Internet-Praktikum I Lab 1: Forwarding / DHCP

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1 Kommunikationsnetze Internet-Praktikum I Lab 1: Forwarding / DHCP Mark Schmidt, Andreas Stockmayer Sommersemester 2015 kn.inf.uni-tuebingen.de

2 Die Internet-Protokollhierarchie Application Layer Transport Layer Network Layer Data Link Layer Physical Layer Anwendungsspezifische Funktionen zusammengefasst in Anwendungsprotokollen Ende-zu-Ende-Datenübertragung zwischen zwei Rechnern Vermittlungsschicht: Wegewahl im Netz auch Internet Layer genannt Schnittstelle zum physikalischen Medium Netzwerkkartentreiber Gegenüber ISO/OSI wurden die drei anwendungsorientierten Schichten zu einer einzigen Schicht zusammengefasst. M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

3 Die Internet-Protokollhierarchie Anwendung Anwendung 4 TCP TCP 3 IP IP IP IP 1/2 Netz 1 Netz 1 Netz 2 Netz 2 Netz 3 Netz 3 Telefonleitung, Modem Router SDH / SONET (Hi-Speed Glasfaser) Router WLAN M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

4 Zusammenspiel der Protokollinstanzen: die PDUs IP leitet Datenpakete durch das Netzwerk zum Empfänger TCP/UDP fügen Prozessadressierung (Ports) zu IP hinzu TCP sichert darüberhinaus die Datenübertragung Protokolldateneinheiten (PDUs)werden gekapselt Daten Benutzer TCP-Header Daten bzw. UDP-Header Daten Transportschicht 4 IP-Header TCP/UDP-Header Daten Vermittlungsschicht 3 MAC/LLC-Header IP-Header TCP/UDP-Header Daten Sicherungs- Trailer 2 schicht M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

5 Internet-Architektur: Merkmale Grundlegende Entwurfsprinzipien: Keine Zustandsinformation in den Zwischensystemen halten (bei Ausfall keine Resynchronisation notwendig) Datenstrom-spezifische Information wird in den Endsystemen gespeichert: Ende-zu-Ende Prinzip Trennung der Weiterleitung der Pakete vom Routing = Erstellung der Weiterleitungstabellen IP-Basiskommunikationsdienst: verbindungslos, unzuverlässig abschnittsweise Weiterleitung, speichervermittelt (Store and Forward) Best Effort -Diensterbringung: so gut wie möglich mit den momentan vorhandenen Ressourcen M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

6 Die TCP/IP-Protokollfamilie Überblick Die Bezeichnung TCP/IP wird häufig als Synonym für die gesamte Protokollfamilie verwendet Einordnung der Internetprotokolle in das ISO/OSI-Referenzmodell: Kommunikationssteuerungsschicht TCP UDP Transportschicht IGMP ICMP ARP IP RARP 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 (Schichten 5-7 im Internet zusammengefasst zur Anwendungsschicht) M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

7 Eigenschaften von IP Paketvermittelt Verbindungslos (Datagrammdienst). Ungesicherte Übertragung: Datagramm kann verloren gehen Datagramme können einander überholen Datagramme können endlos kreisen Nicht behebbare Fehler der darunterliegenden Schicht 2 können von IP im Allgemeinen ebenfalls nicht behandelt werden Mit dem Protokoll ICMP (Internet Control Message Protocol) existiert jedoch eine Möglichkeit zur Fehleranzeige Keine Flusskontrolle. Der Einsatzbereich erstreckt sich von privaten bis hin zu öffentlichen Netzen. M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

8 IP Datagramm: Aufbau Don t Fragment Staukontrolle (Explicit Congestion Notification) Reserved More Fragments Dienstgüteklasse DiffServ Codepoint ECN 0 DF MF Bit Version Hdr.Len DiffServ Total Length Identifier Flags Fragment Offset Time to Live Protocol Header Checksum Source Address Destination Address IP-Header Options and Padding Data M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

9 Steuerung von IP: ICMP IP ist nur für den (unzuverlässigen) Datenaustausch zuständig. Für Fehlerfälle oder Testzwecke wird ICMP (Internet Control Message Protocol) verwendet. Sender Router Router Router Leitung unterbrochen ICMP-Nachrichten Router Empfänger Nachrichtentypen, Beispiele: Echo Request / Reply: Echo Reply wird angefordert ("ping"). Timestamp Request / Reply: Ähnlich Echo Request. Zusätzlich Zeitstempel mit Ankunftszeit der Anfrage/Sendezeit der Antwort. M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

10 ICMP: Fehlermeldungen Zieladresse nicht erreichbar (destination unreachable): Ein Datepaket konnte (z.b. wegen einer unterbrochenen Leitung oder eines ausgefallenen Routers) nicht zugestellt werden. Time to live abgelaufen (TTL exceeded): Datenpaket wurde wegen Ablauf seiner Lebenszeit von einem Router verworfen. Falscher Parameter (parameter problem): Datenpaket wurde wegen eines unzulässigen Wertes im IP-Paketkopf verworfen. Quellendämpfung (source quench): Ein überlastetes Kommunikationssystem fordert den Sender auf, die Übertragungsrate zu senken. Umleiten (redirect): Ein Datenpaket sollte besser über einen anderen Router gesendet werden. Die Fehlermeldungen enthalten jeweils ein Feld zur genauen Angabe der Fehlerursache (z.b. Netzwerk nicht erreichbar oder Endsystem nicht erreichbar für die Meldung Zieladresse nicht erreichbar ) M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

11 IP-Adressen / Adressklassen Netz-ID Knoten-ID 1. Class A für Netze mit bis zu 16 Mio. Knoten 1 0 Netz-ID Knoten-ID 2. Class B für Netze mit bis zu Knoten Netz-ID Knoten-ID 3. Class C für Netze mit bis zu 256 Knoten Multicast-Adresse 4. Class D für Gruppenkommunikation (Multicast) reserviert für zukünftige Anwendungen 5. Class E, noch reserviert für zukünftige Anwendungen M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

12 CIDR: Classless Inter-Domain Routing Klassisch: 3 Adressklassen für Unicast, schlechte Ausnutzung durch ungenutze Adressen ( Verschnitt ) Beispiel: Eine Firma die 1000 IP-Adressen braucht, beantragt Class B Adresse Mehr als Adressen könnten vergeben werden, damit über ungenutzte Adressen CIDR: Ersetzen der festen Klassen durch Netzwerk-Präfixe variabler Länge Bsp.: /14: Die ersten 14 Bits der IP-Adresse werden für die Netzwerk-Identifikation verwendet Einsatz in Verbindung mit hierarchischem Routing: Backbone-Router, z.b. an Transatlantik-Link, betrachtet nur z.b. die ersten 13 Bits; dadurch kleine Routing-Tabellen, wenig Rechenaufwand Router eines angeschlossenen Providers z.b. die ersten 15 Bit Router in einem Firmennetz betrachtet 25 Bits M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

13 IP-Subnetz-Adressen Netzwerk-Teil Lokaler Teil IP-Adresse (hier Klasse B): Netzwerk-Teil Subnetz-Teil Endsystem Subnetzmasken kennzeichnen den Bereich der IP-Adresse, der das Netzwerk und das Subnetzwerk beschreibt. Dieser Bereich wird dabei durch Einsen ( 1 ) in der binären Form der Subnetzmaske festgestellt. Beispiel: IP-Adresse: Subnetzmaske: Netzwerk: Subnetz: 3. Endsystem: 64 Der Netzwerk-Teil kann aus der Adressklasse abgeleitet werden. Überdeckt die Subnetzmaske nur den Netzwerk-Teil, dann gibt es keinen Subnetz-Teil (z.b ). M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

14 IP-Subnetze: Beispiel Übergang Universität-Institut Router Router Ethernet Uni-Netz FDDI Ethernet Router-RZ Internet Ethernet M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

15 Addressierung von Endgeräten Adressen auf Ebene 2 (MAC-Adressen) Sind spezifisch für den jeweiligen Netztyp Nicht bei allen Netzen global eindeutig bei Ethernet / WLAN 48 Bit lang z.b. bei Bluetooth gibt es auch 3 Bit lange Adressen nur 8 Geräte adressierbar Meistens nicht hierarchisch vergeben Gerät Nummer steht in den USA Gerät Nummer steht in Japan Pakete global basierend auf diesen Adressen zu routen würde nicht skalieren (jeder Router müsste die Position jedes Endgerätes kennen) M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

16 Routing Routing ermöglicht Weiterleitung logisch adressierter Pakete von einem Netz in ein anderes Es stellt daher die Basis des Internet dar ohne Routing würde das Internet nicht existieren und alle Netze wären autonom Im Internet findet Routing auf der IP-Schicht statt Nach ISO/OSI-Modell ist Routing eine der wesentlichen Aufgaben von Schicht 3 Um Pakete zielgerichtet weiterzuleiten, muss man etwas über die Struktur des Netzes wissen: In kleinen Netzen oft einfach, daher wird häufig per Hand konfiguriert => static Routing In großen oder dynamischen Netzen komplex, daher Routingprotokolle => dynamic Routing Unterschied Router <=> Bridge und Switches: ISO/OSI Schicht 3 <=> 2 Globales Weiterleiten <=> Weiterleiten nur im lokalen Netz M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

17 Routingtabelle (Routing Information Base) Addr Netzmaske Next Hop Metrik Einträge entscheiden, über welches Interface ein Paket gesendet wird. Jeder Eintrag in einer Routingtabelle besitzt mindestens folgende Informationen: Netzadresse und Subnetmaske (bzw. die Präfixlänge): Diese beiden Angaben bestimmen den IP-Adresspräfix eines Zielnetzes Dient als Index für den Tabelleneintrag next hop oder Gateway: Nächste Netzadresse, an die dieses Paket gesendet werden muss. Oft der Router eines lokalen Netzes z.b. DSL-Modem Metrik: Informationen über Kosten oder Erreichbarkeit Wichtig wenn mehrere Routen für das gleiche Ziel existieren Dann Auswahl der Route basierend auf der Metrik M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

18 Routing und Forwarding Beim dynamischen Routing muss man zwischen Routing- und Forwardingtabellen unterscheiden Pro Routingprotokoll eine Routingtabelle Laufen auf einem Netzknoten verschiedene Routingprotokolle (z.b. BGP für Interdomain- Routing und OSPF für Intradomain-Routing), so verfügt dieser über mehrere Routingtabellen Verschiedene Tabellen können widersprüchliche Informationen beinhalten Verschiedene Pfade zum gleichen Ziel Daher Prioritäten für jedes Routingprotokoll bei Widersprüchen wird die Route des Protokolls mit der höchsten Priorität verwendet Durchsuchen mehrerer Routingtabellen mit Hilfe des Longest Prefix Match sehr aufwändig Daher aus verschiedene Routingtabellen eine einzige Forwardingtabelle (Forwarding Information Base) erstellen Die eigentliche Weiterleitungs-Entscheidung anhand der Forwardingtabelle Da meist nur geringe Unterschiede zwischen den Tabellen, werden sie gerne miteinander verwechselt M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

19 Static Routing Manuelles Hinzufügen / Ändern von Einträgen in die Routing-Tabelle z.b. mit ip-utils (ip r..) Fest vorgegebene statische Routen / Pfade Vom Netzbetreiber festgelegt und konfiguriert Vorteile: Keine Intelligenz auf Routern nötig Wenig Rechenaufwand auf den Router Keine Kommunikation zwischen den Routern nötig Nachteile: Keine automatische Routenanpassung bei Link-Ausfällen Sehr aufwändig und fehleranfällig für große / dynamische Netze Oft festlegen der Default Route Wird gewählt wenn kein Eintrag in Routing-Tabelle M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

20 Dynamic Host Configuration Protocol DHCP Manuelle Konfiguration vieler Rechner mühsam oder nicht durchführbar Eventuell nicht alle Rechner immer am Netz, d.h. nicht jeder braucht durchgehend eine IP-Adresse, ggf. weniger Adressen als Rechner Ziel Vereinfachung der Installation und Verwaltung von vernetzten Rechnern Automatische Verteilung von (u.a.) IP-Adresse und Netzmaske Gateway DNS Server Weitgehend automatische Integration eines Rechners in das Internet bzw. Intranet M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

21 Adressvergabe Statische Vergabe Feste Zuordnung von Client-MAC zu IP-Adresse Zuordnung auf unbestimmte Zeit Nachteil Keine zusätzlichen Clients möglich, wenn alle Adressen fest vergeben sind Automatische Vergabe Server erhält Address-Pool (IP- Range) Server automatische Vergabe anhand Client-MAC Zuordnung auf unbestimmte Zeit Nachteil Wie bei statischer Vergabe Dynamische Vergabe Wie automatische Vergabe, allerdings Zuordnung nur auf Zeit (Lease-Time) Danach muss sich der Client melden sonst wird die Adresse wieder frei Oft wird Zuordnung erst gelöscht wenn keine freien Adressen vorhanden Client erhält häufig diesselbe IP-Adresse Mischbetrieb Z.B. für Server statische Vergabe und für Clients dynamische Vergabe M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

22 Protokoll-Ablauf DHCPDISCOVER Client-Broadcast um verfügbare Server zu finden. DHCPOFFER Server-Antwort mit einen Angebot von Konfigurationparametern (Lease-Angebot) DHCPREQUEST Clientnachricht an die Server entweder (a) als Anforderung der angebotenen Parameter von einem der (Lease- Anforderung) (b) Überprüfung der Korrektheit einer bisher benutzten Adresse (c) Verlängerung eines Leases einer bestimmten Netzwerkadresse DHCPACK Server an Client mit der Client- Netzwerkadresse und Konfigurationsparametern M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

23 IPv6 Neighbor Discovery Protocol (NDP) statt ARP Woher bekommt ein neuer Client seine IP-Adresse und Informationen über das Subnetz? Generell hat jeder Client sofort eine Link-Local IPv6-Adresse FE80::<Interface ID> Möglichkeit 1: Manuelle Adressvergabe Möglichkeit 2: Automatische Konfiguration Adresse Client ermittelt aus ICMPv6 Router Advertisements ein 64 Bit Präfix Client hängt seinen EUI64 Identifier (MAC) hinter das Präfix Stateless Weder Client noch Server müssen sich Leases merken M. Schmidt, A. Stockmayer: Internet-Praktikum I, SS

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