Rechnerprojektierung

Transkript

1 Rechnerprojektierung Teil 1 Allgemeines: Klausur jedes Jahr inklusive Teil 1 und Teil 2 A Komponenten A 1. Grundlagen Netz 1 Netz 2 a b c d Rückblick /Überblick OSI Modell Schichten - Modell 7 Schichten (5Schichten TCP/IP) Standardisierung einer Kommunikation zwischen Rechnersystemen

2 Anwendung / Application Protokolle Anwendung / Application Darstellung / Presentation Software Darstellung / Presentation Sitzungsschicht / Session Sitzungsschicht / Session Transport / Application TCP Transport / Application Vermittlung / Network Sicherungs / Data Link Bit Übertraguns / Physical IP HW Dienst Vermittlung / Network Sicherungs / Data Link Bit Übertraguns / Physical Medium In der TCP/IP Welt: a b http, FTP. Anwendung / Application TCP / UDP Darstellung / Presentation IP Sitzungsschicht / Session Logical Link Control (LLC) Ethernet 802.3

3 Ethernet: Schicht 1 (Physikalische) und 2a MAC (Median Access Control) Adressierung im Netz: U V Netz 1 R Netz 2 a IP = A a R W X Netz Sourceadress c c IP = C C A U a 3 2 C A C x MAC Adresse ändert sich IP bleibt MAC Adresse - weltweit eindeutig - - unstrukturiert IP Adresse: - eindeutig - strukturiert vergeben (vom Admin vergeben auf unterster Ebene)

4 TR Ethernet 2 Arten von LANs - shared LAN 10 MBit/s Diese teilen sich die Leitung - switched LAN A. 2. Repeater, Hub, Sternkoppler - Kopplung von Systemen auf Schicht 1

5 a b IP 1 Physical 1 Physical 2 Physical 1 Physical 2 - Transparenz bezüglich der höheren Schichten (heißt die interessieren ihm nicht) - Frage: Kann man TokenRing und Ethernet über einen Repeater koppeln? Nein wegen 2a Schicht - Repeater verstärkt Signale - Umsetzung zwischen verschiedenen Medien

6 A. 3. Bridge - Kopplung auf Schicht 2 a b IP 1 Physical 1 Physical 2 Physical 1 Physical 2 - Typen: o Transparent Bridge (Standard im Ethernet) o Source Routing Bridge (Standard im Tokenring) o Lokal Bridge / Remote Bridge - Signal Verstärkung - Filtern von Datenverkehr (MAC Adresse) - Last Trennung!

7 Transparente Bridge - selbstlernend (plug and play) A B BR Port 1 Adr. Physical MAC Port A 1 Time Port 2 C 2 C D - Lern Algorithmus - Weiterleitungs Algorithmus Schleife? A B BR BR C D Abhilfe Spanning Tree!

8 Spannung Tree (ST) - Schleifenfreie Topologie - Baumartige Topologie - Redundante Brücken gehen in Standby Modus - Spezielles Protokoll zum Austausch der ST Info Lernalgorithmus Source in Tabelle nein ja Source und Port in Tabelle eintragen Timer neu setzen Ende

9 Weiterleitungsalgorithmus: Frame an Port x nein Dest in Tabelle ja Richtig = port x ja nein Frame vernichten Frame weitertransport Transparent Bridge Ethernet Verantwortung für die Wegefindung Bridge

10 Source Routing Bridge Token Ring Verantwortung für Wegefindung Sender (Source) Tab Rechner A Brücken haben eindeutigen Indikator TR 1 TR 3 2 TR TR 4 B - Explorer - Frames werden vom Sender ausgesendet - Empfänger sendet Message zurück - Brücken füllen RIF (Routing Info Field) im TR Header Lokale /Remote Bridge Lokale LAN 1 BR LAN 2 a b c d

11 Remote Eventuell Protokollkonvertierung encapsulation / decapsulation LAN 1 BR BR LAN 2 a b c d - Verbindung von LANs an unterschiedlichen Standorten - Remote Bridges immer paarweise eingesetzt - Verbindung über LWL Kabel öffentlicher Provider, Festverbindung oder Wählleitung Transparente Bridge 4000 Byte 1500 Byte

12 2 a MAC TR Physical 1 Physical 2 E Was muss angepasst werden? - keine Adress Konvertierung (MAC) - Frame Länge? TR E TR E bei max. TR Frame Länge: geht nicht! (Lösung: Fragmentierung auf Schicht 3 / MTU) E TR: kein Problem! - Zugriffsverfahren anpassen (Token CSMA/CD) - Puffer wegen: Verschiedene Geschwindigkeiten Gegebenenfalls Token abwarten A. 4 Router - Kopplung auf Schicht 3 - Arten: Bridging Routing Multiprotokoll Router Router zur LAN LAN Kopplung Router zur LAN WAN Kopplung

13 Bridging Router (BRouter) routbar Router Eingehendes Packet Analyse nicht routbar (keine klare Trennung der Schichten z.b. NetBios: 3-5 sind nicht trennbar Bridge TCP IPX, IP NetBios Router! Multiprotokoll Router - kann verschiedene Schicht 3 Protokolle routen, z.b. IPX, IP, Appeltalk, Frage:

14 R TCP IP TCP IPX IP Geht nicht da hier normalerweise SPX sein müsste Lösung: Gateway (A.S.) Nicht Klausur relevant IPX HTTP TCP IP SPX IPX - für jedes Protokoll eigene Routing Funktion und Routing Tabellen A.6 Switch / Switching Typen: o Cell Switch (ATM 53 Byte) / Frame Switch o Cut Trough / Store & Forward o Layer 2 Switch / Multilayer Switch Cut Trough - schon nach dem Einlesen der Ziel Adresse kann Wege Entscheidung getroffen werden - kein Zwischenspeichern des gesamten Frames - Vorteil: schnell - Nachteil: keine Fehlerfeststellung Store & Forward - Einlesen des gesamten Frames - Nachteil: langsam - Vorteil:

15 Überprüfung der Checksume Reduzierung von fehlerhaften Frames im Gesamtnetz C R C CT ST Layer 2 Switch - Weiterentwicklung der Bridge Hub Multiport Bridge A B C D A B C D Eine Verbindung Layer 2 Switch A B C D Mehrere Verbindungen

16 Switch Forwarding Engine Zwischen speichern Kollision Hub Problematik: Überlast Situation Lösung: Kollision S 2 X X X S 3 Hub X Multilayer Switching - Layer 2 Switch Mac Ebene - Layer 3 Switch IP Ebene Möglichst auf Ebene 2 (schneller) Möglichst keine Ebene 2 Broadcasts Zusätzlich IP Subnetze berücksichtigen

17 Normalerweise Hardware Bei Layer 3 Hardware - Layer 4 Switch Ports! Grundlage für QoS (Qality of Service) Z. B. (SAP (port x) wichtiger als http (port 80) QoS (Überblick) - Optimieren des Datenflusses im Unternehmen mit vorhandenen Ressourcen - Priorisierung von einzelnen Paketen z. B. über port Nr. - Überlast Situation: Algorithmen zur Festlegung des Umgangs mit Paketen Lösungsmöglichkeit: RED (Rendom Early Discard) d = drop probability 1 100% Auslastung Performance eines Switches - Latency: Verzögerung eines Paketes - Throughput: Gesamtdurchsatz (z.b. packets per sec)

18 Multimedia Anwendungen - Bei Sprache: Verzögernung < 100 ms VoIP: Verzögerung Packetloss (UDP) Jitter VoIP pakete typischerweise in 20 ms - Intervalen B1 Virtuelles LAN (VLAN) - Ebene 2 / ebene 3 (IP Subnetz) - Wozu? Abbildung von Organisationsstrukturen LAN 1 LAN 2 LAN 1 LAN 2 - Physikalisch ein Switch - Virtuell mehrere Gruppen VLANs Gruppenbildung auf MAC Ebene Standards: Q / 802.1p - VLAN Infos in 4 Byte Feld

19 CSMA/CD General Attribute Registration Protocol (GARP) (GVRP = GARP VLAN Registration Protocol) - Register / de- Register Eigenschaften in Switched LANs - Verteilung Info über Konfiguration - GARP Protocol Data Units ( Join, Leave, ) VLAN Hub LAN LAN 1 H LAN 2 Collisions Domain Collisionen gehen rüber Wenn man Hub dazwischen hat ist das eine Kollisionsdomäne (werden weitergegeben ins andere Netzwerk beim Hub)

20 Bridge LAN LAN 1 B LAN 2 Collisions Domain Nur Broadcasts gehen rüber Broadcast Domain Collisions Domain Router LAN LAN 1 R LAN 2 Collisions Domain Broadcast Domain Collisions Domain Nix geht rüber

21 Weiterentwicklung von Abbildung Bridge LAN: Switch VLAN 1 VLAN ID 3 2 GARP GMRP nachschauen join, leave, Kommt nächster dazu Entferne den

22 Einschub IP Multicasting Cascadierung von Switches VideoServer X X X Broadcast X sollen die Videos kriegen Unicast: jedes Mal muss ich verschicken damit die Teilnehmer das bekommen

23 Cascadierung von Switches VideoServer X X X Multicast: jeder der abonniert hat, bekommt das nur Zielsetzung des Multicastings - Verringerung der Netzlast - Reduzierung der Belastung des Senders Anwendungen - Video Verteilung - Content push / Distribution (Wetter, Börse, ) - Verteilung zentraler Datenbestände - Conferencing

24 Adressierung Schicht 2 und Schicht 3 RFC 1112 Video Server R R LAN R LAN X LAN X Router arbeitet auf Schicht 3 und im LAN spreche ich die Schicht 2 an.

25 Aufbau MAC Adresse blockiert Hersteller ID Laufende Nummer Oktets 1 Unicast / Multicast 2 Global oder lokal Wenn hier eine 1 dann nach Schema Hersteller ID und laufende Nummer Multicast Adr E nm nm nm 1 Hat 1 und 2 0 (IEEE Vorgabe) Aufbau IP Adresse - Klasse A xxx xxx xxx xxx - Klasse B xxx xxx xxx xxx - Klasse C xxx xxx xxx xxx Netzwerkadressen 255 Teilnehmer - Klasse D Multicast Problem IP Multicast Adresse 28 Bit MAC Multicast - Adresse 23 Bit Mapping Mehrdeutigkeit IGMP Internet Group Managment Protocol leave, join, DVMP Distance Vector Multicast Routing Protocol

26 MBONE Multicast Backbone - Multicast über IP Netzwerkverbund - Seit Durchgängig Mcast fähinge Router - DFN: alle Router Mcast fähig - Vorteil: keine MCU (Multipoint Control Unit) nötig B. 2. Virtual Private Network (VPN) Motivation: E Business Weltweitverteilte Standorte Klassischer Ansatz: z.b. remote Bridge LAN 1 LAN 2 a b c d Festverbindung Wählverbindung Nachteile: Vorteile: Großer Hardware Einsatz weil viele Bridges Kosten private Direktverbindung Feste Bandbreite

27 VPN Ansatz: Tunnel (virtuell) z.b. Internet LAN 1 LAN 2 LAN 3 Vorteil: Nachteile: Kostengünstiger Keine feste Bandbreite Verzögerung Sicherheit Problemfelder LAN 1? Wer? Identifizieren, Berechtigung

28 LAN 1? Mitlesen! Verschlüsselung LAN 1? Manipulieren! Datenintegrität Anforderungen an VPN - die 3 Problemfelder müssen berücksichtigt werden - Skalierbarkeit - Einfache Administrierbarkeit Definition Unter VPN versteht man ein Netz von logischen (virtuellen) Verbindungen über ein physikalisches Netz. Innerhalb des physikalischen Netzes können Informationsweg und Bandbreite dynamisch zugewiesen werden.

29 Zutaten: 1. Netzinfrastruktur a. IP-Netz (Internet) b. ATM c. Frame Relay d.. 2. Technologien / Mechanismen zur Gewährung der Sicherheit a. Verschlüsselung b. Authentifizierung c. Signatur Wo wird verschlüsselt /entschlüsselt? Generell sind 2. Lösungen LAN 1 LAN 2 End to end VPN - Verschlüsseln / entschlüsseln in den Endgerät

30 LAN 1 LAN 2 Side to side VPN - Verschlüsseln / entschlüsseln im Netzzugang Einsatz von Firewalls in VPN Vorsicht bei end to end: verschlüsselter Inhalt in FW? VPN mit IPSec (IP Security) Normales Packet Data TCP / UDP IP 2 IPSec Packet Data TCP / UDP ESP AUT IP 2 IPSec Aut: Authentifizierung

31 AUT Next Header Length Security Parameter Index Auth. Data Angaben über Key Welches Verfahren? Authentifizierungsalgorithmus k = key Text Chiffrat C kt Symmetrisches Verfahren Text Chiffrat T k -1 *C k -1 (geheimer Schlüssel k)

32 Ök Text Chiffrat C Ök *T Asymmetrisches Verfahren Ök Text Pk Chiffrat T Pk*C Ök = öffentlicher Key k k -1 Pk= privater Key Ök Pk Text Pk Chiffrat Nur Sender hat Pk Text Ök Chiffrat Alle haben Ök Authentifizierung

33 ESP: Encryption Security Payload ESP Security Parameter Index ESP Data Sagt wie Data verschlüsselt wurde Zutaten für VPN - Bestehende Netzwerkinfrastruktur (IP, Frame Relay, ATM, ) - Verfahren, die Sicherheit ermöglichen 1. Möglichkeit IPSec 2. Möglichkeit MPLS (MultiprotocolLabelSwitch) Symmetrische Algorithmen E k (M) = C D k (C) = M E k D k

34 Mit E: (Abbildungs -) Verfahren o encryption D: (Umgekehrtes) Verfahren o decryption K: Key M: Klartext C: Chiffrat Asymmetrische Algorithmen E k1 (M) = C D k2 (C) = M k1 k2 E k D k Private Key zum Entschlüsseln Public Key zum Verschlüsseln

35 MPLS (Multiprotocol Label Switching) MPLS LAN 1 LAN 2 LAN 3 Verfahren, das die Weiterleitung der Pakete nicht auf Basis von (IP -) Adressen durchführt, sondern dafür Label verwendet. MPLS Label Struktur 4 3 MPLS 2 Label Priorität Hierarchie TTL = Time to live 20 Bit 3 Bit 1 Bit 8 Bit

36 IP IP Forwarding MPLS LER LSR LSR LER Switching LER: Label Edge Router LSR: Label Switching Router D IP Adresse 40 LSR D IP Adresse Label Swap Table - Labels sind dynamisch (können sich also ändern) - Label Switch protocol Input Port Input Label Output Port Output Label Vorteile: - Schnell (Switching) - Sicher (festgelegter, kontrollierter Weg) - QoS fähig (Quality of Service)

37 Voraussetzung: - Alles MPLS fähige Router - Provider! SLA! (Service Level Agreements) muss mit Provider ausgehandelt werden B3 WLAN (Wireless Networks) Standards: WLAN b 11 Mbit/s 2,4 GHz (lizenzfrei) a 54 Mbit/s 5 GHz g >20 Mbit/s 2,4 GHz Hiperlan I Gefloppt Hiperlan II? Bluetooth WLAN und OSI Modell IP, x LLC MAC PHY Ethernet (CSMA/CD) oder Token Ring

38 Typische Konfiguration (Topologie) 1 BSS BSS 1 1 AP AP AP : Access Point BSS: Basic Service Set (Endgeräte innerhalb einer Zelle) Zugriff aufs Medium Bei Ethernet (CSMA/CD) Bei WLAN ( CSMA/CA) CA: Colision Avoid Colision Vermeiden Sender DIFS Frame Empfänger SIFS ACK Andere Stationen DIFS Frame DIFS = Distributed Coordination Function Interframe Space SIFS = Short Interframe Space

39 1 2 3 Hidden Station Problem Kollisionen möglich Gegenmaßnahmen Optional: RTS (Request to Send) CTS (Clear to Send) Zellenübergreifende Signalisierung! (Vermeidung von unnötigen Kollisionen) Frame Aufbau FC D Adr Payload FCS Paration der Nachricht (Dauer) Frame Control - Retry (Sender hat keine ACK erhalten) - WEP (Verschlüsselung per Peyload) - Power Management (Station geht in Sparmodus)

40 AP Übergang (z.b. in Automatisierungsumfeld) AP AP Kanäle Sprachübertragung im IP Netz - VoIP T IP T - Sprache - Signalisierung

41 Sprachqualität - Verständlichkeit der Sprache - Lautstärke Messbarkeit (objektiv) - Laufzeitschwankungen / Echos Mean Opinion Score (MOS) - Versuchspersonen Subjektiver Eindruck - Standardisierter Testablauf Einflüsse auf Qualität - Loss - Jitter Objektiv ermittelbar - Delay T IP J L D T Test mit Versuchs Personen Messen der J / L / D Werte MOS Protokolle RTP (Real Time Transport Protocol) Audio, Video RTCP (Real Time Transport Control Protocol) Überwachung der Echtzeitkommunikation H.323 Framework Signalisierung SIP (Session Initialing Protocol) Signalisierung

42 Einordung ins Schichtenmodell H.323 Signal RTP RTCP SIP TCP UDP IP RTP: RTP Header Payload Type Audio, Video, dyn. Timestumps Sequenz Nr SSRC, CSRC UDP RTP PH (Payload Header) Audio Video Audio SSRC: Synchr. Source Ident CSRC: Contribution Source Ident Mixer Quelle 1 SSRC = a Mixer SSRC = r Ziel Quelle 1 SSRC = n RTP [ SSRC = r, CSRC = a, n]

43 Translator Quelle SSRC = x Code A Translator SSRC = x Code B Ziel SSRC = y Code C Quelle