> Verteilte Systeme Übung 3 Netzwerkkommunikation im TCP/IP Stack Philipp Kegel Sommersemester 2012

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1 > Verteilte Systeme Übung 3 Netzwerkkommunikation im TCP/IP Stack Philipp Kegel Sommersemester 2012 Gruppe PVS (Parallele und Verteilte Systeme) Institut für Informatik Westfälische Wilhelms-Universität Münster

2 Prozess A OSI-Referenzmodell Prozess B 2 Anwendungsschicht Application Layer Anwendungsprotokoll Anwendungsschicht Application Layer Darstellungsschicht Presentation Layer Darstellungsprotokoll Darstellungsschicht Presentation Layer Sitzungsschicht Session Layer Sitzungsprotokoll Sitzungsschicht Session Layer Transportschicht Transport Layer Netzwerkschicht Network Layer Sicherungsschicht Data Link Layer Übertragungsschicht Physical Layer Netzwerk protokoll Sicherungs protokoll Übertragungs protokoll Transportprotokoll Gateway Netzwerkschicht Network Layer Sicherungsschicht Data Link Layer Übertragungsschicht Physical Layer Netzwerk protokoll Sicherungs protokoll Übertragungs protokoll Transportschicht Transport Layer Netzwerkschicht Network Layer Sicherungsschicht Data Link Layer Übertragungsschicht Physical Layer

3 OSI-Referenzmodell 3 7 Anwendung (Application Layer) Standardisierte Protokolle für bestimme Anwendungsaufgaben (www, ,...) 6 Darstellung (Presentation Layer) Regelung der Informationskodierung 5 Sitzung (Session Layer) Steuerung der Kommunikationssitzung 4 Transport (Transport Layer) Interprozesskommunikation 3 Vermittlung (Network Layer) Adressierung, Wegewahl (Routing), Überlastkontrolle, Segmentierung/Reassemblierung 2 Sicherung (Data Link Layer) Fehlerkontrolle, Zugriffsregelung 1 Bitübertragung (Physical Layer) Übertragung von Bitströmen über ein Medium

4 TCP/IP-Stack 4 Das OSI-Referenzmodell dient vielen verteilten Systemen als Vorlage, aber gerade nicht für das Internet. Dort einfacherer TCP/IP-Stack: 4 Anwendungsschicht (Application Layer) 3 Transportschicht (Transport Layer) 2 Vermittlungsschicht (Network Layer) 1 Netzzugangsschicht (Host to Network) Darstellungsschicht: In der Anwendung, Umwandlung von Host- in Network-Byteorder

5 TCP/IP-Stack 5 Entwickler/User Space Betriebssystem Web Browser, E Mail,. Appl. Protokolle: FTP, HTTP, SMTP,... Andere Anwendungen Middleware: CORBA, RMI Programming Interface (Sockets) TCP UDP IGMP ICMP RIP OSPF IP Vermittlung RARP ARP Ethernet WLAN... ATM Anwendung Andere Anwendungen (erfordern spezielle Optimierung) Transport Netzzugang

6 Protokolldaten 6 Protokolldaten (Kopf, header)jeder Schicht werden von der darunterliegenden Schicht als Daten betrachtet Beim Empfangen werden Protokolldaten niedriger Schichten sukzessive entfernt Empfangen Senden Nutzdaten HTTP Nutzdaten TCP HTTP Nutzdaten IP TCP HTTP Nutzdaten ETHERNET IP TCP HTTP Nutzdaten

7 TCP/IP: Ethernet als Netzzugangsschicht 7 B D geteiltes Ethernet Medium A MAC Adresse 72:B0:11:2C:00:3C C 28:A3:60:43:C2:4B E Adressierung der Hosts durch 48-bit große MAC-Adresse (Media Access Control) Auflösung der MAC-Adresse zu einer IP-Adresse durch ARP (Address Resolution Protocol) Regelung des Medienzugriffs durch CSMA/CD-Verfahren (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) (http://www.erg.abdn.ac.uk/users/gorry/course/lan-pages/csma-cd.html)

8 Aufbau Ethernet Paket Präambel (0 31) Zieladresse (32 47) Präambel (32 63) Zieladresse (0 31) Quelladresse (0 15) Quelladresse (0 15) Paket Typ Daten Daten Prüfsumme Präambel ( ) dient zur Sender-Empfänger-Synchronisierung Maximal 1500 Bytes Nutzdaten pro Frame (Header + Trailer: 18 Byte) Mindestgröße eines Frames ist 64 Bytes 1. Vereinfacht Kollisionsbehandlungen 2. Verhindert späte Kollisionen Nutzdaten werden aufgefüllt falls kleiner als 46 Bytes

9 TCP/IP: Ethernet als Netzzugangsschicht 9 Ab ca. 50% Auslastung führt der gemeinsame Medienzugriff zur Überlastung Switches statt Hubs lösen das Problem durch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen Trotzdem: Anzahl der Hosts in einem Netzwerk ist beschränkt Internetworking zum Verbinden verschiedener Netze Alternative Implementierungen einer Netzzugangsschicht: Wireless LAN, Zugriffssteuerung durch CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) CAN Bus (Controller Area Network), eingesetzt im Auto oder anderen störanfälligen Bereichen, Zugriffssteuerung durch CSMA/BA (Carrier Sense Multiple Access with Bitwise Arbitration) InfiniBand (z.b. im ZIV-HPC), Token Ring, ATM,...

10 TCP/IP: Vermittlungsschicht 10 Die Vermittlungsschicht verbindet mehrere Netzwerke. Aufgaben: Adressierung Wegewahl (Routing) Kommunikationskontrolle Segmentierung/Reassemblierung

11 Vermittlungsschicht: Internet Protocol (IP) 11 Zahl der Rechner an einem Ethernet Netzwerk ist begrenzt (Kollisionen) Internet Protokoll dient zum Zusammenschluss mehrerer Netzwerke (nicht nur Ethernet) Paketorientiertes Protokoll: Längere Nachrichten werden in Pakete zerlegt, diese einzeln verschickt Pakete können weiter unterteilt werden, falls sie zu groß für ein bestimmtes Netzwerk sind (Fragmentierung) Nicht zuverlässige Übertragung: Pakete können verlorengehen Pakete können mehrfach ankommen Pakete können sich gegenseitig überholen Ursprünglich IPv4 (32Bit Adressen), wird ersetzt durch IPv6 (128 Bit Adressen)

12 IP-Adresse: IPv4 vs. IPv6 12 IPv4 Jedem Netzwerk Interface wird eine netzweit eindeutige IPv4 Adresse (32 Bit) zugeordnet Unterteilt in Netzadresse und Knotenadresse Moderne Variante: Netzmasken Geben an welche Bits zur Netzadresse gehören CIDR: Classless Internet Domain Routing Beispiel: Maske: Andere Schreibweise: /22 Nur Netzwerk (Hostteil auf null setzen ): /16 IPv6 Jedem Netzwerk Interface können mehrere IPv6 Adressen (128Bit) zugeordnet sein Auch unterteilt in Netz- und Knotenadresse nach dem CIDR Prinzip Hexadezimale Darstellung: 2001:660:3003::/ :660:3003:2:a00:20ff:fe18:964c/64

13 Vermittlungsschicht: Wegewahl (Routing) A Netzadresse /24 Netzadresse / [...] Ein Router vermittelt zwischen (mindestens) zwei Netzen Routing-Tabellen geben an (in normalen Hosts wie auch in den Routern), über welches Interface ein Paket weitergeleitet werden soll

14 Vermittlungsschicht: Wegewahl (Routing) 14 Beispiel: Routing-Tabelle des Host A Destination Gateway Genmask Iface eth lo eth0 Beispiel: Routing-Tabelle des Routers 1 Destination Gateway Genmask Iface eth lo eth eth1

15 Vermittlungsschicht: Wegewahl (Routing) 15 Für den Routing-Vorgang und das Anpassen der Routing-Tabellen (adaptives Routing, z. B. bei Teilnetzausfall) gibt es eine Vielzahl von Mechanismen, z. B.: RIP: Routing Information Protocol (veraltet) OSPF: Open Shortest Path First BGP: Border Gateway Protocol...(Vgl. Tanenbaum, Computernetzwerke) Grundsätzlich: Best effort -Kommunikation Keine Auslieferungsgarantie Paketreihenfolge kann sich ändern Pakete können auf verschiedenen Routen zum Empfänger gelangen Keine Dienstgüteunterstützung (Quality of Service)

16 Vermittlungsschicht: Wegewahl (Routing) 16 Time To Live eines IP-Paketes: TTL-Feld im IP-Header wird durch jeden Router dekrementiert Bei TTL=0 wird das Paket verworfen Schützt vor Routing-Zyklen durch defekte Routen Das TTL-Feld wird auch zum Anzeigen einer Route zu einem Zielhost mit tracepath/traceroute benutzt

17 Vermittlungsschicht: Wegewahl (Routing) 17 tracepath 1: SCHAF01 ( ) ms 1: RZB-0190-V222.UNI-MUENSTER.DE ( ) 0.644ms 2: UNIA0010-RZB-0190.UNI-MUENSTER.DE ( ) 0.696ms 3: ACSA0013-UNIA0010.UNI-MUENSTER.DE ( ) 0.851ms 4: ACSA0011-ACSA0013.UNI-MUENSTER.DE ( ) 1.015ms 5: ACSA0012-ACSA0011.UNI-MUENSTER.DE ( ) 2.160ms 6: UNIA0100-ACSA0012.UNI-MUENSTER.DE ( ) 2.597ms 7: UNIA4019-UNIA0100.UNI-MUENSTER.DE ( ) 2.765ms 8: C65RISPA-UNIA.UNI-MUENSTER.DE ( ) 1.466ms 9: xr-mue2-te1-3.x-win.dfn.de ( ) 1.347ms 10: xr-dui1-te2-1.x-win.dfn.de ( ) 3.654ms 11: xr-aac1-te1-1.x-win.dfn.de ( ) 6.309ms 12: zr-fra1-te x-win.dfn.de ( ) ms 13: te3-1.c302.f.de.plusline.net ( ) ms 14: heise2.f. de. plusline. net ( ) ms 15: heise2.f. de. plusline. net ( ) asymm ms Resume: pmtu 1500

18 Routing Beispiel: X-WiN 18 Quelle: DFN,

19 Vermittlungsschicht: Kommunikationskontrolle 19 Das Internetprotokoll beeinhaltet zwei Protokolle zur Steuerung der Kommunikation: ICMP Internet Control Message Protocol Spezifiziert Steuerungsnachrichten wie Host Unreachable, Fragmentation Needed, DF Set, TTL Exceeded oder Echo Request und Echo Reply (für ping) Im Allgemeinen können ICMP-Nachrichten verschickt werden, müssen aber nicht IGMP Internet Group Management Protocol Spezifiziert Steuerungsnachrichten für Multicast-Kommunikation

20 Vermittlungsschicht: Segmentierung/Reassemblierung 20 Die MTU (Maximum Transfer Unit) als maximale Nutzdatengröße eines Frames der Netzzugangsschicht ist üblicherweise kleiner als die eines IP-Paketes (64 kb). Zwei Segmentierungstrategien: 1 Dynamisch durch die Router Jeder Router kennt die MTU der angeschlossenen Netze Beim Routing von grösserer auf kleinerer MTU (z.b. von ATM (4500) auf Ethernet (1500)) teilt der Router zu grosse IP-Pakete auf: IP Header Daten IP Header IP IP Datenfragment Header Datenfragment Header Datenfragment

21 Vermittlungsschicht: Internet Protocol (IP) 21 2 Statisch direkt beim Sender mit Path MTU Discovery (RFC 1191) Ermittelt geringste MTU auf dem kompletten Weg zum Empfänger: A Wähle geeignete Anfangs-MTU und zerlege IP-Pakete entsprechend B Setze DF-Bit im IP-Header (Don t Fragment) C Versende Pakete D Bei Empfang von ICMP Frag Needed, DF Set Nachricht eines Routers verringere MTU entsprechend und beginne bei A Problem 1: Pakete können auf verschiedenen Routen zu demselben Empfänger ausgeliefert werden. Trotzdem praktikabel, da Routen im Internet meist stabil Problem 2: ICMP-Nachrichten werden mitunter von schlecht konfigurierten Firewalls oder NAT-Routern geblockt Dynamische Segmentierung/Reassemblierung belastet Router, deswegen wird üblicherweise die Segmentierung am Sender vorgenommen.

22 IP-Pakete: IPv4 22 Hier: Adressen = IP-Adressen Version HLänge Diensttyp Gesamtlänge (Bytes) Fragmentidentifizierung Flags Fragmentadresse TTL Protokoll Kopfprüfsumme Quelladresse Zieladresse 0 1 Optionen Füllbyte Daten...

23 Linux/BSDs: Netzwerkinformationen 23 Anzeigen von Information und steuern des TCP/IP Stacks: Iproute2,ip(8) Anzeigen von Adressen: ip address show Anzeigen von Routing-Tabellen: ip route show Anzeigen des ARP-Caches: ip neighbour show Weitere tools (iputils) Route eines Pakets verfolgen: traceroute oder tracepath Well-known ports: /etc/services Weiterführende Online Referenz: Literatur: Tanenbaum, Computernetzwerke

24 TCP/IP: Transportschicht 24 Aufgabe der Transportschicht: Datentransport zwischen Prozessen Zwei Transportprotokolle im TCP/IP-Stack: UDP - User Datagram Protocol Unzuverlässige Kommunikation, kein Verbergen der zugrundeliegenden IP-Unzuverlässigkeiten Protokollentwickler muss selbst Mechanismen zu Erreichen der gewünschten Zuverlässigleit implementieren TCP - Transmission Control Protocol Expliziter Verbindungsaufbau Erhält Absendereihenfolge von Daten Liefert Daten garantiert aus Welches Protokoll man einsetzt hängt von der Anwendung ab

25 Transportschicht: UDP-Header Quell Port Ziel Port Länge Prüfsumme Daten...

26 Transportschicht: TCP-Header Quell Port Ziel Port Sequenznummer Bestätigungsnummer Offset nicht verw Fenster Prüfsumme Dringlich Optionen Füllbytes Daten... 1 URG 2 ACK 3 PSH 4 RST 5 SYN 6 FIN

27 Transportschicht: TCP-Zustandsautomat 27 timeout/rst SYN RECVD SYN/SYN,ACK RST/ (passive open)/ CLOSED LISTEN SYN/SYN,ACK (active open)/syn (send data)/syn EINGABE/AUSGABE (Anwendungsbefehlle) SYN SENT (close) timeout ACK/ SYN,ACK/ACK (close)/fin (close)/fin ESTABLISHED FIN/ACK CLOSE WAIT FIN WAIT 1 ACK/ FIN/ACK FIN,ACK/ACK CLOSING ACK/ (close)/fin LAST ACK ACK/ FIN WAIT 2 FIN/ACK TIME WAIT timeout

28 Transportschicht: TCP-Verbindungsaufbau 28 3-way handshake : CLOSED (active open) SYN SENT ESTABLISHED SEQ=100 CTL=SYN SEQ=300 ACK=101 CTL=SYN,ACK SEQ=101 ACK=301 CTL=ACK DATA CLOSED (passive open) LISTEN SYN RECVD ESTABLISHED

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