KOMMUNIKATIONSNETZE UND - PROTOKOLLE 6. TRANSPORTSCHICHT. KNP: 6. Transport. 1 / v5. prof. dr. Werner Winzerling

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1 KOMMUNIKATIONSNETZE UND - PROTOKOLLE 6. TRANSPORTSCHICHT 1 / v5

2 6. TRANSPORTSCHICHT HEUTIGES LERNZIEL: Aufbau und Aufgaben der Transportschicht Dienste der Transportschicht (Ende-zu-Ende- Verbindung, Flussteuerung) Protokolle TCP und UDP Adressumsetzung mit NAT bzw. PAT 2 / v5

3 6. TRANSPORTSCHICHT 6.1 ALLGEMEINES 6.2 Socket-Adressierung 6.3 Protokolle der Transportschicht 6.4 TCP-Verbindungsaufbau 6.5 Überlastvermeidung 6.6 NAT und PAT 3 / v5

4 INTERNET-TRANSPORTSCHICHT INTERNET- BEZEICHNUNGEN SCHICHT (OSI-BEZEICHNUNG) TELNET HTTP SMTP DNS Anwendung Protokolle TCP UDP Transport IP Vermittlung Netze Festnetz- verbindung Wählnetz (Telefon,..) Funknetz LAN Sicherung und Bitübertragung 4 / v5

5 INTERNET-TRANSPORTSCHICHT DIE IDEE DES INTERNETS: ein möglichst einfaches ( nicht intelligentes ) Kommunikationsnetz nutzen zu können dafür alle höhere Funktionalität in den Endgeräten (Computern) ausführen TRANSPORTSCHICHT: Erste höhere Schicht, nur auf den Endgeräten Bietet höhere Funktionalität gegenüber dem Kommunikationsnetz Sichere Ende-Zu-Ende-Verbindung über einem unzuverlässigen Kommunikationsnetz 5 / v5

6 TRANSPORTSCHICHT Host Transportschicht Host ENDE-ZU-ENDE-ÜBERTRAGUNG Seg Vermittlungsschicht TATSÄCHLICHE KOMMUNIKATION 6 / v5

7 TRANSPORTSCHICHT Seg Seg Seg 7 / v5

8 SICHT DER TRANSPORTSCHICHT Sichere und fehlerfreie Ende-zu-Ende-Verbindung ENDE-ZU-ENDE-SICHT DER TRANSPORTSCHICHT Quell-Host Ziel-Host Transport Transport Kommunikations-Teilnetz Vermittlung Vermittlung Vermittlung Vermittlung Endsystem Router Router Endsystem Ketten-Verbindung von der Quelle zum Ziel NETZWERK-WEITE SICHT DER VERMITTLUNGSSCHICHT 8 / v5

9 MULTIPLEXEN IN DER TRANSPORTSCHICHT Host 1 Host 2 Host 3 Quelle A Quelle B Quelle C Ziel A Ziel B Ziel C Transport Transport Transport Vermittlung Vermittlung Vermittlung Mehrere Transportverbindungen nutzen eine gemeinsame Netze-Verbindung der Vermittlungsschicht 9 / v5

10 AUFGABEN DER TRANSPORTSCHICHT (Transport Layer) Sichere und fehlerfreie End-zu-End-Verbindung zwischen Quell- und Ziel-Host Transportschicht bietet eine sichere End-zu-End-Verbindung zwischen Quellund Ziel-Host Vermittlungsschicht transportiert Pakete von der Quell- zur Zielmaschine über Transit-Maschinen (Router) hinweg, aber unzuverlässig Multiplexen mehrerer Transportverbindungen über eine gemeinsame Verbindung der Vermittlungsschicht 10 / v5

11 6. TRANSPORTSCHICHT 6.1 Allgemeines 6.2 SOCKET-ADRESSIERUNG 6.3 Protokolle der Transportschicht 6.4 TCP-Verbindungsaufbau 6.5 Überlastvermeidung 6.6 NAT und PAT 11 / v5

12 SOCKET-ADRESSEN DER TRANSPORTSCHICHT SOCKET-ADRESSE = PORT-NUMMER + IP-ADRESSE Prozess Prozess Anwendungsschicht Prozess Prozess PORT-NUMMER Transportschicht (TCP / UDP) Vermittlungsschicht (IP) IP-ADRESSE 12 / v5

13 SOCKET-ADRESSEN DER TRANSPORTSCHICHT SOCKET-ADRESSE = PORT-NUMMER + IP-ADRESSE T-SAP (Transport Service Access Point) Bestimmt den Dienst in der Anwendungsschicht Für die Portnummer werden 16 bit ( ) verwendet Unterschieden werden hierbei: System Ports ( ) User Ports ( ) Dynamic Ports ( ) von der Internet Engineering Task Force (IETF) vergeben (auch: well-known Port) Zuordnung erfolgt auf Antrag von der IANA (auch: Registered Ports) zur freien Verfügung, z.b. für den aktiven Verbindungsaufbau von Clients 13 / v5

14 SOCKET-ADRESSEN IM INTERNET CLIENT Anwendungsschicht SERVER Client- Programm -MTA FTP-Server WWW-Server PORT-NUMMER 25 20, Transportschicht IP-ADRESSE IP-ADRESSE Vermittlungsschicht 14 / v5

15 TRANSPORTVERBINDUNG ZUR SOCKET-ADRESSE Ermittlung des T-SAP des Ziels beim Aufbau einer Transport-Verbindung durch einen Client-(Prozess) zu einem bestimmten Server-Dienst (Beispiel Web-Server). Portzuweisung entsprechend der Transport Protocol Port Number Registry Ermittlung der IP-Adresse über DNS-Dienst Ziel-Socket (Port = 80, IP = ) 15 / v5

16 VERGABE VON PORT-NUMMERN Service Name and Transport Protocol Port Number Registry ACHTUNG LIVE-DEMO! 16 / v5

17 BEISPIELE PORT-NUMMERN PORT DIENST PROTOKOLL BEMERKUNG 20,21 ftp TCP FTP-Zugriff, Dateitransfer 22 ssh TCP Secure Shell - sicherer (verschlüsselter) remote login 23 telnet TCP TELNET - Unverschlüsselte Möglichkeit des remote login 25 smtp TCP Simple Mail Transfer Protocol ( s versenden) 53 domain TCP/UDP Domain Name Server (Internet-Namensdienst) 80 http TCP Hypertext Transfer Protocol (www) 110 pop3 TCP Post Office Protocol ( s abholen) 111 sunrpc TCP/UDP Remote Procedure Call (der häufigste Angriffsport) 123 ntp UDP Zeitsynchronisation übers Netz 143 imap4 TCP Internet Mail Protocol ( s abholen) 161 snmp UDP Simple Network Management Protocol 443 https/ssl TCP Sicheres http Protocol über TLS / SSL 515 printer TCP Netzwerkdrucker 17 / v5

18 DIREKTE PORT-ZUORDNUNG In einem Internet-Link kann der gewünschte Ziel-Port auch direkt angeben werden: Port 8080 wird als alternativer HTTP-Zugang genutzt 18 / v5

19 ZUSAMMENFASSUNG: SOCKET-ADRESSIERUNG Der T-SAP (Service Access Point der Transportschicht) wird als Socket bezeichnet und umfasst die IP-Adresse sowie die Portnummer. Über die Portnummer wird ein bestimmter Dienst der Anwendungsschicht adressiert. Um über ankommende Verbindungswünsche von Clients informiert zu werden, muss sich ein Serverprozess vorher an einen bestimmten Port binden. Die Zuordnung eines Dienstes zu einer Portnummer erfolgt durch zentrale Internet-Organisationen (IETF, IANA) und wird in der Service Name and Transport Protocol Port Number Registry beschrieben. 19 / v5

20 6. TRANSPORTSCHICHT 6.1 Allgemeines 6.2 Socket-Adressierung 6.3 PROTOKOLLE DER TRANSPORTSCHICHT 6.4 TCP-Verbindungsaufbau 6.5 Überlastvermeidung 6.6 NAT und PAT 20 / v5

21 AUFGABEN DER TRANSPORTSCHICHT Client Anwendungsschicht Server T-SAP T-SAP Transportverbindung Die Protokolle der Anwendungsschicht nutzen die Dienste der Transportschicht Sie benötigen in vielen Fällen einen fehlerfreien, zuverlässigen und sicheren Transportkanal Die Anwendungsprotokolle (z.b. Client und Server) nutzen eine Transportverbindung wie ein "Rohr" 21 / v5

22 BESONDERHEIT DER TRANSPORTSCHICHT Die Vermittlungsschicht im Internet ist jedoch unzuverlässig ( Best effort : Paketverlust und Paketduplikate können auftreten) Transportschicht ist "letzte Instanz" zur Behebung von Restfehlern Deshalb kommt einem verbindungsorientierten zuverlässigen Dienst eine besondere Bedeutung zu Die Protokolle der Anwendungsschicht nutzen die Dienste der Transportschicht Sie benötigen in vielen Fällen einen fehlerfreien, zuverlässigen und sicheren Transportkanal Die Anwendungsprotokolle (z.b. Client und Server) nutzen eine Transportverbindung wie ein "Rohr" 22 / v5

23 PROTOKOLLE DER TRANSPORTSCHICHT Im TCP-IP-Modell wurden zwei Ende-zu-Ende-Transport-Protokolle definiert: Verbindungsorientiert TCP Verbindungslos UDP Unzuverlässig Zuverlässig TCP : Transmission Control Protocol UDP : User Datagram Protocol 23 / v5

24 PROTOKOLLE DER TRANSPORTSCHICHT TCP (Transmission Control Protocol) : verbindungsorientiert + zuverlässig Überträgt einen Bytestrom fehlerfrei von der Quelle zum Ziel Bytestrom wird in der Quelle in Segmente (T-PDU) zerlegt und am Ziel wieder zusammengesetzt Es erfolgt ein Geschwindigkeitsausgleich (Flusssteuerung) zwischen schnellen Sendern und langsamen Empfängern UDP (User Datagram Protocol) : verbindungslos + unzuverlässig Setzt direkt auf (unzuverlässiger) IP-Schicht auf (UDP-Segment wird nur in IP-Paket eingepackt) Zuverlässigkeit muss hier die Anwendungsschicht sicher stellen Für einmalige Abfragen in Client / Server-Anwendungen oder dort wo Schnelligkeit der Zustellung wichtiger ist, als Genauigkeit (z.b. bei Sprach- oder Videoübertragung) 24 / v5

25 AUFBAU EINER TCP-NACHRICHT (SEGMENT) TCP Quell-Portnummer TCP Ziel-Portnummer Folgenummer (Sequence) Bestätigungsnummer (Acknowledgment) Header Länge Flags Fenstergröße Prüfsumme Dringlichkeits-Zeiger (Urgent Pointer) Optionale Headerfelder Daten (optional) reserviert 1 Byte 25 / v5

26 FELDER DES TCP-HEADER HEADER-FELD Quell-Portnummer Ziel-Portnummer Folgenummer Bestätigungsnr. Header Länge reserviert Flags Fenstergröße Prüfsumme Dringlichkeits-Zeiger Optionale Header Daten (optional) BEDEUTUNG Portnummer des Senders Portnummer des Empfängers Folgenummer des 1. Bytes im Datenfeld Folgenummer des nächsten erwarteten Bytes (4 bit) Länge des TCP-Headers in 32-bit Worten (6 bit) 6 Flagbits Größe des freien Empfangspuffers Nur für ausgewählte (Pseudo)-Headerfelder Zeigt (bei Bedarf) auf dringende Daten im Datenfeld Optionale zusätzliche Header Daten (max. 64 KibiByte) 26 / v5

27 FLAGS IM TCP-HEADER FLAG URGent ACK PUSH RST SYN FIN BEDEUTUNG Dringlichkeits-Zeiger ist gesetzt Bestätigungs-Nummer (Acknowledgment) ist gültig Empfangene Daten sofort an Anwendung weitergeben (nicht puffern) Restart: Verbindung zurücksetzen, z.b. weil Host abgestürzt war Verbindungsaufbau (CONNECTION) Verbindungsabbau (DISCONNECTION) 27 / v5

28 AUFBAU EINER UDP-NACHRICHT (SEGMENT) UDP Quell-Portnummer UDP Ziel-Portnummer UDP Segment Länge 1 Byte Prüfsumme Daten (optional) HEADER-FELD BEDEUTUNG Quell-Portnummer Portnummer des Senders Ziel-Portnummer Portnummer des Empfängers Segment Länge Länge des UDP-Segmentes (Header und Daten) Prüfsumme Nur für ausgewählte (Pseudo)-Headerfelder Daten (optional) Daten (max. 64 KiByte) 28 / v5

29 ALTERNATIVE DARSTELLUNG EINES SEGMENTS 29 / v5

30 GRÖSSE EINES TCP-PAKETES Typische Größe eines TCP-Segmentes: Byte IP-Pakete zwar theoretisch bis 64 KibiByte, ABER: Auf dem Weg dazwischen meist irgendwo ein Ethernet Im Ethernet max. Framegröße Bytes (inklusive aller Header!) TCP- und IP-Protokoll definieren jeweils einen Header von 20 Bytes Damit bleiben Bytes (= Bytes im Ethernet 20 Bytes TCP-Header 20 Bytes IP-Header) Bei DSL-Anschlüssen zusätzlich noch PPP-Protokoll mit 8 Byte Header Damit reduzieren sich Nutzdaten auf = Bytes 30 / v5

31 PROBLEM DUPLIZIERTER NACHRICHTEN VERMITTLUNGSSCHICHT HOST 1 (SICHERUNGSSCHICHT) HOST 2 Zeit Warten auf Acknowledgment DATA ACK DATA Time-Out Wiederholen Übertragung o.k. DATA ACK DATA (doppelt) 31 / v5

32 LÖSUNG IM TCP-PROTOKOLL Zur Vermeidung duplizierter Nachrichten werden im TCP-Protokoll als Folgenummer die übertragenen Bytes nummeriert Der Sender gibt im Header-Feld Sequence die Folgenummer des ersten übertragenen Bytes des Blockes an Der Empfänger bestätigt die Übertragung im Acknowledgment mit der Folgenummer des nächsten erwarteten Bytes Beide Partner beginnen mit einer zufällig gewählten Folgenummer 32 / v5

33 FOLGENUMMER IM TCP 10 Byte 5 Byte 5 Byte (nur ACK) Seq=42, ACK=71, 10 Byte Daten Seq=71, ACK=52, 5 Byte Daten Seq=52, ACK=76, 5 Byte Daten Seq=76, ACK=57, 0 Byte Daten 10 Byte 5 Byte 5 Byte (nur ACK) 33 / v5

34 ZUSAMMENFASSUNG: TRANSPORT-PROTOKOLL Die Protokolle der Anwendungsschicht nutzen die Dienste der Transportschicht Transportschicht ist "letzte Instanz" zur Behebung von Restfehlern TCP (Transmission Control Protocol) bietet einen verbindungsorientierten und zuverlässigen Dienst TCP überträgt einen Bytestrom fehlerfrei von der Quelle zum Ziel Zur Vermeidung duplizierter Nachrichten werden im TCP-Protokoll als Folgenummer die übertragenen Bytes nummeriert UDP (User Datagram Protocol) bietet (nur) einen verbindungslosen und unzuverlässigen Dienst UDP setzt direkt auf unzuverlässiger IP-Schicht auf UDP eignet sich für einmalige Abfragen in Client / Server-Anwendungen oder wo Schnelligkeit wichtiger ist als Genauigkeit (Sprach- oder Videoübertragung) 34 / v5

35 ÜBUNG: FOLGENUMMERN IM TCP Tragen Sie für den skizzierten TCP-Ablauf in die Lücken, die korrekten Sequenz- und ACK-Folgenummern ein: 5 Byte Seq=21, ACK=55, 5 Byte Daten 5 Byte 1 Byte Seq=, ACK=, 1 Byte Daten 1 Byte 20 Byte Seq=, ACK=, 20 Byte Daten 20 Byte 35 / v5 Übung

36 6. TRANSPORTSCHICHT 6.1 Allgemeines 6.2 Socket-Adressierung 6.3 Protokolle der Transportschicht 6.4 TCP-Verbindungsaufbau 6.5 Überlastvermeidung 6.6 NAT und PAT 36 / v5

37 VERBINDUNGAUFBAU IM TCP-PROTOKOLL Zur Vermeidung duplizierter Nachrichten werden im TCP-Protokoll als Folgenummer die übertragenen Bytes nummeriert Der Sender gibt im Header-Feld Sequence die Folgenummer des ersten übertragenen Bytes des Blockes an Der Empfänger bestätigt die Übertragung im Acknowledgment mit der Folgenummer des nächsten erwarteten Bytes Beide Partner beginnen mit einer zufällig gewählten Folgenummer Beim Verbindungsaufbau für einen verbindungsorientierten Dienst wird ein Dreiwege-Handshake-Verfahren genutzt (Three-Way-Handshake) Aus Performance-Gründen wird die 3. Phase des Verbindungsaufbaus bereits für das erste Daten-Paket genutzt 37 / v5

38 TCP-VERBINDUNGSAUFBAU Verbindungswunsch CLIENT VERMITTLUNGSSCHICHT CR (seq = x) SERVER ACK (seq = y, ack = x) Verbindung o.k. DATA (seq = x+1, ack = y) Verbindung steht CR ACK DATA Connection Request Acknowledgment Datenübertragung seq neue Folgenummer ack Bestätigung einer Folgenummer 38 / v5

39 FALL 1: DUPLIKAT IM VERBINDUNGSAUFBAU CLIENT VERMITTLUNGSSCHICHT SERVER es sei: seq = a CR (seq = x) Ein dupliziertes CR wird akzeptiert Erkennt Fehler falsches seq: a x ACK (seq = y, ack = x) REJECT (ack = y) Vermeintliche Verbindung wird bestätigt Verbindung wird abgebrochen Am Server taucht plötzlich das Duplikat eines früheren CR (Verbindungswunsch) des Client auf. 39 / v5 CR Connection Request ACK Acknowledgment REJECT Zurückweisen DATA Datenübertragung

40 FALL 2: DUPLIKATE IM VERBINDUNGSAUFBAU CLIENT VERMITTLUNGSSCHICHT SERVER es sei: seq = a Erkennt Fehler falsches seq: a x CR (seq = x) ACK (seq = y, ack = x) DATA (seq = x+1, ack = z) REJECT (ack = y) Ein dupliziertes CR wird akzeptiert Vermeintliche Verbindung wird bestätigt Erkennt Fehler falsches ack: z y Verbindung wird abgebrochen Worst Case: Am Server taucht das Duplikat eines früheren CR (Verbindungswunsch) und des folgenden ACK des Client auf. 40 / v5 CR Connection Request ACK Acknowledgment REJECT Zurückweisen DATA Datenübertragung

41 AUFBAU EINER TCP-NACHRICHT (SEGMENT) TCP Quell-Portnummer TCP Ziel-Portnummer Folgenummer (Sequence) Bestätigungsnummer (Acknowledgment) Header Länge Flags Fenstergröße Prüfsumme Dringlichkeits-Zeiger (Urgent Pointer) Optionale Headerfelder Daten (optional) reserviert 1 Byte 41 / v5

42 FLAGS IM TCP-HEADER FLAG URGent ACK PUSH RST SYN FIN BEDEUTUNG Dringlichkeits-Zeiger ist gesetzt Bestätigungs-Nummer (Acknowledgment) ist gültig Empfangene Daten sofort an Anwendung weitergeben (nicht puffern) Restart: Verbindung zurücksetzen, z.b. weil Host abgestürzt war Verbindungsaufbau (CONNECTION) Verbindungsabbau (DISCONNECTION) PHASE FLAG: SYN FLAG: ACK ERLÄUTERUNG 1. CR 1 0 CONNECTION REQUEST 2. ACK 1 1 CONNECTION ACCEPT 3. DATA 0 1 ACCEPT "CONNECTION ACCEPT" 42 / v5

43 VISUALISIERUNG DES TCP-VERKEHRS PACKET FLIGHT: HTTP REQUEST Visualisierung eines HTTP-Request mit Bildern, 40-mal langsamer. TCP-Verbindungsaufbau im 3-Wege-Handshake, langsamer Start, Anlaufphase und dann Phase mit voller Bandbreite. Quelle: Carlos Bueno 43 / v5

44 VISUALISIERUNG DES TCP-VERKEHRS PACKET FLIGHT: YOUTUBE-VIDEO Visualisierung der Pakete eines YouTube Videos, 12-mal langsamer. TCP-Verbindungsaufbau im 3-Wege-Handshake, irgendwelche Client-Server-Protokoll-Aushandlungen und volles Hochlaufen der Übertragungsgeschwindigkeit. Quelle: Carlos Bueno Datenpakete Steuerpakete ACK, SYN, usw. 44 / v5

45 ZUSTANDSAUTOMAT TCP-VERBINDUNGSAUFBAU ZUSTANDSÜBERGANG: Eingabe / Ausgabe Ausgangszustand Folgezustand 45 / v5

46 ZUSTANDSAUTOMAT SERVER CLOSED CONNECT / SYN LISTEN / - CLIENT SYN / SYN + ACK LISTEN SYN RCVD SYN SENT ACK / - ESTABLISHED SYN + ACK / ACK 46 / v5

47 ZUSTANDSAUTOMAT CR (SYN, seq = x) ACK (SYN, seq=y, ACK=x) DATA (seq=x+1, ACK=y) CLIENT SERVER CLOSED CLOSED LISTEN CONNECT/ SYN SYN / SYN + ACK LISTEN / - LISTEN SYN RCVD SYN SENT SYN RCVD SYN SENT ESTABLISHED SYN + ACK / ACK ACK / - ESTABLISHED 47 / v5

48 ZUSTANDSAUTOMAT 48 / v5

49 PROBLEME BEIM TCP-VERBINDUNGSAUFBAU Angenommen, ein Client würde sehr viele Verbindungsanforderungen an einen Server senden, ohne danach die Verbindungsbestätigung des Server, mit der dritten Phase des Dreiwege-Handshake-Verfahren zu beantworten. Was würde dann passieren? CLIENT CR (seq = x) ACK (seq = y, ack = x) DATA (seq =? x+1, ack = y) SERVER 49 / v5 Lücke+

50 ZUSTANDSAUTOMAT CR (seq = x) ACK (seq = y, ack = x) CLIENT SERVER CLOSED LISTEN CLOSED CONNECT/ SYN LISTEN / - SYN / SYN + ACK LISTEN SYN RCVD SYN SENT SYN RCVD SYN SENT ESTABLISHED SYN + ACK / ACK ESTABLISHED 50 / v5 Lücke+

51 ZUSTANDSAUTOMAT CR (seq = x) NAK (seq = y, ack = x) CLIENT SERVER CLOSED LISTEN CLOSED CONNECT/ SYN LISTEN / - SYN / SYN + NAK LISTEN SYN RCVD SYN SENT SYN RCVD SYN SENT ESTABLISHED ESTABLISHED 51 / v5 Lücke+

52 ZUSTANDSAUTOMAT (1) (2) Time-Out beim Warten auf die 2. Phase des Dreiwege-Handshake-Verfahren dauert default 60 Minuten (!), Kann jedoch nicht unter 50 Sekunden verkürzt werden (Laufzeiten im Netz) Abwehr diese Angriffs nur durch zusätzliche, vorgeschaltete Maßnahmen möglich oder durch Erweiterungen des TCP-Protokolls 52 / v5 Lücke+/

53 6. TRANSPORTSCHICHT 6.1 Allgemeines 6.2 Socket-Adressierung 6.3 Protokolle der Transportschicht 6.4 TCP-Verbindungsaufbau 6.5 Überlastvermeidung 6.6 NAT und PAT 53 / v5

54 AUFGABE DER FENSTERSTEUERUNG Ein Sender darf Nachrichten nicht schneller sendet, als der Empfänger diese verarbeiten kann Die Steuerung erfolgt über den Empfangspuffers, dessen freier Speicherplatz der Empfänger mit seinen ACK-Nachrichten laufend an den Sender zurück meldet 54 / v5

55 FENSTERGRÖSSE IN TCP-NACHRICHT TCP Quell-Portnummer TCP Ziel-Portnummer Folgenummer (Sequence) Bestätigungsnummer (Acknowledgment) Header Länge Flags Fenstergröße Prüfsumme Dringlichkeits-Zeiger (Urgent Pointer) Optionale Headerfelder Daten (optional) 16 bit ( ) reserviert 1 Byte 55 / v5

56 FLUSSSTEUERUNG IM TCP Anwendung schreibt 2 KB SENDER Verbindungsaufbau win = K seq = 0 EMPFÄNGER Leer 4K Puffer 2K Anwendung schreibt 2 KB ack = 2048 win = 2048 schreibt 1 KB blockiert kann bis 2K übertragen 2K seq = 2048 ack = 4096 win = 0 ack = 4096 win = K seq = K voll 2K 2K liest 2K usw. 56 / v5

57 ÜBERLASTSITUATION Transport Seg NACH TIME-OUT: WIEDERHOLUNG! Transport Vermittlung Paket Vermittlung Vermittlung Überlastet Vermittlung HOST NETZ HOST 57 / v5

58 ROUTER MIT WARTESCHLAGEN Warteschlagen in Routern sind endlich Läuft Warteschlage voll, dann werden weiter ankommende Pakete gelöscht QUELLE Leaky-Bucket (Tropfender Eimer) PAKETE GEHEN VERLOREN Unregulierter Fluß Schnittstelle mit "tropfendem Eimer" Regulierter Fluß SENKE 58 / v5

59 TCP-ÜBERLASTKONTOLLE Sender darf Pakete nicht schneller senden, als diese vom Netz übertragen werden Da die IP-Vermittlungsschicht verbindungslos arbeitet, sind keine direkten Informationen über die Ende-zu-Ende-Netzgeschwindigkeit verfügbar Um dennoch die Senderate dem Netz anpassen zu können, wertet der Sender verschiedene indirekte Netz-Parameter aus: die Round Trip Time (RTT), die Zeit zwischen gesendetem Segment und empfangenen ACK Verlorene Pakete (3 erfolglose Versuche eine Paket zu übertragen SCHLIMM) Verlorene Bestätigungen (Time Out aufgrund fehlender ACK SEHR SCHLIMM) Sender beginnt langsam und erhöht seine Senderate, wenn er Bestätigungen (ACK) empfängt Wenn ein Datenverlust auftritt wird die Senderate sofort stark reduziert und danach wieder langsam erhöht 59 / v5

60 TCP CONGESTION CONTROL Angepasste Senderate mehrfacher Paketverlust Time Out aufgrund fehlender Rückmeldung mehrfacher Paketverlust Langsamer Beginn Langsamer Beginn Zeit 60 / v5

61 VISUALISIERUNG DES TCP-VERKEHRS PACKET FLIGHT: HTTP REQUEST Visualisierung eines HTTP-Request mit Bildern, 40-mal langsamer. TCP-Verbindungsaufbau im 3-Wege-Handshake, langsamer Start, Anlaufphase und dann Phase mit voller Bandbreite. Quelle: Carlos Bueno Datenpakete Steuerpakete ACK, SYN, usw. 61 / v5

62 ZUSAMMENFASSUNG: ÜBERLASTVERMEIDUNG Die Flusssteuerung im TCP soll Überlastsituationen vermeiden Sie verhindert, dass ein Sender Nachrichten schneller sendet, als der Empfänger verarbeiten kann und/oder das Netz dazwischen übertragen kann Die Steuerung für den Empfänger erfolgt über den Empfangspuffers, dessen freier Speicherplatz der Empfänger mit seinen ACK-Nachrichten laufend an den Sender zurück meldet Zur Anpassung der Senderate wertet der Sender verschiedene indirekte Netz- Parameter aus: Round Trip Time (RTT), Verlorene Pakete, Verlorene Bestätigungen (ACK) Sender beginnt langsam und erhöht seine Senderate, wenn er ACK empfängt Wenn ein Datenverlust auftritt wird die Senderate sofort stark reduziert und erst danach wieder langsam erhöht 62 / v5

63 6. TRANSPORTSCHICHT 6.1 Allgemeines 6.2 Socket-Adressierung 6.3 Protokolle der Transportschicht 6.4 TCP-Verbindungsaufbau 6.5 Überlastvermeidung 6.6 NAT und PAT 63 / v5

64 NAT - NETWORK ADDRESS TRANSLATION IP-Adressen sind schon seit längerer Zeit knapp! Schnell gestiegene Zahl von Computern sowie andere IP-adressierter Endgeräte (Computer in Unternehmen, über DSL mit dem Internet permanent verbundene Heimnetze usw.) Umstellung auf IPv6 erfolgt(e) nicht schnell genug Lösung durch Nutzung von NAT Endgeräte im Unternehmen bzw. im Heimnetz erhalten keine offiziellen IP- Adressen, sondern nur IP-Adressen aus dem privaten Adressbereich Private Adressen werden im Internet nicht geroutet, sie werden vom ISP (Internet Service Provider) nicht weiter geleitet Positiver Nebeneffekt: Ein Internet-Teilnehmer ist anhand seiner IP-Adresse für andere Internet-Teilnehmer nicht mehr (so leicht) identifizierbar 64 / v5

65 ADRESSUMSETZUNG MIT NAT Die privaten IP-Adressen werden im privaten Netz genutzt (und dort ggf. auch geroutet) Wenn ein Pakete ins allgemeine Internet geroutet werden soll, tauscht eine NAT-Box vorher die Adresse aus PRIVATE ADRESSBEREICHE A B C Eine private IP-Adressen wird dann gegen eine öffentliche IP-Adresse ausgetauscht Bei einem Antwort-Paket aus dem Internet wird der Adresstausch wieder rückgängig gemacht Dazu merkt sich die NAT-Box, welche IP-Adressen zusammen gehören Die NAT-Box ist meist Bestandteil eines Routers bzw. einer Firewall 65 / v5

66 ABLAUF DER ADRESSUMSETZUNG MIT NAT 66 / v5

67 PAT, DIE MODIFIZIERTE FORM VON NAT (PAT Port Address Translation ) Beim Original-NAT benötigt jede Maschine, die mit dem öffentliche Internet kommuniziert, auch eine öffentliche IP-Adresse Nur rein private Geräte (z. B. Drucker, interne Router usw.) benötigen keine öffentlichen IP-Adressen (Einsparung öffentlicher IP-Adressen) Bei PAT reichen eine (oder sehr wenige) IP-Adressen aus, um größere Mengen privater Adressen umzusetzen Zur Unterscheidung der internen privaten Adressen werden zusätzlich die dynamischen Portnummern des TCP-Protokolls genutzt Eine einzige öffentliche IP-Adresse kann so bis zu Rechner verwalten Unter NAT versteht man heute (fast) ausschließlich dessen Modifikation PAT LOKALE ADRESSE GLOBALE ADRESSE : : : : : : / v5

68 PROBLEME VON NAT BZW. PAT Verletzt das Prinzip Ein Rechner eine IP-Adresse Verletzt das Prinzip der Protokollschichtung: Die Schichten sind voneinander unabhängig (hier nutzt die Vermittlungsschicht mit den Portnummern Eigenschaften der Transportschicht) Funktioniert nur mit IP-Paketen, die TCP- bzw. UDP-Segmente transportieren Funktioniert nicht mit Protokollen, die zusätzlich IP-Adressen im Datenteil enthalten (FTP, H.323), dazu musste NAT/PAT erst entsprechend angepasst werden Neue Anwendungsprotokolle können weitere Anpassungen erforderlich machen (neue Anwendungsprotokolle können mit alten NAT/PAT-Boxen nicht genutzt werden) Hat eine schnellere Umsetzung auf IPv6 verzögert 68 / v5

69 ERGÄNZENDE HAUSAUFGABE TCP-ÜBERLASTKONTROLLE Führen Sie zur Verdeutlichung der TCP-Überlastkontolle die Animationen (Java- Applet) von Kurose und Ross aus: TCP CONGESTION CONTROL 69 / v5

70 INITIATIVE NETZNEUTRALITÄT TESTEN SIE IHREN NETZZUGANG! Mit der Initiative Netzqualität untersucht die Bundesnetzagentur die Qualitätsversprechen der Internet Provider. Über einen Webseite kann jeder Nutzer testen ob sein Internet Provider tatsächlich die versprochene Übertragungsgeschwindigkeit liefert und ob die Übertragungsneutralität gewahrt ist (ob eigenen IP-Pakten gegenüber den IP-Paketen anderer Angebote nicht benachteiligt werden) TESTEN SIE IHR INTERNETZUGANG UND BERICHTEN SIE ÜBER DAS ERGEBNIS! 70 / v5

15 Transportschicht (Schicht 4)

15 Transportschicht (Schicht 4) Netzwerktechnik Aachen, den 16.06.03 Stephan Zielinski Dipl.Ing Elektrotechnik Horbacher Str. 116c 52072 Aachen Tel.: 0241 / 174173 zielinski@fh-aachen.de zielinski.isdrin.de 15 Transportschicht (Schicht

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