TCP / IP Transmission Control Protocol / Internet Protocol"

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1 TCP / IP Transmission Control Protocol / Internet Protocol" Ziel: Weltweite Kommunikation zwischen Rechnersystemen unterschiedlicher Bauart Weg: Definition einer einheitlichen Protokollfamilie: TCP/ IP Struktur: Kopplung einzelner Rechner bzw. lokaler Netze über ein teilvermaschtes Netz = Rechnersystem SS !

2 Die TCP/ IP- Protokollfamilie (1) Überblick" Die Bezeichnung TCP/ IP wird häufig als Synonym für die gesamte Protokollfamilie verwendet Einordnung der Internetprotokolle in das ISO/ OSI- Referenzmodell: Internet Control Message Protocol Internet Group Management Protocol Kommunikationssteuerungsschicht Transportschicht 4 (Reverse) Address Resolution Protocol Vermittlungsschicht Sicherungsschicht Obwohl ICMP und IGMP den IP- Dienst nutzen, werden sie dennoch der Vermittlungsschicht zugeordnet In den anwendungsbezogenen Schichten 5-7 werden im Internet Protokolle wie z.b. FTP, TELNET oder SMTP eingesetzt (die Schichten 5-7 sind im Internet zusammengefasst zur Anwendungsschicht) 3 2 SS !

3 Die TCP/ IP- Protokollfamilie (2) Protokollaufgaben" TCP (Transmission Control Protocol): Stellt verbindungsorientierten, gesicherten Transportdienst bereit UDP (User Datagram Protocol): Stellt verbindungslosen, ungesicherten Transportdienst bereit IP (Internet Protocol): Sorgt für Wegewahl und ungesicherte Übertragung von Datagrammen ICMP (Internet Control Message Protocol): Unterstützt den Austausch von Kontrollinformationen innerhalb der Vermittlungsschicht (z.b. ping) IGMP (Internet Group Management Protocol): Unterstützt die Verwaltung von Kommunikationsgruppen für IP-Multicasting ARP (Address Resolution Protocol): Unterstützt die Zuordnung von IP- Adressen zu den entsprechenden Adressen der Sicherungsschicht RARP (Reverse Address Resolution Protocol): Stellt die Umkehrfunktion von ARP zur Verfügung SS !

4 UDP Packets" UDP datagram format 8 bytes header + variable payload * * Example: Port 53 is used for DNS SS !

5 tracert (traceroute unter Unix/Linux)" Determines the path taken to a destination by sending Internet Control Message Protocol (ICMP) Echo Request messages to the destination with incrementally increasing Time to Live (TTL) field values. The path displayed is the list of near-side router interfaces of the routers in the path between a source host and a destination. The near-side interface is the interface of the router that is closest to the sending host in the path. Used without parameters, tracert displays help. Syntax tracert [-d] [-h MaximumHops] [-j HostList] [-w Timeout] [TargetName] Parameters -d : Prevents tracert from attempting to resolve the IP addresses of intermediate routers to their names. This can speed up the display of tracert results. -h MaximumHops : Specifies the maximum number of hops in the path to search for the target (destination). The default is 30 hops. -j HostList : Specifies that Echo Request messages use the Loose Source Route option in the IP header with the set of intermediate destinations specified in HostList. With loose source routing, successive intermediate destinations can be separated by one or multiple routers. The maximum number of addresses or names in the host list is 9. The HostList is a series of IP addresses (in dotted decimal notation) separated by spaces. -w Timeout : Specifies the amount of time in milliseconds to wait for the ICMP Time Exceeded or Echo Reply message corresponding to a given Echo Request message to be received. If not received within the time-out, an asterisk (*) is displayed. The default time-out is 4000 (4 seconds). TargetName : Specifies the destination, identified either by IP address or host name. -? : Displays help at the command prompt. SS !

6 Exkurs: Router" Kopplung von Netzwerken auf Schicht 3 (Vermittlungsschicht) Ermöglichen der Kommunikation entfernter Endsysteme über ein oder mehrere WANs (wide area networks) Wegewahl anhand weltweit eindeutiger, bevorzugt hierarchischer Netzwerkadressen (z. B. IP- oder ISO-Adressen) WWW-Browser HTTP TCP IP LLC MAC (WLAN) PHY (Code...) Segmentieren und Reassemblieren von Schicht- 3- Datenpaketen zur Anpassung an unterschiedliche maximale Paketgrößen auf Schicht 2 Sicherheitsmechanismen zur Regelung von Netzzugriffen abhängig von der Netzwerkadresse (Stichwort Firewall ) MAC (WLAN) PHY (Code...) Bridge LLC MAC (Ethernet) PHY LLC MAC (Ethernet) PHY Router IP WWW-Server HTTP TCP IP LLC MAC PHY LLC MAC (FDDI) PHY Funk Bridge/Switch UTP5 - Twisted Pair Router Glasfaser SS !

7 Das Internet Protokoll IP" Historie Entwickelt im Auftrag des amerikanischen Verteidigungsministerium (Departement of Defense, DoD) Bereits seit 1969 im damaligen ARPANET eingesetzt Aufgaben Wegewahl Prüfung der "Lebenszeit" von Paketen Segmentieren und Reassemblieren Realisierung und Entwicklung Aufgrund der großen Ausdehnung des Internets ist IP heute das am häufigsten realisierte Schicht- 3- Protokoll. Derzeit noch am weitesten verbreitete Version ist IPv4. Aktuelle Version: IPv6 SS !

8 IP - Eigenschaften" Verbindungslos, daher relativ unzuverlässig: Datagramm kann verloren gehen Datagramm kann dupliziert werden Datagramme können einander überholen Nicht behebbare Fehler der darunter liegenden Schicht 2 können von IP im allgemeinen ebenfalls nicht behandelt werden. Aber mit dem Protokoll ICMP (Internet Control Message Protocol) existiert eine Möglichkeit zur Fehleranzeige. SS !

9 IP - Adressierung Konzept" Eine IP-Adresse teilt sich grundsätzlich in zwei Felder: Netzwerk-Adresse (network address), dieser Adressteil wird von Routern benutzt Host-Adresse (node address), dieser Adressteil bezeichnet ein spezifisches Gerät auf dem Netz Router SS !

10 IP - Adressformate (IPv4) Netz- und Host-IDs" Beispiel Netz-ID: Host-ID: Netz-ID: Host-ID: Netz-ID: Host-ID: Multicast-Adresse: Reserviert: Max. Anz. Hosts pro Netzwerk: für Gruppenkommunikation Fünf Adressklassen Beispiel Mailserver der FHD: SS !

11 Address Allocation for Private Internets (RFC1918)" TCP/IP wird auch in Netzen eingesetzt, die keine global eindeutigen Adressen benötigen, z.b.: TCP/IP ist heute Standard in firmeninternen Netzen ("Intranet"). Aus Sicherheitsgründen verbinden viele Unternehmen ihr internes Netzwerk mit dem Internet nur über "application layer gateways" (z.b. HTTP proxy server für Browser-Zugang). Die internen IP-Adressen brauchen nicht weltweit eindeutig sein. Die Internet Assigned Numbers Authority (IANA) hat folgende drei Blocks von IP-Adressen für private Internets reserviert: SS !

12 Spezielle IP-Adressen (IPv4)" Dieser Host (wird nicht unter allen Betriebssystemen unterstützt) : Host in diesem Netz: Broadcast im lokalen Netz: Broadcast in einem entfernten Netz: Schleife (Loopback): i.d.r.: SS !

13 IP Adressen-Vergabe (1)" Die Vergabe von IP-Adressen erfolgt hierarchisch und blockweise. Die oberste Instanz stellt die IANA dar, die über den gesamten IP-Adressraum waltet. Sie verwaltet zum einen die IP-Adressblöcke von Besitzern kompletter Class-A Netzwerke, die in der Frühzeit der IP-Adressen an große Unternehmen vergeben wurden, zum anderen vergibt sie IP-Adressblöcke an regionale Vergabestellen für IP-Adressen, den so genannten Regional Internet Registries (RIR), die für die IP- Adressvergabe in bestimmten Kontinenten und Regionen zuständig sind. Regional Internet Registries: APNIC (Asia-Pacific Network Information Center) ARIN (American Registry for Internet Numbers ) RIPE NCC (Reseau IP Europeens) Local Internet Registries, siehe: SS !

14 IP Adressen-Vergabe (2)" "Class A" Adressen belegen 50% des gesamten IP-Adressraumes, die "class B" Adressen belegen 25% und die "class C" Adressen 12.5%. Die gegenwärtige Struktur des IP-Adressraums führt zu: Verschwendung von Adressen (insbesondere in der Klasse A) Erschöpfung der vorhandenen Adressen; Situation heute: Das IP Nachfolgeprotokoll (IP Next Generation, IPng, IPv6) hat Adressen mit 128 Bit Länge. SS !

15 Umstellung auf IPv6" IPv6-Anschluss testen: SS !

16 IPv6 Adressraum" Top Level Aggregator (verwaltet durch IANA) Next Level Aggregator (ISP) Site Level Aggregator Die IEEE EUI-64-Adresse ist ein neuer Standard für die Adressierung von Netzwerkschnittstellen Prefix: FE8:: SS !

17 IPv6: Die neue Adressierung im Internet " Eine Beibehaltung der bisherigen Schreibweise (z.b ) würde bei IPv6 zu einer äußerst langen und unhandlichen Darstellung führen. Deshalb wurde beschlossen, die 128 Bit durch acht hexadezimale 16 Bit Zahlen (Tupel) darzustellen. Die Tupel werden durch Doppelpunkte voneinander getrennt, führende Nullen (in einem Tupel) können dabei weggelassen werden. Dadurch erreicht man eine signifikante Verkürzung der Adresse: wird zu 3ffe:400:280:0:0:0:0:1 Eine komprimierte Schreibweise erlaubt es diese Darstellung erneut zu vereinfachen. Eine Gruppe aufeinander folgender Nullen kann durch zwei Doppelpunkte ersetzt werden, wobei dies aus Gründen der Eindeutigkeit nur einmal pro Adresse gemacht werden darf. Es ergibt sich somit für obige Adresse die komprimiert Darstellung: 3ffe:400:280::1 Loopback: ::1 Weitere Schreibweisen sind für die Kompatibilität zu dem IPv4 Adressformat vorgesehen, Beispiele: ::FFFF: IPv4-mapped IPv6 address (wird automatisch erzeugt für nur-v4-hosts) :: IPv4-compatible IPv6 address (müssen von DNS Servern vorgehalten werden) SS !

18 Probleme mit großen Netzen (IPv4)" Ein "flaches" Netz der Klasse B hat mehr als Hosts Wie kann das verwaltet werden? Wie ist die Netzleistung? Bei einem "unterteilten" Netz werden mehrere Host-Gruppen durch einen Router verbunden. SS !

19 IPv4- Subnetze (1)" Für die interne Aufteilung eines Netzes in Teilnetze wird die Host-ID in zwei Teile unterteilt: Subnetz-Adresse und (End-)Host-Adresse) Bei einer Klasse-B-Adresse wie könnte man das dritte Byte benutzen um das Teilnetz zu identifizieren, z.b.: subnet # X X = Host-ID-Bereich von subnet # X SS !

20 IPv4- Subnetze (2)" Subnetzmasken kennzeichnen den Bereich der IP- Adresse, der das Netzwerk und das Subnetzwerk beschreibt. Router erkennen diesen Bereich durch die Einsen ("1") in der binären Form der 32-Bit-Subnetzmaske Beispiel: IP- Adresse: (Klasse B: ) Subnetzmaske: Netzwerk: Subnetz: 3 Endsystem: 64 Überdeckt die Subnetzmaske nur den Netzwerk- Teil, dann gibt es keinen Subnetz-Teil (z.b , Klasse B) SS !

21 IPv4- Subnetze (3) Beispiel" Die Subnetzmaske für eine Klasse-B Adresse bedeutet: Das Netzwerk ist in 254 Subnetze unterteilt z.b.: X bis X Das logische "UND" zwischen IP-Adresse und Subnetzmaske liefert die Netzwerkadresse: & & Netzwerkadressen SS !

22 Interpretation von Subnetzadressen (IPv4) Beispiele" IP address subnet mask Interpretation host 71 on subnet host 3 on subnet host 4 on subnet host 2 on subnet host 15.2 on subnet > > & > 128 SS !

23 IPv4- Subnetze (4) Interne Vorgehensweise des Rechners" & & SS !

24 Übung zu IPv4-Adressen: Unterscheidung von "Netzwerk"- und "Host"-Teil " 1. Ermitteln Sie die IP-Adresse des Webservers der Universität Kapstadt: 2. Zu welcher Adressklasse gehört diese IP- Adresse? 3. Ermitteln Sie eine Route, über die IP- Pakete von der FH Düsseldorf zum Webservers der Uni. Kapstadt transportiert werden. 4. Gehen Sie auf die Webseiten und 5. Ändern Sie den Host-Teil in der IP- Adresse und ermitteln Sie wiederum eine Route. Was ändert sich? 6. Ändern Sie den Netzwerk-Teil in dieser IP- Adresse und ermitteln Sie wiederum eine Route. Was ändert sich? 1. Ermitteln Sie die IP-Adresse des Mailservers der FH Düsseldorf: smtp.dvz.fh-duesseldorf.de 2. Zu welcher Adressklasse gehört diese IP- Adresse? 3. Ermitteln Sie eine Route, über die IP- Pakete vom Informatik-Labor zum Mailserver der FH Düsseldorf transportiert werden. 4. Ändern Sie den Host-Teil in dieser IP- Adresse und ermitteln Sie wiederum eine Route. Was ändert sich? 5. Ändern Sie den Netzwerk-Teil in dieser IP- Adresse und ermitteln Sie wiederum eine Route. Was ändert sich? SS !

25 Vorteile der Unterteilung in Teilnetze" Teilnetz-Konzept erhöht die Kontrolle des Netzwerk-Managers über den ihm zugeteilten Adressraum. Geringerer Aufwand, wenn ein Rechner von einem LAN in an anderes verlegt werden muss oder sich aus sonstigen Gründen die Adresse ändert. Keine internationale Anmeldung für Änderungen innerhalb der Teilnetze. Bessere Netzwerkleistung durch Strukturierung des Adressraums Das Verbergen der internen Routing-Struktur vor externen Routern reduziert die Größe der benötigten Routing-Tabellen erheblich. dreistufige Hierarchie: Netz Teilnetz Host ein Router in Teilnetz k muss wissen, wie er alle anderen Teilnetze und alle Hosts auf Teilnetz k erreicht. Er muss keine Einzelheiten über Hosts in anderen Teilnetzen wissen. SS !

26 IEEE 802 / Ethernet - MAC-Adresse" Zwei Adressformate: 48 Bits 16 Bits Ethernet-Netzwerkadapter werden durch 6 Byte adressiert. Es gibt drei Adresstypen: Broadcast (an Alle) - I/G=1, U/L=1 (ff:ff:ff:ff:ff:ff) Multicast (an Gruppe) - I/G=1 (e3:01:56:ff:00:01) Unicast (an Einen) - I/G=0 (7b:00:89:27:4d:a8) Organizationally Unique Identifier (OUI). 00:00:0c:06:13:4a I/G = 0 individual address I/G = 1 group address U/L = 0 globally administered address U/L = 1 locally administered address SS !

27 Konvertierung IEEE 802 MAC-Adresse IPv6 IEEE EUI-64 Format Die EUI-64 Adresse kann lokal oder global verwaltet werden. Wenn das 7te Bit auf 1 gesetzt ist, handelt es sich um eine global eindeutige Adresse. SS !

28 Adressauflösung im LAN" Problem: Wie soll die Abbildung der Internet-Adresse (IP-Adresse) eines Rechners auf die physikalische Stationsadresse im LAN (IEEE 802/Ethernet MAC-Adresse) erfolgen? Wenn die physikalische Adresse (Stationsadresse / MAC- Adresse) durch den Benutzer ausgewählt werden kann, wähle für den Hostid-Teil der Internet-Adresse die physikalische Adresse. Wenn die physikalische Adresse vorkonfiguriert ( fest verdrahtet ) ist, unterhalte eine Abbildungstabelle (z.b. im Router) und/oder benütze das Address Resolution Protocol ARP SS !

29 Address Resolution Protocol ARP Schicht 2 Protokoll für Router" Sende mittels Broadcast auf dem LAN ein ARP-Request-Paket, welches die physikalische Adresse (MAC) und die IP-Adresse des Senders und die IP-Adresse des gesuchten Empfängers enthält. Warte auf die Antwort des gesuchten Empfängers durch ein ARP-Reply- Paket, welches seine physikalische Adresse enthält. Unterhalte einen Cache aus (IP, MAC)-Adresspaaren für spätere Anfragen. Verbesserung: Der Empfänger des ARP-Requests speichert das (IP, MAC) -Paar des Senders auch in seinem Cache. Zeitgeber-gesteuertes Löschen von Einträgen in der dynamischen ARP-Tabelle. request reply System B hat die gesuchte IP-Adresse SS !

30 RARP: Reverse Address Resolution Protocol Schicht 2" Problem: Wie kann die IP-Adresse eines Rechners initial festgelegt werden? Das ist bei einem Neustart eines Kommunikationssystems notwendig. Lösung: Manuelle Eingabe der IP- Adresse bei jeder Neuinitialisierung. Einlesen der IP- Adresse aus einer Konfigurationsdatei; kann bei "Diskless Stations" nicht angewendet werden. Ermittlung der IP- Adresse basierend auf der global eindeutigen Adresse der Adapterkarte (MAC-Adresse). Ein Verfahren zur Abbildung der physikalischen Adresse auf die IP- Adresse des Rechners wird durch das Reverse Address Resolution Protocol (RARP) festgelegt. Protokollablauf: Die Station sendet mittels Broadcast (Schicht 2) eine Anfrage, welche die MAC- Adresse des Rechners beinhaltet. Ein RARP- Server besitzt eine Tabelle mit den zugehörigen IP- Adressen und sendet eine entsprechende Antwort an den Initiator der Anfrage. SS !

31 DHCP : Dynamic Host Configuration Protocol (1)" Mit dem "Bootstrap Protocol" BOOTP existiert ein einfaches Client-Server Konzept für das automatische Booten eines Rechners über ein Netzwerk. Die Konfigurationsinformation wird mit einem einzelnen UDP-Paket übermittelt. Dabei erfährt ein konfigurationswilliger Host von einem BOOTP-Server seine IP- Adresse, den eigenen Rechnernamen, die Adresse eines Routers und eines File Servers und ggf. weitere Parameter, die er für das Booten benötigt. DHCP erweitert das BOOTP-Protokoll, indem es einem Rechner bzw. IP-System die Möglichkeit bietet, seine IP-Adresse dynamisch auf Anforderung zu erhalten. Um einen DHCP-Server in die Lage zu versetzen, IP-Systeme dynamisch mit IP- Adressen zu versorgen, muss ein Netzadministrator einen Satz IP-Adressen zur Verfügung stellen. Über diese IP-Adressen muss der DHCP-Server frei verfügen können, d.h., sie dürfen nicht von anderen Systemen im Netz belegt sein. Wenn ein Host, der DHCP-Client, in das Netz eintritt, nimmt er mit dem DHCP- Server Kontakt auf. Der Server wählt eine seiner freien Adressen aus und vermittelt sie dem neuen Rechner. Dabei unterstützt DHCP auch BOOTP-Anfragen. SS !

32 DHCP : Dynamic Host Configuration Protocol (2) Phasen der Konfiguration, Phase 1 und 2 " 1. Phase: Um die Konfigurationsparameter und eine IP-Adresse zu erhalten, muss ein DHCP-Client, wenn er sich neu an das Netz anschließt, zuerst eine Broadcast-Nachricht (DISCOVER) an alle Server im Netz oder Teilnetz senden. 2. Phase: Alle DHCP-Server, die sich im Netz befinden, prüfen, ob sie eine freie IP-Adresse haben. Falls eine der dynamisch zugewiesenen Adressen nicht benutzt wird, antworten der oder die Server mit einer OFFER- Nachricht. DHCP Clients DHCP Server Router IP Adressdatei DHCP Clients SS !

33 DHCP : Dynamic Host Configuration Protocol (3) Phasen der Konfiguration, Phase 3 und 4 " 3.Phase: Die erste OFFER-Nachricht eines Servers, die beim Client eintrifft, wird vom Client angenommen. Mittels einer REQUEST-Nachricht teilt der Client dem Server mit, was die akzeptierten Parameter der IP- Adresse sind. 4. Phase: Der Server, der die Parameter gesendet hat, bestätigt den Anschluss des neuen Client mit einer ACK-Nachricht und teilt ihm mit, wie lange die zugeteilte IP- Adresse gültig ist (Lease-Dauer). DHCP Clients DHCP Server Router IP Adressdatei DHCP Clients SS !

34 Beispiel: Konfiguration eines DHCP-Servers unter Linux" ### Server:/etc/dhcpd.conf ################################################## # Minimale Ausleihzeit in Sekunden (1 Stunde) default-lease-time 3600; # Maximale Ausleihzeit in Sekunden (24 Stunden) max-lease-time 86400; # Für die Netzwerkkarte eth0 (LAN) gelten folgende Einstellungen subnet netmask { # Domainname = mylan option domain-name "mylan"; # zwei DNS-Server für die Klienten option domain-name-servers , ; # Internet-Gateway für die Klienten option routers ; # Netzmaske für die Klienten option subnet-mask ; # Konfiguration für den Rechner pc1 host pc1 { hardware ethernet 00:81:af:76:c4:38; fixed-address ; } # dynamische Zuweisung bei fremden Rechnern im LAN range ; } ########## SS !

35 DHCP : Dynamic Host Configuration Protocol (4) Zusammenfassung" Große Netze brauchen viel Verwaltungsaufwand. Speziell in Netzen, wo ein reger Wechsel der angeschlossenen Rechner stattfindet, ist eine automatische Verwaltung der benötigten Adressen notwendig. Das DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) schafft hier Abhilfe. DHCP wird benutzt, um PC's als Clients in einem TCP/IP-Netz automatisch, also ohne manuellen Eingriff, zentral und somit einheitlich zu konfigurieren. Der Systemadministrator bestimmt, wie die IP-Adressen zu vergeben sind und legt die Dauer der Vergabe der IP-Adressen (Lease-Dauer) fest. Während der Konfiguration der Clients werden Angaben wie IP-Adresse, Netzmasken oder die Adresse für den Router (den Standart-Gateway) oder den DNS-Server zentral festgelegt und vergeben. Wesentliche Vorteile: zentralisierte Automatisierung des Netz-Managements automatische Zuordnung von Netzadressen, die dynamisch wiederverwertet werden können Fehler bei der manuellen Konfiguration werden vermieden SS !

36 Übung zu DHCP" Lassen Sie sich die IP-Konfiguration Ihres Rechners anzeigen. Benutzen Sie dazu "ipconfig" oder "ipconfig /all " unter Windows bzw. "ifconfig" unter Unix. Vergleichen Sie die Netzwerkkonfiguration Ihres Rechners im PC-Pool mit einem der anderen Rechner. SS !