresses, but not about how you keep  track  of
  534. multiple  connections  to  a given system.  Clearly it isn't enough to
  535. get a datagram to the right  destination.    TCP  has  to  know  which
  536. connection  this  datagram  is  part  of.  This task is referred to as
  537. "demultiplexing."  In fact, there are several levels of demultiplexing
  538. going  on in TCP/IP.  The information needed to do this demultiplexing
  539. is contained in a series of "headers".  A header is simply a few extra
  540. octets  tacked  onto  the  beginning of a datagram by some protocol in
  541. order to keep track of it.  It's a lot like putting a letter  into  an
  542. envelope  and  putting  an  address  on  the  outside of the envelope.
  543. Except with modern networks it happens several times.  It's  like  you
  544. put the letter into a little envelope, your secretary puts that into a
  545. somewhat bigger envelope, the campus mail center  puts  that  envelope
  546. into a still bigger one, etc.  Here is an overview of the headers that
  547. get stuck on a message that passes through a typical TCP/IP network:
  548.  
  549. We start with a single data stream, say a file you are trying to  send
  550. to some other computer:  
  551.  
  552.    ......................................................
  553.  
  554. TCP  breaks  it  up into manageable chunks.  (In order to do this, TCP
  555. has to know how large a datagram your network can handle.    Actually,
  556. the TCP's at each end say how big a datagram they can handle, and then
  557. they pick the smallest size.)  
  558.  
  559.    ....   ....   ....   ....   ....   ....   ....   ....
  560.  
  561. TCP puts a header at the front of each datagram.  This header actually
  562. contains  at least 20 octets, but the most important ones are a source
  563. and destination "port number" and  a  "sequence  number".    The  port
  564. numbers  are used to keep track of different conversations.  Suppose 3
  565. different people are transferring files.  Your TCP might allocate port
  566. numbers 1000, 1001, and 1002 to these transfers.  When you are sending
  567. a datagram, this becomes the "source" port number, since you  are  the
  568. source  of  the  datagram.    Of  course  the TCP at the other end has
  569. assigned a port number of its own for the conversation.  Your TCP  has
  570. to  know the port number used by the other end as well.  (It finds out
  571. when the connection starts, as we will explain below.)  It  puts  this
  572. in  the  "destination" port field.  Of course if the other end sends a
  573. datagram back to you, the source and destination port numbers will  be
  574. reversed,  since  then  it  will  be  the  source  and you will be the
  575. destination.  Each datagram has a sequence number.  This  is  used  so
  576. that  the  other  end  can make sure that it gets the datagrams in the
  577. right  order,  and  that  it  hasn't  missed  any.    (See   the   TCP
  578. specification for details.)  TCP doesn't number the datagrams, but the
  579. octets.  So if there are 500 octets of  data  in  each  datagram,  the
  580. first datagram might be numbered 0, the second 500, the next 1000, the
  581. next 1500, etc.  Finally, I will mention the  Checksum.    This  is  a
  582. number  that  is  computed by adding up all the octets in the datagram
  583.                                   8
  584.  
  585.  
  586.  
  587. (more or less - see the TCP spec).  The result is put in  the  header.
  588. TCP  at  the other end computes the checksum again.  If they disagree,
  589. then something bad happened to the datagram in transmission, and it is
  590. thrown away.  So here's what the datagram looks like now.
  591.  
  592.     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  593.     |          Source Port          |       Destination Port        |
  594.     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  595.     |                        Sequence Number                        |
  596.     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  597.     |                    Acknowledgment Number                      |
  598.     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  599.     |  Data |           |U|A|P|R|S|F|                               |
  600.     | Offset| Reserved  |R|C|S|S|Y|I|            Window             |
  601.     |       |           |G|K|H|T|N|N|                               |
  602.     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  603.     |           Checksum            |         Urgent Pointer        |
  604.     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  605.     |   your data ... next 500 octets                               |
  606.     |   ......                                                      |
  607.  
  608. If  we abbreviate the TCP header as "T", the whole file now looks like
  609. this:
  610.  
  611.    T....   T....   T....   T....   T....   T....   T....
  612.  
  613. You will note that there are items in  the  header  that  I  have  not
  614. described  above.    They  are  generally  involved  with managing the
  615. connection.  In order to make sure the datagram  has  arrived  at  its
  616. destination,  the  recipient  has  to  send back an "acknowledgement".
  617. This is a datagram whose "Acknowledgement number" field is filled  in.
  618. For  example,  sending  a  packet  with  an  acknowledgement  of  1500
  619. indicates that you have received all the data up to octet number 1500.
  620. If  the  sender  doesn't  get  an  acknowledgement within a reasonable
  621. amount of time, it sends the data  again.    The  window  is  used  to
  622. control  how  much  data can be in transit at any one time.  It is not
  623. practical to wait for each datagram to be acknowledged before  sending
  624. the  next  one.    That would slow things down too much.  On the other
  625. hand, you can't just keep sending, or a fast  computer  might  overrun
  626. the  capacity  of  a slow one to absorb data.  Thus each end indicates
  627. how much new data it is currently prepared to absorb  by  putting  the
  628. number  of  octets  in  its  "Window" field.  As the computer receives
  629. data, the amount of space left in its window decreases.  When it  goes
  630. to  zero, the sender has to stop.  As the receiver processes the data,
  631. it increases its window, indicating that it is ready  to  accept  more
  632. data.  Often the same datagram can be used to acknowledge receipt of a
  633. set of data and to give permission for  additional  new  data  (by  an
  634. updated  window).  The "Urgent" field allows one end to tell the other
  635. to skip ahead in its processing to a particular octet.  This is  often
  636. useful  for  handling asynchronous events, for example when you type a
  637. control character or other command that interrupts output.  The  other
  638. fields are beyond the scope of this document.
  639.  
  640.  
  641.  
  642.                                   9
  643.  
  644.  
  645.  
  646. 2.2 The IP level
  647.  
  648.  
  649. TCP  sends each of these datagrams to IP.  Of course it has to tell IP
  650. the Internet address of the computer at the other end.  Note that this
  651. is  all  IP  is concerned about.  It doesn't care about what is in the
  652. datagram, or even in the TCP header.  IP's job is  simply  to  find  a
  653. route for the datagram and get it to the other end.  In order to allow
  654. gateways or other intermediate systems to  forward  the  datagram,  it
  655. adds  its  own  header.  The main things in this header are the source
  656. and destination Internet address (32-bit addresses, like 128.6.4.194),
  657. the  protocol  number,  and  another  checksum.    The source Internet
  658. address is simply the address of your machine.  (This is necessary  so
  659. the  other  end  knows where the datagram came from.)  The destination
  660. Internet address is the address  of  the  other  machine.    (This  is
  661. necessary  so  any  gateways  in  the  middle  know where you want the
  662. datagram to go.)  The protocol number tells IP at  the  other  end  to
  663. send  the  datagram  to TCP.  Although most IP traffic uses TCP, there
  664. are other protocols that can use IP, so you  have  to  tell  IP  which
  665. protocol  to send the datagram to.  Finally, the checksum allows IP at
  666. the other end to verify that the header  wasn't  damaged  in  transit.
  667. Note  that TCP and IP have separate checksums.  IP needs to be able to
  668. verify that the header didn't get damaged in transit, or it could send
  669. a  message to the wrong place.  For reasons not worth discussing here,
  670. it is both more efficient and safer to have  TCP  compute  a  separate
  671. checksum  for  the  TCP  header  and  data.  Once IP has tacked on its
  672. header, here's what the message looks like:
  673.  
  674.     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  675.     |Version|  IHL  |Type of Service|          Total Length         |
  676.     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  677.     |         Identification        |Flags|      Fragment Offset    |
  678.     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  679.     |  Time to Live |    Protocol   |         Header Checksum       |
  680.     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  681.     |                       Source Address                          |
  682.     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  683.     |                    Destination Address                        |
  684.     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  685.     |  TCP header, then your data ......                            |
  686.     |                                                               |
  687.  
  688. If we represent the IP header by an "I",  your  file  now  looks  like
  689. this:  
  690.  
  691.    IT....   IT....   IT....   IT....   IT....   IT....   IT....
  692.  
  693. Again,  the  header contains some additional fields that have not been
  694. discussed.  Most of them are beyond the scope of this document.    The
  695. flags  and fragment offset are used to keep track of the pieces when a
  696. datagram has to be split up.   This  can  happen  when  datagrams  are
  697. forwarded through a network for which they are too big.  (This will be
  698. discussed a bit more below.)  The time to live is  a  number  that  is
  699. decremented  whenever  the  datagram passes through a system.  When it
  700. goes to zero, the datagram is discarded.  This is done in case a  loop
  701.                                   10
  702.  
  703.  
  704.  
  705. develops  in the system somehow.  Of course this should be impossible,
  706. but  well-designed  networks  are  built  to  cope  with  "impossible"
  707. conditions.
  708.  
  709. At this point, it's possible that no more headers are needed.  If your
  710. computer happens to have a direct phone  line  connecting  it  to  the
  711. destination  computer,  or  to  a  gateway,  it  may  simply  send the
  712. datagrams out on the line (though likely a synchronous  protocol  such
  713. as  HDLC  would be used, and it would add at least a few octets at the
  714. beginning and end).
  715.  
  716.  
  717.  
  718. 2.3 The Ethernet level
  719.  
  720.  
  721. However most of our networks these days use Ethernet.  So now we  have
  722. to  describe  Ethernet's headers.  Unfortunately, Ethernet has its own
  723. addresses.  The people who designed Ethernet wanted to make sure  that
  724. no  two  machines  would  end  up  with  the  same  Ethernet  address.
  725. Furthermore, they  didn't  want  the  user  to  have  to  worry  about
  726. assigning  addresses.    So  each  Ethernet  controller  comes with an
  727. address builtin from the factory.  In order to  make  sure  that  they
  728. would  never have to reuse addresses, the Ethernet designers allocated
  729. 48 bits for the Ethernet address.  People who make Ethernet  equipment
  730. have  to  register  with  a  central  authority, to make sure that the
  731. numbers they assign don't overlap any other manufacturer.  Ethernet is
  732. a "broadcast medium".  That is, it is in effect like an old party line
  733. telephone.  When you send a packet out on the Ethernet, every  machine
  734. on  the  network sees the packet.  So something is needed to make sure
  735. that the right machine gets it.  As you might guess, this involves the
  736. Ethernet  header.    Every  Ethernet packet has a 14-octet header that
  737. includes the source and destination Ethernet address, and a type code.
  738. Each machine is supposed to pay attention only to packets with its own
  739. Ethernet address in the destination field.  (It's  perfectly  possible
  740. to  cheat,  which  is  one reason that Ethernet communications are not
  741. terribly secure.)  Note  that  there  is  no  connection  between  the
  742. Ethernet address and the Internet address.  Each machine has to have a
  743. table of what Ethernet address corresponds to what  Internet  address.
  744. (We  will  describe  how  this  table is constructed a bit later.)  In
  745. addition to the addresses, the header contains a type code.  The  type
  746. code is to allow for several different protocol families to be used on
  747. the same network.  So you can use TCP/IP, DECnet, Xerox  NS,  etc.  at
  748. the  same  time.   Each of them will put a different value in the type
  749. field.  Finally,  there  is  a  checksum.    The  Ethernet  controller
  750. computes a checksum of the entire packet.  When the other end receives
  751. the packet, it recomputes the checksum, and throws the packet away  if
  752. the  answer  disagrees  with the original.  The checksum is put on the
  753. end of the packet, not in the header.  The final result is  that  your
  754. message looks like this:
  755.  
  756.  
  757.  
  758.  
  759.  
  760.                                   11
  761.  
  762.  
  763.  
  764.     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  765.     |       Ethernet destination address (first 32 bits)            |
  766.     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  767.     | Ethernet dest (last 16 bits)  |Ethernet source (first 16 bits)|
  768.     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  769.     |       Ethernet source address (last 32 bits)                  |
  770.     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  771.     |        Type code              |
  772.     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  773.     |  IP header, then TCP header, then your data                   |
  774.     |                                                               |
  775.         ...
  776.     |                                                               |
  777.     |   end of your data                                            |
  778.     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  779.     |                       Ethernet Checksum                       |
  780.     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  781.  
  782. If  we  represent  the  Ethernet  header  with  "E",  and the Ethernet
  783. checksum with "C", your file now looks like this:  
  784.  
  785.    EIT....C   EIT....C   EIT....C   EIT....C   EIT....C
  786.  
  787. When these packets are received by the other end, of  course  all  the
  788. headers  are  removed.    The  Ethernet interface removes the Ethernet
  789. header and the checksum.  It looks at the type code.  Since  the  type
  790. code  is the one assigned to IP, the Ethernet device driver passes the
  791. datagram up to IP.  IP removes the IP header.   It  looks  at  the  IP
  792. protocol  field.    Since  the  protocol  type  is  TCP, it passes the
  793. datagram up to TCP.  TCP now looks at the sequence number.    It  uses
  794. the  sequence  numbers  and  other  information  to  combine  all  the
  795. datagrams into the original file.
  796.  
  797. The ends our initial summary of TCP/IP.  There are still some  crucial
  798. concepts we haven't gotten to, so we'll now go back and add details in
  799. several areas.  (For detailed descriptions of the items discussed here
  800. see,  RFC  793  for  TCP,  RFC  791  for IP, and RFC's 894 and 826 for
  801. sending IP over Ethernet.)
  802.  
  803.  
  804.  
  805. 3. Well-known sockets and the applications layer
  806.  
  807.  
  808. So far, we have described how a stream  of  data  is  broken  up  into
  809. datagrams,  sent  to another computer, and put back together.  However
  810. something more is needed  in  order  to  accomplish  anything  useful.
  811. There  has  to  be  a  way for you to open a connection to a specified
  812. computer, log into it, tell it what file you  want,  and  control  the
  813. transmission  of  the  file.   (If you have a different application in
  814. mind, e.g. computer mail, some analogous protocol is needed.)  This is
  815. done  by  "application  protocols".  The application protocols run "on
  816. top" of TCP/IP.  That is, when they want to send a message, they  give
  817. the  message  to  TCP.   TCP makes sure it gets delivered to the other
  818. end.  Because TCP and IP take care of all the networking details,  the
  819.                                   12
  820.  
  821.  
  822.  
  823. applications  protocols can treat a network connection as if it were a
  824. simple byte stream, like a terminal or phone line.
  825.  
  826. Before going into more details about applications programs, we have to
  827. describe how you find an application.  Suppose you want to send a file
  828. to a computer whose Internet address  is  128.6.4.7.    To  start  the
  829. process,  you  need  more than just the Internet address.  You have to
  830. connect to the FTP server at the  other  end.    In  general,  network
  831. programs  are  specialized  for a specific set of tasks.  Most systems
  832. have separate programs  to  handle  file  transfers,  remote  terminal
  833. logins, mail, etc.  When you connect to 128.6.4.7, you have to specify
  834. that you want to talk to the FTP server.    This  is  done  by  having
  835. "well-known  sockets"  for  each  server.    Recall that TCP uses port
  836. numbers to keep track of  individual  conversations.    User  programs
  837. normally  use more or less random port numbers.  However specific port
  838. numbers are assigned to the programs that sit  waiting  for  requests.
  839. For  example,  if  you  want  to send a file, you will start a program
  840. called "ftp".  It will open a connection using some random number, say
  841. 1234,  for  the  port number on its end.  However it will specify port
  842. number 21 for the other end.  This is the official port number for the
  843. FTP server.  Note that there are two different programs involved.  You
  844. run ftp on your side.  This is a program designed to  accept  commands
  845. from  your  terminal  and  pass them on to the other end.  The program
  846. that you talk to on the other machine  is  the  FTP  server.    It  is
  847. designed  to  accept commands from the network connection, rather than
  848. an interactive terminal.  There is no need for your program to  use  a
  849. well-known  socket  number  for  itself.  Nobody is trying to find it.
  850. However the servers have to have well-known numbers,  so  that  people
  851. can  open  connections  to  them and start sending them commands.  The
  852. official  port  numbers  for  each  program  are  given  in  "Assigned
  853. Numbers".
  854.  
  855. Note  that  a  connection is actually described by a set of 4 numbers:
  856. the Internet address at each end, and the TCP port number at each end.
  857. Every  datagram  has  all  four of those numbers in it.  (The Internet
  858. addresses are in the IP header, and the TCP port numbers  are  in  the
  859. TCP header.)  In order to keep things straight, no two connections can
  860. have the same set of numbers.  However it is enough for any one number
  861. to  be  different.    For  example,  it  is perfectly possible for two
  862. different users on a machine to be sending files  to  the  same  other
  863. machine.    This  could  result  in  connections  with  the  following
  864. parameters:
  865.  
  866.                    Internet addresses         TCP ports
  867.     connection 1  128.6.4.194, 128.6.4.7      1234, 21
  868.     connection 2  128.6.4.194, 128.6.4.7      1235, 21
  869.  
  870. Since the same machines are involved, the Internet addresses  are  the
  871. same.    Since  they  are  both  doing  file transfers, one end of the
  872. connection involves the well-known port number  for  FTP.    The  only
  873. thing  that  differs is the port number for the program that the users
  874. are running.  That's enough of a difference.  Generally, at least  one
  875. end  of  the  connection asks the network software to assign it a port
  876. number that is guaranteed to be unique.   Normally,  it's  the  user's
  877. end, since the server has to use a well-known number.
  878.                                   13
  879.  
  880.  
  881.  
  882.  
  883. Now  that  we  know  how  to  open  connections, let's get back to the
  884. applications programs.  As mentioned earlier, once TCP  has  opened  a
  885. connection,  we  have  something  that might as well be a simple wire.
  886. All the hard parts are handled by TCP and IP.  However we  still  need
  887. some  agreement  as  to  what we send over this connection.  In effect
  888. this is simply an agreement on what set of  commands  the  application
  889. will  understand,  and  the  format  in  which  they  are  to be sent.
  890. Generally, what is sent is a combination of commands and data.    They
  891. use  context  to  differentiate.  For example, the mail protocol works
  892. like this: Your mail program opens a connection to the mail server  at
  893. the  other end.  Your program gives it your machine's name, the sender
  894. of the message, and the recipients you want it sent to.  It then sends
  895. a  command saying that it is starting the message.  At that point, the
  896. other end  stops  treating  what  it  sees  as  commands,  and  starts
  897. accepting  the  message.  Your end then starts sending the text of the
  898. message.  At the end of the message, a special mark is sent (a dot  in
  899. the first column).  After that, both ends understand that your program
  900. is again sending commands.  This is the simplest way to do things, and
  901. the one that most applications use.
  902.  
  903. File  transfer  is  somewhat more complex.  The file transfer protocol
  904. involves two different connections.  It starts  out  just  like  mail.
  905. The user's program sends commands like "log me in as this user", "here
  906. is my password", "send me the file with this name".  However once  the
  907. command  to  send  data is sent, a second connection is opened for the
  908. data itself.  It would certainly be possible to send the data  on  the
  909. same  connection,  as  mail does.  However file transfers often take a
  910. long time.  The designers of the  file  transfer  protocol  wanted  to
  911. allow  the  user  to  continue  issuing commands while the transfer is
  912. going on.  For example, the user might make an inquiry,  or  he  might
  913. abort  the  transfer.    Thus  the designers felt it was best to use a
  914. separate connection for  the  data  and  leave  the  original  command
  915. connection  for  commands.    (It  is  also  possible  to open command
  916. connections to two different computers, and tell them to send  a  file
  917. from  one  to  the other.  In that case, the data couldn't go over the
  918. command connection.)
  919.  
  920. Remote terminal connections use another mechanism still.   For  remote
  921. logins,  there  is just one connection.  It normally sends data.  When
  922. it is necessary to send a command (e.g. to set the terminal type or to
  923. change  some  mode),  a special character is used to indicate that the
  924. next character is a command.  If the user happens to type that special
  925. character as data, two of them are sent.
  926.  
  927. We  are  not  going to describe the application protocols in detail in
  928. this document.  It's better to read the RFC's yourself.  However there
  929. are  a  couple of common conventions used by applications that will be
  930. described here.  First, the common network representation:  TCP/IP  is
  931. intended  to  be  usable  on  any  computer.    Unfortunately, not all
  932. computers agree on how data is represented.  There are differences  in
  933. character  codes  (ASCII  vs.  EBCDIC),  in  end  of  line conventions
  934. (carriage return, line feed, or a representation using counts), and in
  935. whether  terminals expect characters to be sent individually or a line
  936. at a time.   In  order  to  allow  computers  of  different  kinds  to
  937. communicate,   each   applications   protocol   defines   a   standard
  938.                                   14
  939.  
  940.  
  941.  
  942. representation.    Note  that  TCP  and  IP  do  not  care  about  the
  943. representation.    TCP  simply  sends octets.  However the programs at
  944. both ends have to agree on how the octets are to be interpreted.   The
  945. RFC  for  each  application  specifies the standard representation for
  946. that application.  Normally it  is  "net  ASCII".    This  uses  ASCII
  947. characters,  with end of line denoted by a carriage return followed by
  948. a line feed.  For remote login,  there  is  also  a  definition  of  a
  949. "standard terminal", which turns out to be a half-duplex terminal with
  950. echoing happening on the local machine.  Most applications  also  make
  951. provisions  for  the  two  computers to agree on other representations
  952. that they may find more convenient.  For example, PDP-10's have 36-bit
  953. words.    There  is a way that two PDP-10's can agree to send a 36-bit
  954. binary file.  Similarly, two systems that prefer full-duplex  terminal
  955. conversations  can  agree  on  that.    However each application has a
  956. standard representation, which every machine must support.
  957.  
  958.  
  959.  
  960. 3.1 An example application: SMTP
  961.  
  962.  
  963. In order to give a bit better idea what is involved in the application
  964. protocols,  I'm  going  to  show an example of SMTP, which is the mail
  965. protocol.  (SMTP is "simple mail transfer protocol.)  We assume that a
  966. computer called TOPAZ.RUTGERS.EDU wants to send the following message.
  967.  
  968.   Date: Sat, 27 Jun 87 13:26:31 EDT
  969.   From: hedrick@topaz.rutgers.edu
  970.   To: levy@red.rutgers.edu
  971.   Subject: meeting
  972.  
  973.   Let's get together Monday at 1pm.
  974.  
  975. First,  note  that the format of the message itself is described by an
  976. Internet standard (RFC 822).  The standard specifies the fact that the
  977. message  must be transmitted as net ASCII (i.e. it must be ASCII, with
  978. carriage return/linefeed to delimit lines).   It  also  describes  the
  979. general  structure, as a group of header lines, then a blank line, and
  980. then the body of the message.  Finally, it describes the syntax of the
  981. header  lines in detail.  Generally they consist of a keyword and then
  982. a value.
  983.  
  984. Note  that  the  addressee  is  indicated   as   LEVY@RED.RUTGERS.EDU.
  985. Initially,  addresses were simply "person at machine".  However recent
  986. standards have made things more flexible.  There  are  now  provisions
  987. for  systems  to handle other systems' mail.  This can allow automatic
  988. forwarding on behalf of computers not connected to the Internet.    It
  989. can be used to direct mail for a number of systems to one central mail
  990. server.  Indeed there is no requirement that an actual computer by the
  991. name  of RED.RUTGERS.EDU even exist.  The name servers could be set up
  992. so that you mail to department names, and each  department's  mail  is
  993. routed  automatically to an appropriate computer.  It is also possible
  994. that the part before the @ is something other than a user name.  It is
  995. possible  for  programs  to be set up to process mail.  There are also
  996. provisions  to  handle  mailing  lists,  and  generic  names  such  as
  997.                                   15
  998.  
  999.  
  1000.  
  1001. "postmaster" or "operator".
  1002.  
  1003. The  way  the  message is to be sent to another system is described by
  1004. RFC's 821 and 974.  The program that is going to be doing the  sending
  1005. asks  the  name server several queries to determine where to route the
  1006. message.  The first query is to find out which  machines  handle  mail
  1007. for  the  name RED.RUTGERS.EDU.  In this case, the server replies that
  1008. RED.RUTGERS.EDU handles its own mail.  The program then asks  for  the
  1009. address of RED.RUTGERS.EDU, which is 128.6.4.2.  Then the mail program
  1010. opens a TCP connection to port 25  on  128.6.4.2.    Port  25  is  the
  1011. well-known  socket  used  for receiving mail.  Once this connection is
  1012. established, the mail program starts sending  commands.    Here  is  a
  1013. typical  conversation.  Each line is labelled as to whether it is from
  1014. TOPAZ or RED.  Note that TOPAZ initiated the connection:
  1015.  
  1016.     RED    220 RED.RUTGERS.EDU SMTP Service at 29 Jun 87 05:17:18 EDT
  1017.     TOPAZ  HELO topaz.rutgers.edu
  1018.     RED    250 RED.RUTGERS.EDU - Hello, TOPAZ.RUTGERS.EDU
  1019.     TOPAZ  MAIL From:<hedrick@topaz.rutgers.edu>
  1020.     RED    250 MAIL accepted
  1021.     TOPAZ  RCPT To:<levy@red.rutgers.edu>
  1022.     RED    250 Recipient accepted
  1023.     TOPAZ  DATA
  1024.     RED    354 Start mail input; end with <CRLF>.<CRLF>
  1025.     TOPAZ  Date: Sat, 27 Jun 87 13:26:31 EDT
  1026.     TOPAZ  From: hedrick@topaz.rutgers.edu
  1027.     TOPAZ  To: levy@red.rutgers.edu
  1028.     TOPAZ  Subject: meeting
  1029.     TOPAZ
  1030.     TOPAZ  Let's get together Monday at 1pm.
  1031.     TOPAZ  .
  1032.     RED    250 OK
  1033.     TOPAZ  QUIT
  1034.     RED    221 RED.RUTGERS.EDU Service closing transmission channel
  1035.  
  1036. First, note that commands all use normal text.  This is typical of the
  1037. Internet  standards.    Many  of  the  protocols  use  standard  ASCII
  1038. commands.  This makes it easy  to  watch  what  is  going  on  and  to
  1039. diagnose  problems.  For example, the mail program keeps a log of each
  1040. conversation.  If something goes wrong, the log  file  can  simply  be
  1041. mailed  to  the  postmaster.  Since it is normal text, he can see what
  1042. was going on.  It also allows a human to interact  directly  with  the
  1043. mail  server,  for  testing.  (Some newer protocols are complex enough
  1044. that this is not practical.  The commands would have to have a  syntax
  1045. that would require a significant parser.  Thus there is a tendency for
  1046. newer protocols to use binary formats.  Generally they are  structured
  1047. like  C or Pascal record structures.)  Second, note that the responses
  1048. all begin with numbers.  This is also typical of  Internet  protocols.
  1049. The  allowable  responses  are  defined  in the protocol.  The numbers
  1050. allow the user program to respond unambiguously.    The  rest  of  the
  1051. response  is  text,  which is normally for use by any human who may be
  1052. watching or looking at a log.  It has no effect on  the  operation  of
  1053. the  programs.  (However there is one point at which the protocol uses
  1054. part of the text of the response.)   The  commands  themselves  simply
  1055. allow  the  mail  program  on  one  end  to  tell  the mail server the
  1056.                                   16
  1057.  
  1058.  
  1059.  
  1060. information it needs to know in order to deliver the message.  In this
  1061. case,  the  mail  server  could  get the information by looking at the
  1062. message itself.  But for more complex cases, that would not  be  safe.
  1063. Every  session  must  begin  with  a HELO, which gives the name of the
  1064. system that initiated the connection.  Then the sender and  recipients
  1065. are specified.  (There can be more than one RCPT command, if there are
  1066. several recipients.)  Finally the data itself is sent.  Note that  the
  1067. text  of the message is terminated by a line containing just a period.
  1068. (If such a line appears in the message, the period is doubled.)  After
  1069. the  message  is  accepted,  the  sender  can send another message, or
  1070. terminate the session as in the example above.
  1071.  
  1072. Generally, there is a pattern to the response numbers.   The  protocol
  1073. defines  the  specific set of responses that can be sent as answers to
  1074. any given command.  However programs that don't want to  analyze  them
  1075. in  detail  can  just  look at the first digit.  In general, responses
  1076. that begin with a 2  indicate  success.    Those  that  begin  with  3
  1077. indicate  that some further action is needed, as shown above.  4 and 5
  1078. indicate errors.  4 is a "temporary" error, such as  a  disk  filling.
  1079. The  message should be saved, and tried again later.  5 is a permanent
  1080. error, such as a  non-existent  recipient.    The  message  should  be
  1081. returned to the sender with an error message.
  1082.  
  1083. (For  more  details about the protocols mentioned in this section, see
  1084. RFC's 821/822 for mail, RFC 959 for file transfer, and  RFC's  854/855
  1085. for  remote  logins.  For the well-known port numbers, see the current
  1086. edition of Assigned Numbers, and possibly RFC 814.)
  1087.  
  1088.  
  1089.  
  1090. 4. Protocols other than TCP: UDP and ICMP
  1091.  
  1092.  
  1093. So far, we have described only connections that use TCP.  Recall  that
  1094. TCP  is  responsible  for  breaking  up  messages  into datagrams, and
  1095. reassembling them properly.  However in  many  applications,  we  have
  1096. messages  that  will  always  fit in a single datagram.  An example is
  1097. name lookup.  When a user attempts to make  a  connection  to  another
  1098. system,  he  will  generally  specify  the system by name, rather than
  1099. Internet address.  His system has to translate that name to an address
  1100. before  it  can  do  anything.  Generally, only a few systems have the
  1101. database used to translate names to addresses.  So the  user's  system
  1102. will want to send a query to one of the systems that has the database.
  1103. This query is going to be very short.  It will certainly  fit  in  one
  1104. datagram.    So  will the answer.  Thus it seems silly to use TCP.  Of
  1105. course TCP does more than just break things up  into  datagrams.    It
  1106. also  makes  sure  that  the  data  arrives, resending datagrams where
  1107. necessary.  But for a question that fits  in  a  single  datagram,  we
  1108. don't  need  all the complexity of TCP to do this.  If we don't get an
  1109. answer after a few seconds, we can just ask again.   For  applications
  1110. like this, there are alternatives to TCP.
  1111.  
  1112. The most common alternative is UDP ("user datagram protocol").  UDP is
  1113. designed for applications where you don't need  to  put  sequences  of
  1114. datagrams  together.  It fits into the system much like TCP.  There is
  1115.                                   17
  1116.  
  1117.  
  1118.  
  1119. a UDP header.  The network software puts the UDP header on  the  front
  1120. of  your  data, just as it would put a TCP header on the front of your
  1121. data.  Then UDP sends the data  to  IP,  which  adds  the  IP  header,
  1122. putting  UDP's  protocol number in the protocol field instead of TCP's
  1123. protocol number.  However UDP doesn't do as much  as  TCP  does.    It
  1124. doesn't  split data into multiple datagrams.  It doesn't keep track of
  1125. what it has sent so it can resend if necessary.  About  all  that  UDP
  1126. provides  is  port  numbers,  so  that several programs can use UDP at
  1127. once.  UDP port numbers are used just like TCP port  numbers.    There
  1128. are  well-known  port numbers for servers that use UDP.  Note that the
  1129. UDP header is shorter than a TCP header.   It  still  has  source  and
  1130. destination  port  numbers,  and  a checksum, but that's about it.  No
  1131. sequence number, since it is not needed.  UDP is used by the protocols
  1132. that  handle  name  lookups (see IEN 116, RFC 882, and RFC 883), and a
  1133. number of similar protocols.
  1134.  
  1135. Another  alternative  protocol  is  ICMP  ("Internet  control  message
  1136. protocol").    ICMP  is  used  for  error messages, and other messages
  1137. intended for the TCP/IP software itself, rather  than  any  particular
  1138. user  program.  For example, if you attempt to connect to a host, your
  1139. system may get back an ICMP message saying "host unreachable".    ICMP
  1140. can  also be used to find out some information about the network.  See
  1141. RFC 792 for details of ICMP.  ICMP is  similar  to  UDP,  in  that  it
  1142. handles messages that fit in one datagram.  However it is even simpler
  1143. than UDP.  It doesn't even have port numbers in its header.  Since all
  1144. ICMP  messages are interpreted by the network software itself, no port
  1145. numbers are needed to say where a ICMP message is supposed to go.
  1146.  
  1147.  
  1148.  
  1149. 5. Keeping track of names and information: the domain system
  1150.  
  1151.  
  1152. As we indicated earlier, the network software generally needs a 32-bit
  1153. Internet  address  in  order  to open a connection or send a datagram.
  1154. However users prefer to deal with computer names rather than  numbers.
  1155. Thus  there  is  a database that allows the software to look up a name
  1156. and find the corresponding number.  When the Internet was small,  this
  1157. was  easy.  Each system would have a file that listed all of the other
  1158. systems, giving both their name and number.  There are  now  too  many
  1159. computers  for  this  approach to be practical.  Thus these files have
  1160. been replaced by a set of name servers that keep track of  host  names
  1161. and  the corresponding Internet addresses.  (In fact these servers are
  1162. somewhat more general than that.  This is just one kind of information
  1163. stored in the domain system.)  Note that a set of interlocking servers
  1164. are used, rather than a single central one.  There  are  now  so  many
  1165. different  institutions  connected  to  the  Internet that it would be
  1166. impractical for them to  notify  a  central  authority  whenever  they
  1167. installed  or moved a computer.  Thus naming authority is delegated to
  1168. individual institutions.  The name servers form a tree,  corresponding
  1169. to  institutional  structure.    The names themselves follow a similar
  1170. structure.  A typical example is the name BORAX.LCS.MIT.EDU.  This  is
  1171. a  computer  at  the Laboratory for Computer Science (LCS) at MIT.  In
  1172. order to find its Internet address,  you  might  potentially  have  to
  1173. consult  4  different  servers.  First, you would ask a central server
  1174.                                   18
  1175.  
  1176.  
  1177.  
  1178. (called the root) where the EDU server is.  EDU is a server that keeps
  1179. track of educational institutions.  The root server would give you the
  1180. names and Internet addresses of several servers for EDU.   (There  are
  1181. several  servers  at  each  level,  to allow for the possibly that one
  1182. might be down.)  You would then ask EDU where the server for  MIT  is.
  1183. Again,  it  would  give  you  names  and Internet addresses of several
  1184. servers for MIT.  Generally, not all of those servers would be at MIT,
  1185. to  allow for the possibility of a general power failure at MIT.  Then
  1186. you would ask MIT where the server for LCS is, and finally  you  would
  1187. ask one of the LCS servers about BORAX.  The final result would be the
  1188. Internet address for BORAX.LCS.MIT.EDU.    Each  of  these  levels  is
  1189. referred  to  as  a  "domain".  The entire name, BORAX.LCS.MIT.EDU, is
  1190. called a "domain name".    (So  are  the  names  of  the  higher-level
  1191. domains, such as LCS.MIT.EDU, MIT.EDU, and EDU.)
  1192.  
  1193. Fortunately,  you  don't really have to go through all of this most of
  1194. the time.  First of all, the root name servers also happen to  be  the
  1195. name  servers  for  the  top-level domains such as EDU.  Thus a single
  1196. query to a root  server  will  get  you  to  MIT.    Second,  software
  1197. generally  remembers answers that it got before.  So once we look up a
  1198. name at LCS.MIT.EDU, our software remembers where to find servers  for
  1199. LCS.MIT.EDU,  MIT.EDU,  and EDU.  It also remembers the translation of
  1200. BORAX.LCS.MIT.EDU.  Each of these pieces of information has a "time to
  1201. live"  associated with it.  Typically this is a few days.  After that,
  1202. the information expires and has to be looked up again.    This  allows
  1203. institutions to change things.
  1204.  
  1205. The  domain  system  is not limited to finding out Internet addresses.
  1206. Each domain name is a node in a database.  The node can  have  records
  1207. that  define  a number of different properties.  Examples are Internet
  1208. address, computer type, and a list of services provided by a computer.
  1209. A  program  can  ask  for  a  specific  piece  of  information, or all
  1210. information about a given name.  It is possible  for  a  node  in  the
  1211. database  to  be  marked as an "alias" (or nickname) for another node.
  1212. It is also possible to use the  domain  system  to  store  information
  1213. about users, mailing lists, or other objects.
  1214.  
  1215. There  is  an  Internet  standard  defining  the  operation  of  these
  1216. databases, as well as the protocols used  to  make  queries  of  them.
  1217. Every  network utility has to be able to make such queries, since this
  1218. is now the official way to evaluate host names.   Generally  utilities
  1219. will talk to a server on their own system.  This server will take care
  1220. of contacting the other servers for them.  This keeps down the  amount
  1221. of code that has to be in each application program.
  1222.  
  1223. The  domain  system  is  particularly  important for handling computer
  1224. mail.  There are entry types to define what computer handles mail  for
  1225. a  given  name, to specify where an individual is to receive mail, and
  1226. to define mailing lists.
  1227.  
  1228. (See RFC's 882, 883, and 973 for specifications of the domain  system.
  1229. RFC 974 defines the use of the domain system in sending mail.)
  1230.  
  1231.  
  1232.  
  1233.                                   19
  1234.  
  1235.  
  1236.  
  1237. 6. Routing
  1238.  
  1239.  
  1240. The   description  above  indicated  that  the  IP  implementation  is
  1241. responsible for getting datagrams to the destination indicated by  the
  1242. destination address, but little was said about how this would be done.
  1243. The task of finding how to  get  a  datagram  to  its  destination  is
  1244. referred to as "routing".  In fact many of the details depend upon the
  1245. particular implementation.  However some general things can be said.
  1246.  
  1247. First, it is necessary to understand the model on which IP  is  based.
  1248. IP assumes that a system is attached to some local network.  We assume
  1249. that the system can send datagrams to any  other  system  on  its  own
  1250. network.    (In  the  case  of  Ethernet, it simply finds the Ethernet
  1251. address of the destination system, and puts the datagram  out  on  the
  1252. Ethernet.)    The  problem  comes  when  a  system  is asked to send a
  1253. datagram to a system on a different network.  This problem is  handled
  1254. by  gateways.   A gateway is a system that connects a network with one
  1255. or more other networks.  Gateways  are  often  normal  computers  that
  1256. happen  to have more than one network interface.  For example, we have
  1257. a Unix machine that has two different Ethernet interfaces.  Thus it is
  1258. connected  to networks 128.6.4 and 128.6.3.  This machine can act as a
  1259. gateway between those two networks.  The software on that machine must
  1260. be  set  up  so that it will forward datagrams from one network to the
  1261. other.  That is, if a machine on network 128.6.4 sends a  datagram  to
  1262. the  gateway,  and  the  datagram is addressed to a machine on network
  1263. 128.6.3, the gateway will forward the  datagram  to  the  destination.
  1264. Major communications centers often have gateways that connect a number
  1265. of different  networks.    (In  many  cases,  special-purpose  gateway
  1266. systems provide better performance or reliability than general-purpose
  1267. systems acting as gateways.  A number of vendors sell such systems.)
  1268.  
  1269. Routing in IP is  based  entirely  upon  the  network  number  of  the
  1270. destination  address.    Each computer has a table of network numbers.
  1271. For each network number, a gateway is listed.  This is the gateway  to
  1272. be used to get to that network.  Note that the gateway doesn't have to
  1273. connect directly to the network.  It just has to be the best place  to
  1274. go  to  get there.  For example at Rutgers, our interface to NSFnet is
  1275. at the John von Neuman Supercomputer Center (JvNC). Our connection  to
  1276. JvNC  is  via  a  high-speed  serial line connected to a gateway whose
  1277. address is 128.6.3.12.  Systems on net 128.6.3 will list 128.6.3.12 as
  1278. the  gateway  for  many  off-campus  networks.  However systems on net
  1279. 128.6.4 will list 128.6.4.1 as the gateway to  those  same  off-campus
  1280. networks.    128.6.4.1  is  the  gateway  between networks 128.6.4 and
  1281. 128.6.3, so it is the first step in getting to JvNC.
  1282.  
  1283. When a computer wants to send a datagram, it first checks  to  see  if
  1284. the  destination address is on the system's own local network.  If so,
  1285. the datagram can be sent directly.  Otherwise, the system  expects  to
  1286. find an entry for the network that the destination address is on.  The
  1287. datagram is sent to the gateway listed in that entry.  This table  can
  1288. get quite big.  For example, the Internet now includes several hundred
  1289. individual networks.  Thus various strategies have been  developed  to
  1290. reduce  the size of the routing table.  One strategy is to depend upon
  1291. "default routes".  Often, there is only one gateway out of a  network.
  1292.                                   20
  1293.  
  1294.  
  1295.  
  1296. This  gateway might connect a local Ethernet to a campus-wide backbone
  1297. network.  In that case, we don't need to have  a  separate  entry  for
  1298. every  network  in  the  world.    We  simply define that gateway as a
  1299. "default".  When no specific  route  is  found  for  a  datagram,  the
  1300. datagram  is  sent to the default gateway.  A default gateway can even
  1301. be used when there are several gateways  on  a  network.    There  are
  1302. provisions  for  gateways  to  send a message saying "I'm not the best
  1303. gateway -- use this one instead."  (The message is sent via ICMP.  See
  1304. RFC  792.)  Most network software is designed to use these messages to
  1305. add entries to their routing tables.  Suppose network 128.6.4 has  two
  1306. gateways, 128.6.4.59 and 128.6.4.1.  128.6.4.59 leads to several other
  1307. internal Rutgers networks.  128.6.4.1 leads indirectly to the  NSFnet.
  1308. Suppose  we  set  128.6.4.59  as  a default gateway, and have no other
  1309. routing table entries.  Now what  happens  when  we  need  to  send  a
  1310. datagram  to  MIT?    MIT  is  network 18.  Since we have no entry for
  1311. network 18, the datagram will be sent to the default, 128.6.4.59.   As
  1312. it  happens,  this  gateway  is the wrong one.  So it will forward the
  1313. datagram to 128.6.4.1.  But it will also send back an error saying  in
  1314. effect: "to get to network 18, use 128.6.4.1".  Our software will then
  1315. add an entry to the routing table.  Any future datagrams to  MIT  will
  1316. then  go  directly to 128.6.4.1.  (The error message is sent using the
  1317. ICMP protocol.  The message type is called "ICMP redirect.")
  1318.  
  1319. Most IP experts recommend that individual computers should not try  to
  1320. keep  track  of  the  entire network.  Instead, they should start with
  1321. default gateways, and let the gateways tell them the routes,  as  just
  1322. described.   However this doesn't say how the gateways should find out
  1323. about the routes.  The gateways can't depend upon this strategy.  They
  1324. have  to  have fairly complete routing tables.  For this, some sort of
  1325. routing protocol is needed.  A routing protocol is simply a  technique
  1326. for  the  gateways  to  find each other, and keep up to date about the
  1327. best way to get to every network.   RFC  1009  contains  a  review  of
  1328. gateway  design  and  routing.    However rip.doc is probably a better
  1329. introduction to the subject.  It contains some tutorial material,  and
  1330. a detailed description of the most commonly-used routing protocol.
  1331.  
  1332.  
  1333.  
  1334. 7. Details about Internet addresses: subnets and broadcasting
  1335.  
  1336.  
  1337. As  indicated earlier, Internet addresses are 32-bit numbers, normally
  1338. written as 4 octets (in decimal), e.g. 128.6.4.7.  There are  actually
  1339. 3  different types of address.  The problem is that the address has to
  1340. indicate both the network and the host within the  network.    It  was
  1341. felt  that  eventually  there would be lots of networks.  Many of them
  1342. would be small, but probably 24 bits would be needed to represent  all
  1343. the  IP  networks.  It was also felt that some very big networks might
  1344. need 24 bits to represent all of their hosts.  This would seem to lead
  1345. to  48  bit  addresses.  But the designers really wanted to use 32 bit
  1346. addresses.  So they adopted a kludge.  The assumption is that most  of
  1347. the  networks will be small.  So they set up three different ranges of
  1348. address.  Addresses beginning with 1 to 126 use only the  first  octet
  1349. for  the network number.  The other three octets are available for the
  1350. host number.  Thus 24 bits are available for hosts.  These numbers are
  1351.                                   21
  1352.  
  1353.  
  1354.  
  1355. used  for large networks.  But there can only be 126 of these very big
  1356. networks.  The Arpanet is one, and there are a  few  large  commercial
  1357. networks.    But  few  normal organizations get one of these "class A"
  1358. addresses.  For normal large organizations, "class  B"  addresses  are
  1359. used.    Class  B  addresses  use the first two octets for the network
  1360. number.  Thus network numbers are 128.1 through 191.254.  (We avoid  0
  1361. and  255,  for  reasons  that  we  see below.  We also avoid addresses
  1362. beginning with 127, because that is used by some systems  for  special
  1363. purposes.)    The  last  two  octets  are available for host addesses,
  1364. giving 16 bits of host address.   This  allows  for  64516  computers,
  1365. which should be enough for most organizations.  (It is possible to get
  1366. more than one class B address, if you run  out.)    Finally,  class  C
  1367. addresses  use  three  octets,  in  the  range 192.1.1 to 223.254.254.
  1368. These allow only 254 hosts on each network, but there can be  lots  of
  1369. these  networks.   Addresses above 223 are reserved for future use, as
  1370. class D and E (which are currently not defined).
  1371.  
  1372. Many large organizations find it convenient to  divide  their  network
  1373. number into "subnets".  For example, Rutgers has been assigned a class
  1374. B address, 128.6.  We find it convenient to use the third octet of the
  1375. address to indicate which Ethernet a host is on.  This division has no
  1376. significance outside of Rutgers.  A computer  at  another  institution
  1377. would treat all datagrams addressed to 128.6 the same way.  They would
  1378. not look at the third octet of the address.   Thus  computers  outside
  1379. Rutgers  would  not have different routes for 128.6.4 or 128.6.5.  But
  1380. inside Rutgers, we treat 128.6.4 and 128.6.5 as separate networks.  In
  1381. effect, gateways inside Rutgers have separate entries for each Rutgers
  1382. subnet, whereas gateways outside  Rutgers  just  have  one  entry  for
  1383. 128.6.  Note  that  we  could  do  exactly  the  same thing by using a
  1384. separate class C address for each Ethernet.   As  far  as  Rutgers  is
  1385. concerned,  it  would be just as convenient for us to have a number of
  1386. class C addresses.  However using class C addresses would make  things
  1387. inconvenient for the rest of the world.  Every institution that wanted
  1388. to talk to us would have to have a separate entry for each one of  our
  1389. networks.   If every institution did this, there would be far too many
  1390. networks for any reasonable gateway to keep track of.  By  subdividing
  1391. a  class B network, we hide our internal structure from everyone else,
  1392. and  save  them  trouble.    This  subnet  strategy  requires  special
  1393. provisions in the network software.  It is described in RFC 950.
  1394.  
  1395. 0  and  255  have  special  meanings.  0 is reserved for machines that
  1396. don't know their address.  In certain circumstances it is possible for
  1397. a  machine not to know the number of the network it is on, or even its
  1398. own host address.  For example, 0.0.0.23 would be a machine that  knew
  1399. it was host number 23, but didn't know on what network.
  1400.  
  1401. 255  is  used for "broadcast".  A broadcast is a message that you want
  1402. every system on the network to see.    Broadcasts  are  used  in  some
  1403. situations  where you don't know who to talk to.  For example, suppose
  1404. you need to look  up  a  host  name  and  get  its  Internet  address.
  1405. Sometimes  you  don't know the address of the nearest name server.  In
  1406. that case, you might send the request as a broadcast.  There are  also
  1407. cases  where a number of systems are interested in information.  It is
  1408. then less expensive to send a single broadcast than to send  datagrams
  1409. individually  to  each host that is interested in the information.  In
  1410.                                   22
  1411.  
  1412.  
  1413.  
  1414. order to send a broadcast, you use an address that is  made  by  using
  1415. your  network  address, with all ones in the part of the address where
  1416. the host number goes.  For example, if you are on network 128.6.4, you
  1417. would   use   128.6.4.255  for  broadcasts.    How  this  is  actually
  1418. implemented depends upon the medium.   It  is  not  possible  to  send
  1419. broadcasts  on the Arpanet, or on point to point lines.  However it is
  1420. possible on an Ethernet.  If you use an Ethernet address with all  its
  1421. bits  on (all ones), every machine on the Ethernet is supposed to look
  1422. at that datagram.
  1423.  
  1424. Although the official broadcast address for  network  128.6.4  is  now
  1425. 128.6.4.255,  there  are  some  other addresses that may be treated as
  1426. broadcasts by certain implementations.  For convenience, the  standard
  1427. also  allows  255.255.255.255 to be used.  This refers to all hosts on
  1428. the local network.  It is often simpler to use 255.255.255.255 instead
  1429. of  finding out the network number for the local network and forming a
  1430. broadcast address such as 128.6.4.255.   In  addition,  certain  older
  1431. implementations  may  use  0  instead  of  255  to  form the broadcast
  1432. address.    Such  implementations  would  use  128.6.4.0  instead   of
  1433. 128.6.4.255  as  the  broadcast  address on network 128.6.4.  Finally,
  1434. certain older implementations may not understand about subnets.   Thus
  1435. they consider the network number to be 128.6.  In that case, they will
  1436. assume a broadcast address  of  128.6.255.255  or  128.6.0.0.    Until
  1437. support  for  broadcasts is implemented properly, it can be a somewhat
  1438. dangerous feature to use.
  1439.  
  1440. Because 0 and 255 are used for unknown and broadcast addresses, normal
  1441. hosts  should never be given addresses containing 0 or 255.  Addresses
  1442. should never begin with 0, 127, or any number above  223.    Addresses
  1443. violating these rules are sometimes referred to as "Martians", because
  1444. of rumors that the Central University of Mars is using network 225.
  1445.  
  1446.  
  1447.  
  1448. 8. Datagram fragmentation and reassembly
  1449.  
  1450.  
  1451. TCP/IP is designed for use  with  many  different  kinds  of  network.
  1452. Unfortunately,  network  designers  do not agree about how big packets
  1453. can be.  Ethernet packets can be 1500 octets long.    Arpanet  packets
  1454. have  a  maximum  of around 1000 octets.  Some very fast networks have
  1455. much larger packet sizes.  At first, you might think  that  IP  should
  1456. simply  settle  on  the  smallest  possible size.  Unfortunately, this
  1457. would cause serious performance problems.    When  transferring  large
  1458. files, big packets are far more efficient than small ones.  So we want
  1459. to be able to use the largest packet size possible.  But we also  want
  1460. to  be  able  to  handle  networks  with  small limits.  There are two
  1461. provisions for this.  First, TCP has the ability to "negotiate"  about
  1462. datagram  size.  When a TCP connection first opens, both ends can send
  1463. the maximum datagram size they can  handle.    The  smaller  of  these
  1464. numbers  is  used  for  the  rest  of the connection.  This allows two
  1465. implementations that can handle big datagrams to use  them,  but  also
  1466. lets  them  talk  to  implementations that can't handle them.  However
  1467. this doesn't completely solve the problem.  The most  serious  problem
  1468. is  that the two ends don't necessarily know about all of the steps in
  1469.                                   23
  1470.  
  1471.  
  1472.  
  1473. between.  For example, when sending data between Rutgers and Berkeley,
  1474. it is likely that both computers will be on Ethernets.  Thus they will
  1475. both  be  prepared  to  handle  1500-octet  datagrams.    However  the
  1476. connection will at some point end up going over the Arpanet.  It can't
  1477. handle packets of that size.  For this reason, there are provisions to
  1478. split   datagrams   up   into   pieces.    (This  is  referred  to  as
  1479. "fragmentation".)  The IP header  contains  fields  indicating  the  a
  1480. datagram  has  been split, and enough information to let the pieces be
  1481. put back together.  If a gateway connects an Ethernet to the  Arpanet,
  1482. it must be prepared to take 1500-octet Ethernet packets and split them
  1483. into pieces that will fit on the Arpanet.    Furthermore,  every  host
  1484. implementation  of  TCP/IP  must  be prepared to accept pieces and put
  1485. them back together.  This is referred to as "reassembly".
  1486.  
  1487. TCP/IP implementations differ in the approach they take to deciding on
  1488. datagram  size.    It  is  fairly  common  for  implementations to use
  1489. 576-byte datagrams whenever they can't verify that the entire path  is
  1490. able  to  handle larger packets.  This rather conservative strategy is
  1491. used because of the number of implementations with bugs in the code to
  1492. reassemble  fragments.    Implementors  often try to avoid ever having
  1493. fragmentation occur.  Different implementors take different approaches
  1494. to  deciding  when  it  is safe to use large datagrams.  Some use them
  1495. only for the local network.  Others will use them for any  network  on
  1496. the   same   campus.    576  bytes  is  a  "safe"  size,  which  every
  1497. implementation must support.
  1498.  
  1499.  
  1500.  
  1501. 9. Ethernet encapsulation: ARP
  1502.  
  1503.  
  1504. There was a brief discussion earlier about what IP datagrams look like
  1505. on  an  Ethernet.    The  discussion  showed  the  Ethernet header and
  1506. checksum.  However it left one hole: It didn't say how to  figure  out
  1507. what Ethernet address to use when you want to talk to a given Internet
  1508. address.  In fact, there is a separate protocol for this,  called  ARP
  1509. ("address  resolution protocol").  (Note by the way that ARP is not an
  1510. IP protocol.  That is, the ARP datagrams  do  not  have  IP  headers.)
  1511. Suppose  you  are  on  system  128.6.4.194  and you want to connect to
  1512. system 128.6.4.7.  Your system will first verify that 128.6.4.7 is  on
  1513. the  same network, so it can talk directly via Ethernet.  Then it will
  1514. look up 128.6.4.7 in its ARP table, to see if  it  already  knows  the
  1515. Ethernet  address.    If  so, it will stick on an Ethernet header, and
  1516. send the packet.  But suppose this system is not  in  the  ARP  table.
  1517. There  is  no  way  to  send the packet, because you need the Ethernet
  1518. address.  So it  uses  the  ARP  protocol  to  send  an  ARP  request.
  1519. Essentially  an  ARP  request  says  "I  need the Ethernet address for
  1520. 128.6.4.7".  Every system listens to ARP requests.  When a system sees
  1521. an  ARP  request  for itself, it is required to respond.  So 128.6.4.7
  1522. will see the request, and will respond with an  ARP  reply  saying  in
  1523. effect "128.6.4.7 is 8:0:20:1:56:34".  (Recall that Ethernet addresses
  1524. are 48 bits.  This is 6 octets.  Ethernet addresses are conventionally
  1525. shown  in  hex,  using  the punctuation shown.)  Your system will save
  1526. this information in its ARP table, so future packets will go directly.
  1527. Most  systems  treat the ARP table as a cache, and clear entries in it
  1528.                                   24
  1529.  
  1530.  
  1531.  
  1532. if they have not been used in a certain period of time.
  1533.  
  1534. Note by the way that ARP requests must be sent as "broadcasts".  There
  1535. is  no  way  that  an  ARP  request  can be sent directly to the right
  1536. system.  After all, the whole reason for sending  an  ARP  request  is
  1537. that  you  don't know the Ethernet address.  So an Ethernet address of
  1538. all ones is  used,  i.e.  ff:ff:ff:ff:ff:ff.    By  convention,  every
  1539. machine  on  the Ethernet is required to pay attention to packets with
  1540. this as an address.  So every system sees every ARP  requests.    They
  1541. all  look to see whether the request is for their own address.  If so,
  1542. they respond.  If not, they could just ignore it.   (Some  hosts  will
  1543. use  ARP  requests  to update their knowledge about other hosts on the
  1544. network, even if the request isn't for them.)  Note that packets whose
  1545. IP  address  indicates broadcast (e.g. 255.255.255.255 or 128.6.4.255)
  1546. are also sent with an Ethernet address that is all ones.
  1547.  
  1548.  
  1549.  
  1550. 10. Getting more information
  1551.  
  1552.  
  1553. This directory contains  documents  describing  the  major  protocols.
  1554. There  are literally hundreds of documents, so we have chosen the ones
  1555. that seem most important.  Internet standards are called RFC's.    RFC
  1556. stands  for  Request  for  Comment.   A proposed standard is initially
  1557. issued as a proposal, and given an RFC number.   When  it  is  finally
  1558. accepted,  it is added to Official Internet Protocols, but it is still
  1559. referred to by the RFC number.   We  have  also  included  two  IEN's.
  1560. (IEN's  used  to  be  a  separate  classification  for  more  informal
  1561. documents.  This classification no longer exists -- RFC's are now used
  1562. for  all  official  Internet documents, and a mailing list is used for
  1563. more informal reports.)  The convention is that  whenever  an  RFC  is
  1564. revised, the revised version gets a new number.  This is fine for most
  1565. purposes, but it causes problems with two documents: Assigned  Numbers
  1566. and  Official  Internet  Protocols.  These documents are being revised
  1567. all the time, so the RFC number keeps changing.  You will have to look
  1568. in rfc-index.txt to find the number of the latest edition.  Anyone who
  1569. is seriously interested in TCP/IP should read the  RFC  describing  IP
  1570. (791).    RFC 1009 is also useful.  It is a specification for gateways
  1571. to be used by NSFnet.  As such, it contains an overview of  a  lot  of
  1572. the  TCP/IP technology.  You should probably also read the description
  1573. of at least one of the application protocols, just to get a  feel  for
  1574. the  way  things  work.    Mail is probably a good one (821/822).  TCP
  1575. (793) is of course a very basic specification.  However  the  spec  is
  1576. fairly  complex,  so  you should only read this when you have the time
  1577. and patience to think about it carefully.  Fortunately, the author  of
  1578. the  major  RFC's  (Jon Postel) is a very good writer.  The TCP RFC is
  1579. far easier to read than you would expect, given the complexity of what
  1580. it  is  describing.    You  can  look at the other RFC's as you become
  1581. curious about their subject matter.
  1582.  
  1583. Here is a list of the documents you are more likely to want:
  1584.  
  1585.      rfc-index list of all RFC's
  1586.  
  1587.                                   25
  1588.  
  1589.  
  1590.  
  1591.      rfc1012   somewhat fuller list of all RFC's
  1592.  
  1593.      rfc1011   Official Protocols.  It's useful to scan  this  to  see
  1594.                what tasks protocols have been built for.  This defines
  1595.                which  RFC's  are  actual  standards,  as  opposed   to
  1596.                requests for comments.
  1597.  
  1598.      rfc1010   Assigned  Numbers.  If you are working with TCP/IP, you
  1599.                will probably want a hardcopy of this as  a  reference.
  1600.                It's  not  very  exciting  to  read.   It lists all the
  1601.                offically defined well-known ports and  lots  of  other
  1602.                things.
  1603.  
  1604.      rfc1009   NSFnet  gateway  specifications.  A good overview of IP
  1605.                routing and gateway technology.
  1606.  
  1607.      rfc1001/2 netBIOS: networking for PC's
  1608.  
  1609.      rfc973    update on domains
  1610.  
  1611.      rfc959    FTP (file transfer)
  1612.  
  1613.      rfc950    subnets
  1614.  
  1615.      rfc937    POP2: protocol for reading mail on PC's
  1616.  
  1617.      rfc894    how IP is to be put on Ethernet, see also rfc825
  1618.  
  1619.      rfc882/3  domains (the database used to go  from  host  names  to
  1620.                Internet  address  and back -- also used to handle UUCP
  1621.                these days).  See also rfc973
  1622.  
  1623.      rfc854/5  telnet - protocol for remote logins
  1624.  
  1625.      rfc826    ARP - protocol for finding out Ethernet addresses
  1626.  
  1627.      rfc821/2  mail
  1628.  
  1629.      rfc814    names and ports - general  concepts  behind  well-known
  1630.                ports
  1631.  
  1632.      rfc793    TCP
  1633.  
  1634.      rfc792    ICMP
  1635.  
  1636.      rfc791    IP
  1637.  
  1638.      rfc768    UDP
  1639.  
  1640.      rip.doc   details of the most commonly-used routing protocol
  1641.  
  1642.      ien-116   old  name  server  (still  needed  by  several kinds of
  1643.                system)
  1644.  
  1645.      ien-48    the  Catenet  model,   general   description   of   the
  1646.                                   26
  1647.  
  1648.  
  1649.  
  1650.                philosophy behind TCP/IP 
  1651.  
  1652. The following documents are somewhat more specialized.
  1653.  
  1654.      rfc813    window and acknowledgement strategies in TCP
  1655.  
  1656.      rfc815    datagram reassembly techniques
  1657.  
  1658.      rfc816    fault isolation and resolution techniques
  1659.  
  1660.      rfc817    modularity and efficiency in implementation
  1661.  
  1662.      rfc879    the maximum segment size option in TCP
  1663.  
  1664.      rfc896    congestion control
  1665.  
  1666.      rfc827,888,904,975,985
  1667.                EGP and related issues 
  1668.  
  1669. To those of you who may be reading this document remotely  instead  of
  1670. at  Rutgers:  The  most  important  RFC's  have  been collected into a
  1671. three-volume set, the DDN Protocol Handbook.  It is available from the
  1672. DDN  Network  Information  Center,  SRI  International, 333 Ravenswood
  1673. Avenue, Menlo Park, California 94025 (telephone: 800-235-3155).    You
  1674. should  be able to get them via anonymous FTP from sri-nic.arpa.  File
  1675. names are:  
  1676.  
  1677.   RFC's:
  1678.     rfc:rfc-index.txt
  1679.     rfc:rfcxxx.txt
  1680.   IEN's:
  1681.     ien:ien-index.txt
  1682.     ien:ien-xxx.txt
  1683.  
  1684. rip.doc is available  by  anonymous  FTP  from  topaz.rutgers.edu,  as
  1685. /pub/tcp-ip-docs/rip.doc.
  1686.  
  1687. Sites with access to UUCP but not FTP may be able to retreive them via
  1688. UUCP from UUCP host rutgers.  The file names would be 
  1689.  
  1690.   RFC's:
  1691.     /topaz/pub/pub/tcp-ip-docs/rfc-index.txt
  1692.     /topaz/pub/pub/tcp-ip-docs/rfcxxx.txt
  1693.   IEN's:
  1694.     /topaz/pub/pub/tcp-ip-docs/ien-index.txt
  1695.     /topaz/pub/pub/tcp-ip-docs/ien-xxx.txt
  1696.   /topaz/pub/pub/tcp-ip-docs/rip.doc
  1697.  
  1698. Note that SRI-NIC has the entire set of RFC's and IEN's,  but  rutgers
  1699. and topaz have only those specifically mentioned above.
  1700.  
  1701.  
  1702.  
  1703.  
  1704.  
  1705.                                   27
  1706.  
  1707.