Vorlesung: Netzwerke WS 2011/12 Kapitel 1 Grundlagen Session 02

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1 Vorlesung: Netzwerke WS 2011/12 Kapitel 1 Grundlagen Session 02 Prof. Dr. Michael Massoth [Stand: ] 2-1

2 2-2 Allgemeine Informationen (4): Praktikum Starttermine Zug D für Versuch Nr. 1: Gruppe Mi23y2: in D14/304, um 10:15 Uhr Gruppe Mi23x1: in D14/304, um 10:15 Uhr Gruppe Mi23y1: in D14/304, um 10:15 Uhr Gruppe Mi23x2: in D14/304, um 10:15 Uhr ACHTUNG: Jeder (Studierende, Laboringenieur, Tutor und Dozent) muss bis spätestens 13:30 Uhr fertig sein. 2-2

3 2-3 Grundlagen (Teil 3): Netzwerkarchitektur Schichten, Schnittstellen und Protokolle OSI-Referenzmodell Hybrid-Referenzmodell und Internet-Architektur 2-3

4 2-4 Lernziele heute: Referenzmodelle (OSI, TCP/IP, Hybrid) Datenkapselung Lernziele im Detail: Schichten, Schnittstellen, Protokolle und Dienste (Services) kennen Protokolle und Dienste unterscheiden können OSI-, TCP/IP- und Hybrid-Referenzmodell kennen und unterscheiden können 2-4

5 Architekturmodelle für die Kommunikation (1)

6 Architekturmodelle für die Kommunikation (2) 2-6 head of department secretary enterprise mail department postal office postal transportation head of department secretary enterprise mail department postal office postal transportation Bemerkungen: Jede Schicht hat seine eigenen Regeln und Aktivitäten Die oberen Schichten nutzen und vertrauen auf die Dienste der unteren Schichten Die unteren Schichten bieten verschiedene Dienste den oberen Schichten an Gleiche Schichten auf verschiedenen Systemen tauschen spezielle Kontrollinformationen aus, wie z. B.: Geschäftszeichen, Bearbeiterkürzel, Datum, Anlagenverzeichnis, Absender- und Empfängeradresse, PLZ Briefmarke, Poststempel, Bearbeitungsvermerke (Einschreiben, Luftpost, ) 2-6

7 Architekturmodelle für die Kommunikation (3) 2-7 Ziel ist die Implementierung verteilter Systeme Vorgehen: Unterteilung in Schichten (zur Reduzierung der Komplexität): Schichten sind Funktionseinheiten komplexer Modelle Definition der Schnittstellen: Zwischen angrenzenden Schichten eines Systems Bestimmen Signale oder Nachrichten zwischen den Schichten Definition der Protokolle: Zwischen gleichen Schichten auf verschiedenen Systemen (Hosts) Regeln u.a. Auf- und Abbau von Verbindungen, Datentransfer oder Fehlerbehandlung Achtung: Klare Unterscheidung zwischen Diensten und Protokollen! 2-7

8 Protokolle 2-8 Ein Protokoll definiert das Format und die Reihenfolge von Nachrichten, die zwischen zwei oder mehr kommunizierenden Einheiten ausgetauscht werden, sowie die Aktionen, die bei der Übertragung und/oder beim Empfang einer Nachricht oder eines anderen Ereignisses unternommen werden. Beispiele: Ein menschliches Protokoll und ein Netzwerkprotokoll 2-8

9 Designaspekte bei Schichtenbildung (1) 2-9 Prinzip: Komplexität des Systems erfordert Aufteilung der verschiedenen notwendigen Funktionen auf Schichten Zwei Benutzer auf derselben Schicht können über Protokolle in (logische) Verbindung treten Jede Schicht stützt sich auf Kommunikationsdienste (Services) der darunter liegenden Schicht Application programs Host 1 Host 2 Process-to-process channels High-level object Service interface High-level object Host-to-host connectivity Hardware Protocol Peer-to-peer interface Protocol 2-9

10 Designaspekte bei Schichtenbildung (2) 2-10 Beispiele für typische Funktionen von Schichten: Ermittlung von Sender und Empfänger, Adressierung Regeln für den Datentransfer Richtung der Daten, Anzahl der logischen Kanäle, Segmentierung und Reassemblierung von Datenstücken, Prioritäten, Nummerierung und Reihenfolge Fehler- und Flusskontrolle Multiplexen und Demultiplexen Routing, wenn es mehrere Wege zwischen Quelle und Ziel gibt Wesentliche Frage: Welche Funktionalität soll wo implementiert werden? Sender Receiver Beginning sequence Header Body CRC Ending sequence 2-10

11 Designaspekte bei Schichtenbildung (3) 2-11 Leitgedanke: Ein möglichst kleine Anzahl abstrakter Kanaltypen, soll eine möglichst große Anzahl von Anwendungen bedienen. Application programs Request/reply channel Message stream channel Host-to-host connectivity Hardware Host Application Host Channel Host Application Beispiele für Kanaltypen (hier): Anfrage/Antwort-Kanal für Client-Server-Anwendungen Nachrichtenstrom-Kanal für z.b. Videokonferenzen Host Host 2-11

12 Regeln zur Schichtenbildung (1) 2-12 Vorgehen (Design-Prinzipien): Unterteile zu erfüllende Funktion in physikalisch oder logisch trennbare Gruppen Gruppiere nicht zu viele und nicht zu wenige Funktionen in einer Schicht Protokolle sollen nur innerhalb einer Schicht gültig sein (nicht übergreifend!) Schichten gegeneinander so abgrenzen, dass einfache Schnittstellen entstehen! Modularität: Schichten sollten intern verändert werden können, ohne dass Kommunikationsdienste von anderen Schichten oder Schnittstellen berührt werden 2-12

13 Regeln zur Schichtenbildung (2) 2-13 Vorgehen Modularität: Änderungen einer Schicht sollen möglichst wenig Auswirkung auf die benachbarten Schichten haben Einzelne Schichten dürfen leer sein! Schichten können weiter verfeinert werden Achtung: Das Schichtenmodell ist ein guter Diener, aber schlechter Meister! Daher immer die Ende-zu-Ende-Perspektive mit einbeziehen! 2-13

14 Schichten, Schnittstellen und Protokolle

15 Services und Protokolle 2-15 Zusammenhang zwischen einem Service (Dienst) und einem Protokoll. 2-15

16 Protokolle 2-16 In der Kommunikationstechnik geht es bei Protokollen um die Festlegung und Durchführung der Vereinbarungen zum Datenaustausch, z.b.: Welche Station sendet an wen und aus welchem Anlass? Welches Format haben die Nachrichten? Was geschieht bei Fehlern? Welche Randbedingungen sind zu beachten? Merke: Protokolle definieren Syntax: das Format gültiger Meldungen Grammatik: genaue Abfolge der Meldungen Semantik: Vokabular gültiger Meldungen und deren Bedeutung 2-16

17 Mehr über Services (1) 2-17 Ein Netzwerk (bzw. verschiedene Schichten) stellt einer Anwendung (z. B. HTTP, , FTP) verschiedene Dienste zur Verfügung: Zuverlässiger Datenübertragungsdienst: Daten kommen alle, ohne Fehler, nicht doppelt und in der richtigen Reihenfolge an. Flusskontrolldienst (engl. flow control): Stellt sicher, dass ein Sender einen langsamen Empfänger nicht durch zu schnelles Senden der Daten überfordert. Wird im Internet durch Sende- und Empfangs-Pufferspeicher in den Endsystemen und Zurückhalten von Bestätigungen realisiert. Überlastkontrolldienst (engl. congestion control): Verhindert Daten-Staus im Netz, die entstehen, wenn Puffer in den Routern überlaufen und deswegen Nachrichten verloren gehen. Im Internet reduzieren dazu Endsysteme ihre Übertragungsrate indem sie die Daten-Bestätigungen kontrolliert zurückhalten. 2-17

18 Mehr über Services (2) 2-18 Verbindungsorientierter Dienst (connection oriented service): Ist ein zuverlässiger Datenübertragungsdienst Abwicklung in 3 Verbindungsphasen: Aufbau (3-Wege-Handshake), Übertragung, Abbau (Half-Close). Die Verbindung ist nur sehr locker, deshalb verbindungsorientiert. Die Router im Netz wissen nichts von den Verbindungen. Im Internet realisiert als zuverlässiger Datenübertragungsdienst inklusive Flusskontrolle und Überlastkontrolle durch das Transport Control Protocol (TCP) 2-18

19 Mehr über Services (3) 2-19 Verbindungsloser Dienst (connectionless service): Keine Auf- und Abbauphase (kein Handshake). Daten werden daher schneller übertragen. Keine Bestätigungen: Sender erfährt nicht, ob Nachricht den Empfänger erreicht hat (best effort) Keine Flusskontrolle Keine Überlastkontrolle Wird im Internet vom User Data Protocol (UDP) bereitgestellt Ist kein zuverlässiger Datenübertragungsdienst sondern arbeitet nach dem best effort -Prinzip 2-19

20 2-20 Grundlagen (Teil 3): Netzwerkarchitektur Schichten, Schnittstellen und Protokolle OSI-Referenzmodell Hybrid-Referenzmodell und Internet-Architektur 2-20

21 2-21 Lernziele heute: Referenzmodelle (OSI, TCP/IP, Hybrid) und Datenkapselung Lernziele im Detail: OSI-, TCP/IP- und Hybrid-Referenzmodell verstehen und unterscheiden können Wesentlichen Funktionen der einzelnen OSI-Schichten kennen Horizontale und vertikale Kommunikation kennen Datenkapselung verstehen und auf ein Referenzmodell (OSI, TCP/IP, Hybrid) anwenden können Wissen was ein Socket und ein Protokollgraph ist 2-21

22 ISO/OSI 7-Schichtenmodell 2-22 Anwendung Präsentation Session Transport Verbindungsschicht Sicherung Bitübertragung 2-22

23 ISO/OSI Referenzmodell

24 ISO/OSI Referenzmodell 2-24 Anwendungsprozesse Betriebssystemprozesse Hardware 2-24

25 Das OSI-Referenzmodell 2-25 Application processes (WWW, , FTP, ) Application processes Layer 7 Application Application Protocol Application Exchange Unit Data 6 Presentation Presentation Protocol Presentation 6-PDU 5 Session Session Protocol Session 5-PDU 4 Transport Transport Protocol Transport 4-PDU (Segment) 3 Network Network Network 3-PDU (Packet) 2 Data Link Data Link Data Link Data Link 2-PDU (Frame) 1 Physical Physical Physical Physical Bit PDU = Protocol Data Unit 2-25

26 OSI-Modell: Transportorientierte Schichten Bitübertragungsschicht (Physical Layer): ungesicherte Verbindung zwischen Systemen Übertragung unstrukturierter Bitfolgen über physikalisches Medium Physikalischer Anschluss, Umsetzung der Daten in Signale 2. Sicherungsschicht (Data Link Layer): gesicherter Datentransfer zwischen direkt verbundenen Dienstnehmern (Punkt-zu-Punkt-Übertragung) Zerlegung des Bitstroms (Schicht 1) in Rahmen (engl. Frames) Fehlererkennung und -behebung, Bestätigungsrahmen 3. Vermittlungsschicht (Network Layer): Logische Adressierung des Zielsystems, Fragmentierung Wegewahl (Routing Internetworking), Vermittlung, Staukontrolle 4. Transportschicht (Transport Layer): (fehlerfreier) Datentransfer von Endpunkt zu Endpunkt bietet Transparenz bzgl. Übertragungs- und Vermittlungstechnik 2-26

27 OSI-Modell: Anwendungsorientierte Schichten Kommunikationssteuerungsschicht (Session Layer): Ablaufsteuerung und -koordinierung (Synchronisation im weitesten Sinn) Kommunikationsbeziehung als Sitzung (Session), Dialogsteuerung Verbindungsaufbau, Durchführung und Flusskontrolle, Verbindungsabbau 6. Darstellungsschicht (Presentation Layer): Datendarstellung von Information (Syntax und Sematik) Beispiele: Konvertierung EBCDIC ASCII, oder auch Entschlüsselung Kommunikation wird trotz unterschiedlicher lokaler Datenformate der Teilnehmer bzw. Endgeräte ermöglicht, wie z. B. für Buchungsdatensätze 7. Anwendungsschicht (Application Layer): macht dem OSI-Benutzer Dienste verfügbar stellt unterschiedliche Dienste (je nach Anwendung) bereit: z.b. Dateitransfer, zuverlässigen Datenaustausch, entfernten Prozeduraufruf Beispiel: HyperText Transfer Protocol (HTTP) für Webbrowser 2-27

28 Horizontaler und vertikaler Kommunikation 2-28 Vertikale Kommunikation: Eine Nachricht wird (von oben nach unten, Schicht 7 2) Schicht für Schicht verpackt und beim Empfänger in umgekehrter Schichtreihenfolge (von unten nach oben, Schicht 2 7) wieder entpackt Data Encapsulation and De-encapsulation Horizontale Kommunikation: Auf den gleichen Schichten von Sender und Empfänger werden jeweils die gleichen Protokollfunktionen verwendet. Die Schichten können jeweils den der Schicht entsprechenden Zustand des Datenpakets verstehen. 2-28

29 Data Encapsulation (1) 2-29 Link Header Network Header Network Header Transport Header Transport Header Transport Header data data data data Link Trailer APDU (Data) TPDU (Segment) NPDU (Packet) LPDU (Frame) Bits 5 Anwendung 4 Transport 3 Vermittlung 2 Sicherung 1 Bitübertragung 2-29

30 Data Encapsulation (2) data (1) Build the data Transport Header data (2) Package the data for end-to-end transport Network Header Transport Header data (3) Add the network address to the header Link Header Network Header Transport Header data Link Trailer (4) Add local MAC-address to data link header (5) Convert to bits for transmission 2-30

31 Data Encapsulation (3): Konkret 2-31 Folgende Protokolle werden verwendet: SMTP, TCP, IP, Ethernet data (1) SMTP-Daten TCP Header data (2) TCP-Header wird angefügt IP Header TCP Header data (3) IP-Header wird angefügt Ethernet Header IP Header TCP Header data Ether. Trailer (4) Ethernet- Header und Ckecksumme (5) Alles wird in logische Bits konvertiert 2-31

32 2-32 Grundlagen (Teil 3): Netzwerkarchitektur Schichten, Schnittstellen und Protokolle OSI-Referenzmodell Hybrid-Referenzmodell und Internet-Architektur 2-32

33 Vergleich: OSI- und TCP/IP-Referenzmodell (1)

34 OSI-Modell und TCP/IP-Suite 2-34 Source: Introducing TCP/IP, by FindTutorials.com 2-34

35 Hybrid-Referenzmodell (1) 2-35 OSI-Modell Hybrid-Modell 2-35

36 Hybrid-Referenzmodell (2) 2-36 Wir benutzen für die Vorlesung (meist) das Hybrid-Referenzmodell! 2-36

37 Hybrid-Referenzmodell (3): Schnittstellen 2-37 Anwendungssystem Transportsystem Application Sockets Transport Network Treiber Data Link Physical Anwendungsprozesse Betriebssystemprozesse Hardware 2-37

38 Hybrid-Referenzmodell (3): Treiber 2-38 Portnummer ID Transportprotokoll IP-Adresse MAC-Adresse Adresse Application Sockets Transport Network Treiber Data Link Physical 80 für f r HTTP, 25 für f r SMTP 6 für f r TCP, 17 für f r UDP xx Labor-PC 00:03:6C:1C:56:96 Treiber: Schnittstelle zwischen Betriebssystem und Hardware Werden i. d. R. vom Hersteller der Hardware bereitgestellt 2-38

39 Hybrid-Referenzmodell (4): Sockets 2-39 Ein Socket ist die Kombination von einer IP-Adresse und einem Port Computer A Computer B Requests to Destination Port 23 Source Port = 2500 Destination Port = 2500 Source Port = 23 Austausch der Quell- und Ziel-Sockets 2-39

40 Hybrid-Referenzmodell (5): Sockets 2-40 Portnummer ID Transportprotokoll IP-Adresse MAC-Adresse Adresse Application Sockets Transport Network Treiber Data Link Physical 80 für f r HTTP, 25 für f r SMTP 6 für f r TCP, 17 für f r UDP xx Labor-PC 00:03:6C:1C:56:96 Sockets: Schnittstelle zwischen Betriebssystem und Anwendung Implementierung als Teil des Kernels (z. B. Linux) oder als separate Bibliothek 2-40

41 Hybrid-Referenzmodell und Protokollgraph 2-41 Hybrid-Modell Internet-Protokollgraph 2-41

42 Internetarchitektur als Protokollgraph 2-42 Darstellung der Internet-Architektur als Protokollgraph Protokollgraph hat die Form einer Eieruhr: IP als Mittelpunkt der Architektur IP als gemeinsame Methode zum Austausch von Paketen zwischen unterschiedlichsten Netzwerken Unterhalb von IP beliebig viele verschiedene Netzwerktechnologien 2-42

43 Eieruhr-Modell 2-43 Everything over IP No assumptions! No guarantees! IP over Everything 2-43

44 Adressierung 2-44 Portnummer ID Transportprotokoll IP-Adresse (IPv4) MAC-Adresse Adresse Application Sockets Transport Network Treiber Data Link Physical 80 für r HTTP, 25 für r SMTP 6 für r TCP, 17 für r UDP xx Labor-PC 00:03:6C:1C:56:

45 MAC-Adressierung 2-45 Einzigartige Identifikation Herstellerbezeichnung Flache Hierarchie Keine Unterstützung des Routing-Prozesses Keine Informationen zu Standort und Netzzugehörigkeit 2-45

46 IP-Adressierung

47 IPv4 Header Version HLen TOS Length Ident Flags Offset TTL Protocol Checksum SourceAddr DestinationAddr Options (variable) Data Pad (variable) Felder im IPv4-Header: Version des IP-Protokolls (4 Bit) Länge des Headers (4 Bit) Type of Service (TOS) für Quality of Service Länge des Gesamtpakets Identifier, Flags und Fragment Offset dient der Fragmentierung Time To Live: Sender setzt per Default = 255, jeder Router verringert um 1, bei 0 wird Paket verworfen Upper Layer Protocol 2-47

48 IPv4-Packet

49 Internet 2-49 Frage: Was heißt ein Rechner ist am Internet? [Frage ans Auditorium, Tafel] 2-49

50 Internet 2-50 Frage: Was heißt ein Rechner ist am Internet? [Antworten] Erreichbarkeit über eine IP-Adresse, Fähigkeit, IP-Pakete zu versenden, Verwendung der TCP / IP Protokollfamilie. 2-50

51 2-51 High-Level Übersicht: Netzwerkschicht (OSI-L3) Netzwerk- bzw. Vermittlungsschicht (OSI-Schicht 3) 2-51

52 Übersicht Network Layer 2-52 Protokolle und deren wesentlichen Funktionen im Network Layer (L3) Application TCP and/or UDP Routing-Protokolle: Algorithmen zur Wegefindung Austausch von Routing-Daten Routing Tabelle IP IP Protokoll: Adressierung, Forwarding Fragmentierung ICMP Protokoll: Fehlerbenachrichtigung Signalisierung ARP Protokoll: Übersetzung von IP- in physikalische MAC-Adresse Data Link Physical Layer 2-52

53 IP und ICMP 2-53 Spezifikationen: Internet Protocol, IETF RFC 791, September 1981 Internet Control Message Protocol, IETF RFC 792, September 1981 Beide RFCs wurden im Internet Standard No. 5 zusammengefasst Eigenschaften: IP stellt einen Header im Network Layer zur Verfügung - Einfache Spezifikation auf wenigen Seiten - Einzig zu lösendes Problem ist die Fragmentierung von IP-Paketen ICMP wird für Fehlermeldungen und Test des Netzwerks verwendet - Zwischen Hosts und Routern, sowie zwischen Routern - Fehler werden durch fehlerhafte IP-Pakete oder durch Nichterreichbarkeit von Netzen, Hosts, Routern oder Diensten verursacht 2-53

54 Internet Control Message Protocol 2-54 Internet Control Message Protocol (ICMP) Eigenschaften: ICMP-Nachrichten werden als Nutzdaten in IP-Packeten übertragen ICMP-Paket enthält Typ, Code und ggf. die ersten 8 Byte des IP- Pakets, welches eine Fehlermeldung verursacht hat ICMP wird u.a. direkt von Ping und indirekt von Traceroute verwendet 2-54

55 Beispiel für IP und ICMP: traceroute 2-55 Das Traceroute Tool: Sender sendet IP-Paket an Ziel mit TTL=1 Erster Router empfängt IP-Paket, setzt TTL=0, verwirft das IP- Paket und sendet ICMP-Nachricht an Sender Sender sendet IP-Paket an Ziel mit TTL=2 Zweiter Router empfängt IP-Paket, setzt TTL=0, verwirft das IP- Paket und sendet ICMP-Nachricht an Sender usw. Beispiel: 2-55

56 2-56 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Noch Fragen? Fragen und Diskussion 2-56

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