Übungsblatt 4: Sicherungsschicht und MAC-Teilschicht

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1 Wintersemester 2010/2011 Rechnernetze Universität Paderborn Fachgebiet Rechnernetze Übungsblatt 4: Sicherungsschicht und MAC-Teilschicht Cyclic Redundancy Check Benutzen Sie das Generator-Polynom x 3 +x+1, um die Nachricht mit Redundanz- Bits zur Fehlererkennung zu versehen. (a) Wie lautet die zu übertragende Nachricht? Zeigen Sie, wie der Empfänger die empfangene Nachricht behandelt, wenn (b) kein Fehler auftrat, (c) das 3. und 7. Bit (von links) verfälscht wurden. (a) Berechne die abgesandte Nachricht: drei Bits anhängen (wegen x 3 als höchster Potenz), durch Generator Polynom teilen und Rest bestimmen, den Rest zur um drei Bits erweiterten Nachricht anhängen : = Rest ist somit 11! Die abgesandte Nachricht ist also = Rechnernetze WS 2010/11 Übungsblatt 4 1

2 (b) Die abgesandte Nachricht kommt korrekt an: : = Der Rest nach Division ist 0, also wird kein Fehler reklamiert. (c) Das 3. und 7. Bit wird verfälscht (von links gezählt): : = Es bleibt Rest 110, also wird (korrekterweise) ein Fehler angezeigt! 2. Fehlerdetektion Benutzen Sie eine erweiterte Paritätstechnik, um einen fehlerdetektierenden Code zu entwerfen. Schreiben Sie eine Folge von n Bits als eine Matrix auf, mitk Spalten und l Zeilen. Berechnen Sie für jede Spalte ein separates Paritätsbit (z.b. even parity). Fügen Sie diese Paritätsbits als weitere Zeile an die Daten an. Übertragen Sie die Daten dann insgesamt zeilenweise. (a) Beschreiben Sie das Verhalten des Empfängers einer solchen Datenfolge. Wie werden die Paritätsbits ausgewertet? Rechnernetze WS 2010/11 Übungsblatt 4 2

3 Nach Empfang des gesamten Blockes werden die Paritätsbits geprüft. Ist mind. ein Paritätsbit falsch, wird der Block erneut angefordert und komplett gesendet, bis er richtig ist. (b) Geben Sie ein Beispiel an, z.b. fürk = 3 und l = 4. (c) Wie verhält sich das Verfahren bei einzelnen Bitfehler oder bei burst -Bitfehlern? Wie lange kann eine durchgehende Folge von Bitfehlern sein, die erkannt wird? Einzelne Bitfehler werden erkannt. Durchgehende Bitfehler werden bis zu einer Länge von k Bitfehlern erkannt, da pro Spalte nur ein Bit verändert wird. Ein Bursts der Länge k + 1 wird genau dann nicht erkannt, wenn genau das erste und das letzte Bit im Burst falsch sind und alle anderen richtig. (d) Wie verändert sich das Verfahren, wenn Sie noch eine zusätzliche Spalte mit zeilenweise berechneten Paritätsbits hinzufügen? Überlegen Sie sich mögliche Vor- und Nachteile. Vorteile: Es werden jetzt durchgehende Bitfehler der Länge k+1 gefunden. Bei einzelnen Bitfehlern kann festgestellt werden, wo der Fehler ist, und damit einfach nur die fehlerhafte Zeile neu übertragen werden. Nachteile: Es werden mehr Prüfbits benötigt, d.h. der Overhead steigt. => Abwägung zwischen Overhead im fehlerfreien Fall und kleineren Neuübertragungen im Einzelbitfehlerfall! 3. Durchsatzanalyse von CSMA/CD In der Vorlesung (Kapitel 4, Folien 29-36) wurde die Analyse des Durchsatzes von nichtpersistentem CSMA besprochen. Erweitern Sie diese Analyse auf CSMA/CD! Hinweise: Sie können E[I] und die Erfolgswahrscheintlichkeit eines Paketes P(U = 1) unverändert übernehmen. Überlegen Sie sich, warum! Um E[B] zu berechnen, bietet sich eine Fallunterscheidung danach an, ob das Paket in der busy period erfolgreich übertragen wird oder nicht, sprich, ob es zu Kollisionen kommt, sprich, ob im Interval [t,t + a] (t der Beginn des ersten Paketes der busy period) weitere Paketübertragungen vorliegen. Mathematisch können Sie diese Fallunterscheidung durch die bedingte Erwartung und das Gesetz der totalen Wahrscheinlichkeit fassen. Nutzen Sie: mit U wie auf Folie 35. E[B] = E[B U = 1] P(U = 1)+E[B U = 0] P(U = 0) Überlegen Sie sich, was E[B U = 1] und E[B U = 0] sind und wie Sie diese ausdrücken können. Der Rest ist einfaches Ersetzen, analog zu den Folien. Aus den Folien brauchen wir:e[i] = 1/G, P(U = 1) = e ag, E[Y] = a 1 G (1 e ag ). E[B U = 1] ist die erwartete Dauer einer busy period, wenn es keine Kollision gab. Das ist aber einfach 1+a. Rechnernetze WS 2010/11 Übungsblatt 4 3

4 E[B U = 0] ist die erwartete Dauer einer busy period, wenn es keine Kollision gab. Die Kollisionen müssen innerhalb [t, t + Y] stattfinden. Nachdem ein Terminal eine Kollision bemerkt, wird die Übertragung abgebrochen. Die letzte Kollision wird durch das letzte Terminal verursacht, dass die Übertragung startet. Das ist spätenstens zum Zeitpunt t +Y +a der Fall. Danach kann es noch a Zeiteinheiten dauern, bis das Medium wieder frei ist. Insgesamt: E[B U = 0] = a+y +a. Einsetzen: E[S] = E[B] = (1+a)e ag +(a 1 G (1 e ag )+2a)(1 e ag ) P(U = 1) E[I]+E[B] = 1 G +(1+a)e ag + ( e ag 3a 1 e ag G ) (1 e ag ) Throughput nonpersistent CSMA CSMA/CD CSMA/CD nonpersistent CSMA G Abbildung 1: Durchsatz von nicht-persistentem CSMA, CSMA/CD, Differenz der beiden 4. Durchsatzanalyse von Slotted-ALOHA Betrachten Sie das Slotted-ALOHA Protokoll. Nehmen Sie an, dass die Paketlänge das k-fache der Slot-Länge ist. Berechnen Sie den Durchsatz in Abhängigkeit der Last, wobei die Last G in Paketen pro Paketübertragungszeit (nicht pro Slot-Länge) gemessen sein soll. Überlegen Sie sich zuerst, was Sie festhalten wollen: die Paketlänge oder die Slotlänge. Damit man einen direkten Vergleich zu reinem ALOHA bzw. slotted ALOHA hat, bietet es sich an, die Paketlänge fest zu halten und die Slotlänge zu variieren, also fürk geht die Slotlänge gegen 0 (Intuition: k = 1 ist offensichtlich Slotted ALOHA, k ist vermutlich normales ALOHA?). Überlegen Sie sich dann, für ein fest gewähltes k, in wievielen dieser Mini-Slots ein Paket anfangen kann um die Übertragung eines anderen, willkürlich gewählten Paketes zu stören. Offensichtlich, wenn ein Paket in einem der k Zeitslots des gewählten Paketes anfängt. Oder wenn es davor anfängt und noch in das gewählte Paket hineinragt, also in einem der k 1 Slots davor beginnt. Insgesamt ist ein gewähltes Paket also durch andere Paketanfänge in 2k 1 Slots gefährdet. Wie wahrscheinlich ist es, dass in einem Zeitraum t l Pakete übertragen werden sollen? Dazu hatten wir in der Vorlesung das Modell des Poisson-Prozesses angegeben, mit der Wahrscheinlichkeitsdichte P(l attempts in timet) = (Gt)l l! e Gt. Hier ist die Zeit auf Paketlänge normiert, t = 1 entspricht einer Paketlänge! Rechnernetze WS 2010/11 Übungsblatt 4 4

5 Abbildung 2: Gefährdungszeitraum eines Mini-Slotted ALOHA-Rahmens für k = 4 Damit ein Paket erfolgreich übertragen wird, darf während des verletztlichen Zeitraums von 2k 1 Slots kein weiteres Paket übertragen werden. Wir müssen das auf Paketlängen normieren, damit wir in die obige Formel einsetzen können ein Paket ist k Slots lang, also entspricht der verletztliche Zeitraum gerade 2k 1 k Paketlängen. Damit ist die Wahrscheinlichkeit P, dass ein Paket erfolgreich übertragen wird, gerade P = P(1 attempts in time(2k 1)/k) = (G2k 1 k )1 1! e G2k 1 k. Der Durchsatz ist die Anzahl erfolgreicher Übertragungen pro Zeit. Die eben ausgerechnete Wahrscheinlichkeit gibt den Anteil an erfolgreichen Übertragungen pro Zeitraum 2k 1 k an; um den Durchsatz zu erhalten, muss man also diese Wahrscheinlichkeit noch durch 2k 1 k dividieren. Also ist der Durchsatz insgesamt Ge G2k 1 k. Wie man leicht sieht sind slotted ALOHA (k 1) und normales ALOHA (k ) hier als Spezialfälle enthalten. Als leichte Übung kann man noch ausrechnen, für welches G bei gegebenem k der maximale Durchsatz erreicht wird. 5. DHCP-Konfiguration Die statische IP-Vergabe, wie Sie bereits in Aufgabe 1 behandelt wurde, ist in kleinen Netzwerken eine praktikable Lösung. Um dies jedoch in großen Netzwerken zu automatisieren, ist die Einführung eines DHCP-Servers notwendig. (a) Konfigurieren Sie den DHCP-Server auf A-R1 so, dass er eine IP-Range von bis vergibt. Die Gültigkeitsdauer soll 24 Std. betragen, die maximale Gültigkeitsdauer 48 Std. Als Standard-Gateway soll A-R1 eingetragen werden. Nach der Konfiguration von A-R1 ist auf B-R1 der DHCP-Server mit einer IP-Range von bis und einer Gültigkeitsdauer von 12 Std. sowie einer maximalen Gültigkeitsdauer von 24 Std. zu konfigurieren. Als Standard-Gateway ist B-R1 einzutragen. (b) Eine weitere Funktion des DHCP-Servers ist das dynamische Zuweisen von festen IP- Adressen. Konfigurieren Sie auf A-R1 den DHCP-Server so, dass feste IP-Adressen zugewiesen werden. WS-A1 soll die feste IP-Adresse und WS-A2 die IP-Adresse bekommen. Um den DHCP-Server zu konfigurieren, muss die Datei /etc/dhcpd.conf editiert werden. s u b n e t netmask r a n g e ; d e f a u l t l e a s e time 86400; max l e a s e time ; o p t i o n r o u t e r s ; Rechnernetze WS 2010/11 Übungsblatt 4 5

6 (a) In der ersten Zeile wird das zu beantwortende Netzwerk festgelegt (subnet netmask ). In der dritten Zeile wird der IP-Adressbereich definiert, aus dem die IP- Adressen vergeben werden (von bis ). Die IP-Adresse von A-R1 darf nicht in diesem Adressbereich sein. Danach wird die Gültigkeitsdauer der zugewiesenen IP-Adresse definiert. In der Aufgabe waren 24 Std gefordert, daher Sekunden. In dieser Zeit gilt die dynamisch zugewiesene IP-Adresse, danach bekommt der Client eine neue IP-Adresse zugewiesen. (default-lease-time 86400;). Um die maximale Gültigkeitsdauer von 48 Std zuzuweisen, die ein Client anfordern kann, wird in Zeile 5 die max-lease-time auf gesetzt. In Zeile 6, wird der default-gateway für die Clients angegeben. Hier ist die IP-Adresse von A-R1 anzugeben (option routers ). B-R1 wird analog konfiguriert. Nach der Konfiguration muss der DHCP-Server neu gestartet werden. Dies erfolgt mit dem Aufruf /etc/init.d/dhcp restart. Damit der Client eine neue IP-Adresse automatisch zugewiesen bekommt, muss auf dem Client der Konsolenbefehl dhclient <Interface> ausgeführt werden, z.b. dhclient eth0. Nach dem Aufruf stellt der Client einen DHCP-Request an den DHCP-Dienst. Die Anfrage wird mit einer freien IP-Adresse beantwortet. (b) Um den Clients A-WS1 und A-WS2 feste IP-Adressen zuzuweisen, wird zuerst die Mac- Adresse des Netzwerk-Interfaces benötigt. Mit Hilfe dieser Adresse werden die Interfaces eindeutig identifiziert. Um die Mac-Adresse herauszufinden, muss in der Konsole der Befehl ifconfig aufgerufen und das Interface übergeben werden, von dem die Mac-Adresse erfragt werden soll (ifconfig eth0). Unter HWAddress wird die Mac-Adresse des Interfaces zurückgegeben, z.b HWAddress: 00:0C:29:8E:D7:71 bei A-WS1. s u b n e t netmask r a n g e ; d e f a u l t l e a s e time 43200; max l e a s e time 86400; o p t i o n r o u t e r s ; h o s t A WS1 hardware e t h e r n e t 00:0C: 2 9 : 8 E : D7 : 7 1 ; f i x e d a d d r e s s ; h o s t A WS2 hardware e t h e r n e t 00:0C : 2 9 : EB: 6B: 6 F ; f i x e d a d d r e s s ; Als nächstes wird mit dem Eintrag host in der DHCP-Konfigurationsdatei der Client A-WS1 eingetragen (host A-WS1). Um den Client eine feste IP-Adresse zuzuweisen, wird mit dem Eintrag hardware ethernet auf die Mac-Adresse des Clients verwiesen (hardware ethernet 00:0C:29:8E:D7:71). Als nächstes wird dem Client die gewünschte IP-Adresse mit fixedaddress zugewiesen (fixed-address ). Nach der Konfiguration muss der DHCP- Server neu gestartet werden. Dies erfolgt mit dem Aufruf /etc/init.d/dhcp restart. Die Clients erhalten nach der Konfiguratuion des DHCP-Dienstes beim Start automatisch eine IP- Adresse zugewiesen. Um bei laufendem Betrieb die Adresse zu ändern, ist das Programm dhclient auszuführen (dhclient eth0). 6. Firewall-Konfiguration Rechnernetze WS 2010/11 Übungsblatt 4 6

7 Um Zugriffe zwischen unabhängigen Netzwerken zu filtern oder zu unterbinden werden Firewalls eingesetzt. Firewalls bieten die Möglichkeit, Filterregeln zu definieren und individuell auf Ziele einzugehen. Das Definieren von Filterregeln erfolgt mit dem Programm iptables. Hierdurch können Filterregeln hinzugefügt oder gelöscht werden. (a) Sperren Sie die komplette Netzwerk-Kommunikation zwischen den Netzwerken VMnet1 und VMnet2 durch Definition von Filterregeln auf A-R1. (b) Erlauben Sie den SSH und Telnet Zugriff auf VMnet1 (Port 22, 23). (c) Sperren Sie die IP-Adresse von B-R2, so dass B-R2 keinen Zugriff auf VMnet1 hat. Um einen besseren Umgang mit IPTabels zu bekommen, wird zuerst eine Datei angelegt, in der die Filterregeln definiert werden. Dies geschieht mit dem Befehl touch Dateiname (touch filter.sh). Als nächster Schritt muss die Datei ausführbar gemacht werden. Dies erfolgt mit dem Befehl chmod ( chmod +x filter.sh). Die aktuellen Filterregeln können mit iptbles list angezeigt werden. (a) Da normaler Weise der komplette Netzwerkverkehr erlaubt ist, oder bereits Filterregelen definiert sein können, ist es notwendig, diese zu löschen. Dies erfolgt mit dem Befehl iptables -F. Um jetzt den kompletten Netzwerkverkehr zu blockieren, editieren Sie die Datei filter.sh. Hier tragen sie die Zeilen: i p t a b l e s P INPUT DROP i p t a b l e s P OUTPUT DROP i p t a b l e s P FORWARD DROP Mit diesen Aufrufen werden alle eingehenden, ausgehenden und weitergeleiteten Netzwerkanfragen abgewiesen. Nach dem Speichern und Ausführen der Datei, sind die Filterregeln aktiv. Dies kann mit dem Befehl iptables list abgefragt werden. Nach dem Verbieten des Netzwerkverkehrs kann weder ein Ping noch anderer Netzwerkverkehr über diesen Host stattfinden. (b) Um eine Kommunikation zwischen Clients aus VMnet1 und VMnet2 über SSH zu ermöglichen, muss der Port 22 zum Forward freigegeben werden. Dies erfolgt über die Filterregel i p t a b l e s A FORWARD p t c p d e s t i n a t i o n p o r t 22 j ACCEPT i p t a b l e s A FORWARD p t c p source p o r t 22 j ACCEPT i p t a b l e s A FORWARD p t c p d e s t i n a t i o n p o r t 23 j ACCEPT i p t a b l e s A FORWARD p t c p source p o r t 23 j ACCEPT Bei dieser Filterregel wird für die Filterkette Forward bei tcp Paketen der Port 22 und 23 vom Quell- zum Zielport auf Akzeptieren gesetzt. (c) Der Client B-R1 hat die IP-Adresse Um Zugriffe von diesem Client zu verweigern, wird folgende Filterregel verwendet i p t a b l e s I FORWARD s p t c p j DROP Mit dieser Filterregel, die für die Filterkette INPUT angewendet wird, werden alle TCP- Anfragen die von B-R1 kommen abgewiesen. Rechnernetze WS 2010/11 Übungsblatt 4 7