Technik der IP-NETZE. 3. Auflage INTERNET-KOMMUNIKATION IN THEORIE UND EINSATZ

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1 anatol BADACH erwin HOFFMANN Technik der IP-NETZE 3. Auflage INTERNET-KOMMUNIKATION IN THEORIE UND EINSATZ

2 Badach/Hoffmann Technik der IP-Netze Bleiben Sie auf dem Laufenden! Unser Computerbuch-Newsletter informiert Sie monatlich über neue Bücher und Termine. Profitieren Sie auch von Gewinnspielen und exklusiven Leseproben. Gleich anmelden unter Hanser Update ist der IT-Blog des Hanser Verlags mit Beiträgen und Praxistipps von unseren Autoren rund um die Themen Online Marketing, Webentwicklung, Programmierung, Softwareentwicklung sowie IT- und Projekt management. Lesen Sie mit und abonnieren Sie unsere News unter

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4 Anatol Badach Erwin Hoffmann Technik der IP-Netze Internet-Kommunikation in Theorie und Einsatz 3., überarbeitete und erweiterte Auflage

5 Alle in diesem Buch enthaltenen Informationen, Verfahren und Darstellungen wurden nach bestem Wissen zusammengestellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund sind die im vorliegenden Buch enthaltenen Informationen mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autoren und Verlag übernehmen infolgedessen keine juristische Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieser Informationen oder Teilen davon entsteht. Ebenso übernehmen Autoren und Verlag keine Gewähr dafür, dass beschriebene Verfahren usw. frei von Schutzrechten Dritter sind. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Waren be zeich nungen usw. in diesem Buch berechtigt deshalb auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek: Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbiblio grafie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren) auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden Carl Hanser Verlag München, Lektorat: Brigitte Bauer-Schiewek Herstellung: Irene Weilhart Copy editing: Jürgen Dubau, Freiburg Layout: Erwin Hoffmann mit LaTeX Umschlagdesign: Marc Müller-Bremer, München Umschlagrealisation: Stephan Rönigk Druck und Bindung: Kösel, Krugzell Ausstattung patentrechtlich geschützt. Kösel FD 351, Patent-Nr Printed in Germany Print-ISBN: E-Book-ISBN:

6 I Klassisches IPv4/UDP/TCP 1 1 Grundlagen der IP-Netze Entwicklung des Internet Internet vor der Nutzung des Die Schaffung des Internet nach der Etablierung des Meilensteine der Internet-Entwicklung und Trends Funktionen der Kommunikationsprotokolle Prinzipien der Fehlerkontrolle Realisierung der Flusskontrolle Überlastkontrolle Schichtenmodell der Kommunikation Konzept des OSI-Referenzmodells Schichtenmodell der Protokollfamilie TCP/IP Allgemeine Prinzipien der IP-Kommunikation Bildung von IP-Paketen Netzwerkschicht in IP-Netzen Verbindungslose IP-Kommunikation im Internet Transportschicht in IP-Netzen Multiplexmodell der Protokollfamilie TCP/IP Komponenten der Protokollfamilie TCP/IP Protokolle der Netzwerkschicht Protokolle der Transportschicht Protokolle der Supportschicht und für Echtzeitkommunikation Komponenten der Anwendungsschicht Sicherheit der IP-Kommunikation Gesicherte und sichere Datenübertragung Hashfunktionen und Nachrichtenauthentisierung Grundzüge der symmetrische Verschlüsselung Methoden der asymmetrischen Verschlüsselung Einsatz und Systematik hybrider Verschlüsselungsmethoden IETF und Internet-Standards Schlussbemerkungen Internet-Netzwerkprotokolle IPv4, ARP, ICMP und IGMP Aufgaben von IPv Aufbau von IPv4-Paketen Differentiated Services Fragmentierung der IPv4-Pakete Optionen in IP-Paketen IPv4-Adressen Darstellung von IP-Adressen

7 VI Standard-Subnetzmaske Vergabe von IP-Adressen Bildung von Subnetzen Bestimmen von Subnetz-IDs und Host-IDs Zielbestimmung eines IP-Pakets beim Quellrechner Adressierungsaspekte in IP-Netzen Klassenlose IP-Adressierung (VLSM, CIDR) Konzept der klassenlosen IP-Adressierung VLSM-Nutzung CIDR-Einsatz Protokolle ARP und RARP Protokoll ARP Proxy-ARP Protokoll RARP Protokoll ICMP ICMP-Nachrichten ICMP-Fehlermeldungen ICMP-Anfragen Pfad-MTU Ermittlung IP-Multicasting Multicast-Adressen Internet Group Management Protocol Schlussbemerkungen Transportprotokolle TCP, UDP und SCTP Grundlagen der Transportprotokolle Konzept und Einsatz von UDP Aufbau von UDP-Paketen Protokoll UDP-Lite Funktion des Protokolls TCP Aufbau von TCP-Paketen Konzept der TCP-Verbindungen Auf- und Abbau von TCP-Verbindungen Flusskontrolle bei TCP TCP Sliding-Window-Prinzip Implementierungsaspekte von TCP Klassische TCP-Implementierungen Abschätzung der Round Trip Time Verbesserung der Effizienz von TCP Datendurchsatz beim TCP TCP Socket-Interface Angriffe gegen den TCP-Stack Socket Cloning und TCP-Handoff MSS Clamping Explicit Congestion Notification Anforderungen an ECN-fähige Netzknoten Überlastkontrolle mit ECN Signalisierung von ECN in IP- und TCP-Headern Ablauf des ECN-Verfahrens

8 VII 3.6 Konzept und Einsatz von SCTP SCTP versus UDP und TCP SCTP-Assoziationen Struktur der SCTP-Pakete Aufbau und Abbau einer SCTP-Assoziation Daten- und Nachrichtenübermittlung nach SCTP Schlussbemerkungen Domain Name System (DNS) Aufgaben des DNS Namen als Schlüssel zu Internet-Ressourcen Organisation des DNS-Namensraums Internet Root-Server Architektur des DNS-Dienstes Abfrage von IP-Adressen Ermittlung des FQDN für eine IP-Adresse Direkte Abfrage von Resource Records Resource Records Taxonomie der Resource Records Resource Records für IPv Internationalisierung des DNS (IDN) Zonen und Zonentransfer Zonendatei Zonentransfer DNS-Nachrichten DNS-Nachrichtenformate DNS-Nachrichten mit EDNS(0) DNS Security mit DNSSEC Typische Bedrohungen bei DNS Sicherung des Zonentransfers Konzept von DNSSEC Funktionale DNS-Erweiterung bei DNSSEC Ablauf des DNSSEC-Verfahrens Gesicherter Nachrichtentransport mit DNSCurve Kryptographisches Konzept von DNSCurve DNSCurve-Nachrichtenformate DNS und Internetdienste DNS und nach SMTP DNS und die ENUM-Domain DNS und VoIP mit SIP Autoritative DNS-Records: SSHFP und TLSA Internetanbindung und DNS Domain Name Registrare Dynamisches DNS Multicast-DNS-Dienste Multicast-DNS Dienstleistungsprotokolle LLMNR und UPnP Schlussbemerkungen

9 VIII 5 IP-Support-Protokolle IPv4-Autoconfiguration Einrichten von IP-Adressen Stateless Autoconfiguration für IPv4 APIPA Vergabe von IP-Adressen mit DHCP Aufbau von DHCP-Nachrichten Ablauf beim Protokoll DHCP Aufgabe von DHCP-Relay-Agents DHCP im Einsatz DHCP und PXE Network Address Translation (NAT) Klassisches NAT Konzept von NAPT Prinzip von Full Cone NAT Prinzip von Restricted Cone NAT NAT und Echtzeitkommunikationsprotokolle Session Traversal bei NAT Carrier-Grade NAT IP Security Protocol (IPsec) Ziele von IPsec Erweiterung der IP-Pakete mit IPsec-Angaben Aufbau einer IPsec-Sicherheitsvereinbarung IPsec im Authentication Mode Encapsulating Security Payload (ESP) IPsec-Einsatz im Tunnel-Mode NAT-Traversal bei IPSec Schlussbemerkungen Protokolle der Supportschicht und für Echtzeitkommunikation Konzept und Einsatz von SOCKS SOCKS-Ablauf Gesicherte Verbindungen mit SOCKS Transport Layer Security (TLS) TLS-Dienste im Schichtenmodell X.509-Zertifikate Ablauf des TLS-Verfahrens Record Layer Protocol Cipher Suites Erzeugung der TLS-Schlüssel Validierung und Verifikation von Zertifikaten TLS-Ports und STARTTLS Datagram TLS Protokolle für die Echtzeitkommunikation RTP/RTCP und Transportprotokolle in IP-Netzen Real-time Transport Protocol (RTP) Das Protokoll RTCP im Überblick Das Protokoll SIP SIP und Transportprotokolle Eigenschaften des Protokolls SDP

10 IX Aufbau von SIP-Adressen Funktion eines SIP-Proxy bei der IP-Videotelefonie Trapezoid-Modell von SIP Unterstützung der Benutzermobilität bei SIP Beschreibung von Sessions mittels SDP Multipath TCP (MPTCP) Typischer Einsatz von MPTCP Transportschicht mit MPTCP Multipath-Kommunikation mit MPTCP MPTCP-Angaben im TCP-Header Aufbau einer MPTCP-Verbindung Anpassung des TCP-Headers für MPTCP Abbau einer MPTCP-Verbindung Middleboxen als Störfaktoren bei MPTCP Schlussbemerkungen II Internet Protocol Version Das Protokoll IPv Neuerungen bei IPv6 gegenüber IPv Header-Struktur bei IPv Erweiterungs-Header IPv6-Flexibilität mit Options-Headern Aufbau von Options-Headern Belegung des Option-Feldes Einsatz von Jumbo Payload Source Routing bei IPv Fragmentierung langer IPv6-Pakete Aufbau von IPv6-Adressen Darstellung von IPv6-Adressen IPv6-Adressensystematik und -Gültigkeitsbereiche Interface-ID in IPv6-Adressen Interface-Index bei Link-Local IPv6-Adressen Unicast-Adressen bei IPv Globale Unicast-Adressen Vergabe globaler IPv6-Adressen Unicast-Adressen von lokaler Bedeutung IPv4-Kompatibilitätsadressen Multicast- und Anycast-Adressen bei IPv Automatische Multicast-Adressen Anycast-Adressen Zuweisung von IPv6-Unicast-Adressen Privacy Extensions Auswahl der richtigen IPv6-Quelladresse Schlussbemerkungen IPv6-Support-Protokolle ICMPv6, NDP und DHCPv Nachrichten des Protokolls ICMPv

11 X 8.2 Das Neighbor Discovery Protokoll Bestimmen des Ziels eines IPv6-Pakets Ermittlung von Linkadressen Router Advertisement/Solicitation Unsolicited Router Advertisements IPv6-Paket-Umleitung Stateless Address Autoconfiguration (SLAAC) SLAAC und Router Advertisements SeND Secure Neighbor Discovery Konzept und Einsatz von DHCPv Client/Relay/Server-Architektur bei DHCPv Aufbau von DHCPv6-Nachrichten Ablauf von DHCPv6 im stateful Mode Verlängerung der Ausleihe einer IPv6-Adresse Schnelle Umadressierung mit DHCPv Ablauf von DHCPv6 im stateless Mode Einsatz von DHCPv6-Relays Schlussbemerkungen Migration zum IPv6-Einsatz Arten der Koexistenz von IPv6 und IPv IPv6-Kommunikation über IPv4-Netze IPv4-Kommunikation über IPv6-Netze IP-Kommunikation durch Translation IPv4 IPv Dual-Stack-Verfahren Dual-Stack-Rechner in einem LAN-Segment Betrieb von Dual-Stack-Rechnern in IPv4-Netzen Dual-Stack Lite Tunneling-Protokolle: IPv6 über X Erweiterung eines IPv4-Netzes um ein IPv6-Netz Kopplung der IPv6-Netze über ein IPv4-Netz Zugang zum IPv6-Internet über Tunnel-Broker Von 6to4 nach 6rd Bedeutung von 6to Aufbau von 6to4-Adressen IPv6-Kommunikation über IPv4-Netz Probleme bei 6to4 mit NAT IPv6 Rapid Deployment 6rd IPv6 over IPv4 mit ISATAP Kommunikation mit ISATAP Struktur und Bedeutung von ISATAP-Adressen Funktionsweise von ISATAP IPv6 in IPv4-Netzen mit NAT (Teredo) Teredo-Adresse und -Pakete Bestimmung der Art von NAT Protokoll-Translation: IPv4 IPv Stateless IPv4/IPv4 Translation (SIIT) Adressierung bei SIIT Translation IPv4 IPv

12 XI Translation ICMPv4 ICMPv NAT64 und DNS NAT64-Arbeitsmodell NAT64-IPv6-Adressen NAT64 Stateful Translation DNS-Integration bei NAT Schlussbemerkungen III Internet Routing Architektur Routing in IP-Netzen Routing-Grundlagen Grundlegende Aufgaben von Routern Adressierung beim Router-Einsatz Routing-Tabelle Routing-Verfahren Inter-/Intra-Domain-Protokolle Routing Information Protocol (RIP) Erlernen von Routing-Tabellen beim RIP Besonderheiten des RIP Routing-Protokoll RIP RIP für das Protokoll IPv6 (RIPng) Open Shortest Path First (OSPF) Funktionsweise von OSPF Nachbarschaften zwischen Routern OSPF-Einsatz in großen Netzwerken OSPF-Nachrichten Besonderheiten von OSPFv OSPF für IPv6 (OSPFv3) Border Gateway Protocol (BGP-4) Grundlagen des BGP Funktionsweise des BGP BGP-4-Nachrichten Multiprotocol Extensions for BGP-4 (MP-BGP) Redundante Auslegung von Routern Konzept des virtuellen Routers Funktionsweise von VRRP Idee und Einsatz des HSRP Multicast Routing-Protokolle Einige Aspekte von MC-Routing Aufgaben von MC-Routing Intra-Domain-MC-Routing mit PIM-SM Inter-Domain-MC-Routing mit MSDP Schlussbemerkungen Verbindungsorientierte IP-Netze mit MPLS und GMPLS Weg zu neuer Generation der IP-Netze Notwendigkeit von (G)MPLS

13 XII Bedeutung von Traffic Engineering in IP-Netzen Multiplane-Architekturen moderner IP-Netze Schritte zu einem LSP Multi-Protocol Label Switching (MPLS) Multiplane-Architektur der MPLS-Netze MPLS als Integration von Routing und Switching Logisches Modell des MPLS Prinzip des Label-Switching Logische Struktur der MPLS-Netze Bildung der Klassen von IP-Paketen und MPLS-Einsatz MPLS und die Hierarchie von Netzen MPLS und verschiedene Übermittlungsnetze Virtual Private Networks mit MPLS Konzept von GMPLS Vom MPLS über MPλS zum GMPLS Struktur optischer Switches bei GMPLS Interpretation der Label Interpretation des Transportpfads Bedeutung des LMP in GMPLS-Netzen Traffic Engineering in (G)MPLS-Netzen Traffic Trunks und LSPs Aufgaben und Schritte beim MPLS-TE Routing beim Traffic Engineering Attribute von Traffic Trunks Constraint-based Routing Re-Routing und Preemption Signalisierung in (G)MPLS-Netzen Einsatz des RSVP-TE Einsatz des GMPLS RSVP-TE Einsatz des CR-LDP Schlussbemerkungen IV IP-basierende Netzstrukturen IP over X und virtuelle IP-Netze IP über LANs Übermittlung der IP-Pakete in MAC-Frames Multiprotokollfähigkeit der LANs Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit PPP PPP-Dateneinheiten PPP-Zustände LCP als Hilfsprotokoll von PPP IPv4 Control Protocol (IPCP) bei PPP Protokollablauf beim PPP Benutzerauthentisierung Grundlagen der WLANs WLAN-Betriebsarten Beitritt zum WLAN

14 XIII WLAN MAC-Frame: MSDU Kommunikation zwischen WLAN und Ethernet Robust Security Network Virtual Private Networks (VPN) Tunneling als Basis für VPNs VPN-Taxonomie Von Providern bereitgestellte VPNs Layer-2-Tunneling über IP-Netze IPsec-basierte VPN Schlussbemerkungen IP-Netzwerke und Virtual Networking Moderne Netzwerkstrukturierung Funktionsbereiche in Netzwerken Strukturierter Aufbau von Netzwerken Virtual Networking in LANs Arten und Einsatz von VLANs Layer-2-Switching Layer-3-Switching Bedeutung von VLAN Tagging Bildung von VLANs im Client-LAN Intra- und Inter-VLAN-Kommunikation Modell der Bildung von VLANs im Client-LAN Bildung von VLANs im Server-LAN Multilayer-Struktur im Server-LAN Anbindung virtueller Server an Access Switches Modelle der Bildung von VLANs im Server-LAN Virtual Networking mit TRILL und SPB Konzept und Bedeutung von TRILL Idee und Einsatz von Shortest Path Bridging VXLANs VLANs mit VMs Vom VLAN zum VXLAN VXLANs oberhalb Layer-3-Netzwerke Mobilität von Virtual Networks Konzept und Bedeutung von ILNP LISP Idee und Bedeutung Schlussbemerkungen Benutzerauthentisierung in IP-Netzen Extensible Authentication Protocol EAP-Funktionskomponenten EAP-Nachrichten Ablauf der EAP-Authentisierung im WLAN Innere Authentisierung mit MS-ChapV Einsatz des Protokolls RADIUS Remote Access Services und RADIUS Konzept von RADIUS RADIUS-Nachrichten

15 XIV 14.3 Lightweight Directory Access Protocol Directory Information Tree LDAP-Server LDAP-Client-Zugriff Schlussbemerkungen Unterstützung der Mobilität in IP-Netzen Ansätze zur Unterstützung der Mobilität Bedeutung von WLAN- und Hotspot-Roaming Hauptproblem der Mobilität in IP-Netzen Die grundlegende Idee des Mobile IP Idee des Mobile IPv Idee des Mobile IPv Roaming zwischen Hotspots Hotspot-Roaming zwischen mehreren WISPs Ablauf des Hotspot-Roaming Funktionsweise des MIPv Beispiel für einen Ablauf des MIP Agent Discovery Erkennen des Verlassens des Heimatsubnetzes Erkennen des Wechsels eines Fremdsubnetzes Erkennen einer Rückkehr in das Heimatsubnetz Registrierung beim Heimatagenten Mobiles IP-Routing Konzept des MIPv MN hat sein Heimatsubnetz verlassen MN hat das Fremdsubnetz gewechselt MN ist in sein Heimatsubnetz zurückgekehrt MIPv6-Nachrichten Kommunikation zwischen MN und CN Home Agent Binding Correspondent Node Binding Entdeckung eines Subnetzwechsels Entdeckung der Home-Agent-Adresse Hierarchical MIPv Unterstützung der Mobilität mit dem HMIPv Finden eines MAP Unterstützung der Mikromobilität Unterstützung der Makromobilität Datentransfer zwischen MN und CN Schlussbemerkungen Abkürzungsverzeichnis 761 Literaturverzeichnis 771 Stichwortverzeichnis 775