1 Preface

1.1 Notes

• This document is subject to change for the purposes of clarification.  Changes made since the original release will be highlighted in red.

• Please post any questions on the course Ed stem page.

1.2 Revision History

• 4 May, 2023: Version 1.0 Released.

• 12 May, 2023: Version 1.1 - Fixed typos and a few clarifications.

•  19 May, 2023: Version 1.2 - Fixed some minor inconsistencies between spec and testing suite.

2 Part A: Problem Solving Questions

This section is worth 30% of the assignment.

The question set is located on Blackboard under Assessment  =⇒ Assignment 2  =⇒ Part A: Problem solving questions.

There is no time limit to submit these answers. Due to the widespread brute-forcing of answers on the previ- ous assignment, only two resubmissions are permitted but working is not required. Only the last submitted attempt will be marked.

3 Part B: Wireshark Questions

This section is worth 15% of the assignment.

This section covers DHCP, IP, DNS and ARP.

The question set is located on Blackboard under Assessment  =⇒  Assignment 2  =⇒  Part B: Wireshark questions and the capture file is located under Assessment  =⇒ Assignment 2  =⇒ Part B: Packet capture File.

There is no time limit to submit these answers.  For the same reasons as specified within part A, only two resubmissions are permitted. Only the last submitted attempt will be marked.

4 Part C: Socket Programming

This section is worth 55% of the assignment.

4.1 Goals

You will implement a simulation of a network router in the application layer in Python 3 or C. This will operate as part of a larger communication system named RUSHB.

This system has a strong emphasis on transmitting data using structured packets, address allocation and efficient routing algorithms.

4.2 Programs

RUSHB is comprised of two main programs: RUSHBAdapter and RUSHBSwitch. From here onwards, RUSH- BAdapter processes are referred to as adapters and RUSHBSwitch processes are referred to as switches.      Adapters accept input from stdin and transmit this to one corresponding switch over UDP.

Switches can take three forms: local, global and mixed. Local switches open a listening socket on UDP to serve adapters and can connect to global and mixed switches over TCP. Global switches open a listening socket on TCP to service incoming connections with other switches, and can also create outgoing connections to other global/mixed switches. Mixed RUSHBSwitch processes open a listening socket on both UDP and TCP for serv- ing incoming connections from adapters and global/mixed switches respectively, and can also create outgoing connections to other global/mixed switches. This is illustrated in the diagram below:

Code for the RUSHBAdapter is provided, and you do not need to create it yourself. You are required to imple- ment the RUSHBSwitch only.

All adapter and switch processes maintain a virtual IP address used to distinguish each other apart. Adapters and local switches will maintain virtual local IP addresses and global switches will maintain virtual global IP addresses. Mixed switches will maintain a virtual local IP for their local side (facing adapters only) and a virtual global IP (facing other switches only). It is important to note that these addresses are virtual and are not indicative of their real IP addresses. All processes will be run on Moss.

4.3 Packet Structure

All communications to and from adapters and switches follow the required packet structure detailed below:

Mode	Value
Discovery	0x01
Offer	0x02
Request	0x03
Acknowledge	0x04
Data	0x05
Query	0x06
Ready	0x07
Location	0x08
Distance	0x09
More Fragments	0x0A
Last Fragment	0x0B

Bit	0	8	16	24
	Source IP
	Destination IP
	Offset			Mode
	Data

Every packet contains Source IP, Destination IP, Mode, Offset and Data fields. The value in the Mode field is dependent on the packet type. The use cases of each packet type will be detailed in coming sections. The Data field is of variable length and can be omitted entirely in some situations.

4.4 RUSHBSwitch

4.4.1 High-Level Overview

The switch acts like a network router.  It can take three forms:  local, global and mixed.  Local switches open a listening socket on UDP to serve adapters and can create outgoing connections to global and mixed switches over TCP. Global switches open a listening port on TCP to service incoming connections with other switches, and can also create outgoing connections to other global/mixed switches over TCP. Mixed switches open listening sockets on both UDP and TCP for servicing incoming connections from adapters and switches respectively but cannot create outgoing connections to global/mixed switches. By connecting adapters to local and mixed switches, we can simulate a local area network, and by connecting global and mixed switches, we can simulate large scale wide area networks with geographical proximity.

Switches use virtual IP addresses to identify themselves. Local and global switches have one IP address and mixed switches have two IP addresses; one for their local UDP side and one for their global (TCP) side.

4.4.2 Invocation

The switch takes the following commandline arguments in order:

• Its type (local/global)

• Its IP address(es) with CIDR notation

• Its latitude

• Its longitude

where the latitude and longitude are positive nonnegative integers no greater than 32767.

The below commands are used to start a local switch:

$   python3   RUSHBSwitch . py   local   ip _ address / cidr   latitude   longitude

$   . / RUSHBSwitch   local   ip _ address / cidr   latitude   longitude

for example:

$   . / RUSHBSwitch   local   1 9 2 . 1 6 8 . 0 . 1 / 2 4   50   20

The below commands are used to start a mixed switch:

$   python3   RUSHBSwitch . py   local   l o c a l _ i p _ a d d r e s s / cidr   g l o b a l _ i p _ a d d r e s s / cidr   latitude   longitude $   . / RUSHBSwitch   local   l o c a l _ i p _ a d d r e s s / cidr   g l o b a l _ i p _ a d d r e s s / cidr   latitude   longitude

for example:

$   . / RUSHBSwitch   local   1 9 2 . 1 6 8 . 0 . 1 / 2 4   1 3 0 . 1 0 2 . 7 2 . 1 0 / 2 4   50   20

The below commands are used to start a global switch:

$   python3   RUSHBSwitch . py   global   ip _ address / cidr   latitude   longitude

$   . / RUSHBSwitch   global   ip _ address / cidr   latitude   longitude

for example:

$   . / RUSHBSwitch   global   1 3 0 . 1 0 2 . 7 2 . 1 0 / 2 4   50   20

If the incorrect number of arguments are given, or any argument is invalid in any way, the switch will exit immediately.

As soon as the switch process starts it should open the necessary TCP and UDP ports.  The ephemeral port

should always be used, and the port assigned by the kernel should be immediately displayed to stdout on its own line. Mixed switches should display their UDP port first.

4.4.3 Commandline Interface

After opening the required ports, local and global (but not mixed) switches will be able to create outgoing

connections to other switches. This is done by typing the below command into stdin:

connect   < port >

where  is the TCP port of the global/mixed switch to connect to.

If any arguments are missing or invalid, the switch will ignore the command and reprompt the user.

Mixed switches do not accept this command. They should still accept input from stdin but should never do anything with it.

4.4.4 Greeting Protocol

If the switch is able to connect to the port given in the connect command, it (referred to as the client switch) will engage in the Greeting Protocol with the switch it connected to (referred to as the host switch). In the context of the Greeting Protocol, the Data field is always 4B long and is referred to as the Assigned IP field. The protocol works as follows:

• The client switch sends the host switch a Discovery packet (Mode = 0x01). The Source IP, Destination IP, Assigned IP and Offset fields are left at 0.

• The host switch sends the client switch an Offer packet (Mode = 0x02). The Source IP field is set to the global IP of the host switch and the Assigned IP field is set to the IP address the host switch wishes to allocate to the client (further details in Section 4.4.6). The Destination IP and Offset fields should still remain as 0.

• The client switch sends the host switch a Request packet (Mode = 0x03). The Source IP and Offset fields are set to 0. The Destination IP address is set to the global IP of the host switch and the Assigned IP field is set to the IP offered by the host switch in the previous step.

• The host switch sends the client switch an Acknowledgment packet (Mode = 0x04). The Source IP field is set to the global IP of the host switch.  The Destination IP and Assigned IP fields are set to the IP offered by the host switch. The Offset field is set to 0.

4.4.5 Connection with Adapters

Adapters will connect to local/mixed switches over UDP upon startup.  The exact same protocol as above is followed, except that the client switch is replaced by an adapter and the host switch’s local IP address is used

in the relevant address fields and in calculating the IP address to allocate to the adapter. These processes are illustrated in the below timing diagram:

N.B.: Client switches and adapters will always accept the offered address from the host switch. If the host switch cannot allocate an IP address to the adapter/client switch, it will not respond to the initial Discovery packet. In this case, and in any other case where a packet is lost, the Greeting Protocol will not progress past the initial Discovery packet. Client switches will not be connected to the host switch and adapters will hang indefinitely.

Below are depicted some example packets you might see as part of a Greeting Protocol:

0.0.0.0
0.0.0.0
0x000000	0x01
0.0.0.0

Discovery

130.102.72.1
0.0.0.0
0x000000	0x02
130.102.72.8

Offer

0.0.0.0
130.102.72.1
0x000000	0x03
130.102.72.8

Request

130.102.72.1
130.102.72.8
0x000000	0x04
130.102.72.8

Acknowledge

4.4.6 IP Address Allocation

The IP address allocated to the adapter/client switch by the host switch during the Greeting protocol is calcu- lated in accordance with RFCs 1518 and 1519. The host switch will pick the smallest available IP to allocate to each incoming connection. For example, if an adapter were to connect to a mixed switch with the local IP 192.168.0.1/24 and that switch already had two other adapters connected to it, then this new adapter would be allocated the IP address 192.168.0.4 (as the first two adapters take 192.168.0.2 and 192.168.0.3 respec- tively). Similarly, if a global switch were to connect to a mixed switch with the global IP 130.102.72.01/24 and that switch already had seven other switches connected to it, then this new switch would be allocated the IP address 130.102.72.8. Both of these switches can support a maximum of 254 connections due to its CIDR of 24. If all connections are taken, then the switch will stop responding to incoming connections.

4.4.7 Location Exchange

As soon as the Greeting Protocol is finished, the client switch will send the host switch a Location packet (Mode = 0x08). The Source IP field will be the allocated IP address of the client switch; the Destination IP field will be the global IP address of the host switch and the Offset field will be 0.  The first two bytes of

the Data field will be the latitude of the client switch and the second two bytes of the Data field will be the longitude of the switch. The Data field must be four bytes long.

The host switch will then reply to the client with a Location packet.  The Source IP field will contain the global IP address of the host switch; the Destination IP field will contain the allocated IP address of the client switch and the Offset field will be 0.  The first two bytes of the Data field will contain the latitude of the host switch and the second two bytes of the Data field will contain the longitude of the host switch. Again, the Data field must be four bytes long.

Below are depicted two packets you may see as part of a location exchange:

130.102.72.8
130.102.78.1
0x000000		0x08
0x04D2	0x11D7

Latitude 1234 Longitude 4567

130.102.78.1
130.102.78.8
0x000000		0x08
0x0539	0x01A4

Latitude 1337

Longitude 420

4.4.8 Distance Relaying

Whenever a switch receives a Location packet, it will inform all other neighbouring switches of the distance (rounded down) from the new switch to the respective neighbour on the path going through through the switch which received the location packet.

The switch will send a Distance packet (mode = 0x09) to every connected switch except that which sent it the Location packet.  The Source IP field will contain the IP address of the switch which received the Location packet; the Destination IP field will contain the global or assigned IP (whichever applicable) of the neigh- bour which the packet will be sent to and the Offset field will be 0.  The first four bytes of the Data field will contain the assigned IP of the switch which sent the Location packet and the second four bytes will con- tain the distance from the switch which sent the Location packet to the neighbouring switch specified in the Destination IP field. This distance is equal to the length of the shortest path from the switch specified in the Data field to the sending switch field plus the Euclidean distance between the sending and receiving switches.

Switches must maintain a record of the length of the shortest path to every other known IP Address (and hence switch) it has encountered either via distance mode packets or broadcast mode packets.  In this as- signment, although we do not explicitly test how you maintain records, it is possible to maintain records of multiple IP’s of the same switch.  When a switch receives a Distance packet, if the distance to the switch specified in the Data field is less than its current record, then that record will be updated to the new shortest distance. That switch will then also send a Distance packet to each neighbouring switch except those specified in the Source IP and Data fields. The Data field will contain the same target IP, but will contain the distance from the target IP to the respective neighbour (i.e. the original distance plus the distance to the respective neighbour).

In the case of a mixed switch, after the greeting protocols and location exchange, the mixed switch must send a distance packet with a target IP of it’s local UDP IP Address (Local IP) the newly connected switch. The distance field of the packet is the distance from the local switch to the new connected switch

If the distance specified in the packet is greater than or equal to the existing distance record, or if the distance is greater than 1000, the switch will do nothing.

Below is depicted a packet you might see as part of a distance relay after the location exchange depicted in the previous section:

130.102.72.1
130.102.78.2
0x000000	0x09
130.102.72.8
0x00001034

4.4.9 Data Forwarding

Data is sent from adapters to switches and other adapters in Data packets (Mode = 0x05).  Upon receiving a Data packet, the switch will have to forward it to other switches/adapters until it reaches the destination specified in the Destination IP field. These conditions must be followed when deciding which connection to forward the packet to:

• If the packet is intended for an adapter which the switch is connected to, it will forward the packet to that adapter.

• If the switch is aware of the existence destination IP address, it should forward the packet to whichever connection is on the shortest geographical path to the destination.

• If two or more neighbouring&nbs