Vorlesung Rechnernetze 7. Transportschicht

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1 7. Transportschicht Prof. Dr. rer. nat. habil. Dr. h. c. Alexander Schill Fakultät Informatik,

2 Schichtenübersicht Anwendungsschicht Anwendungsschicht Transportschicht Vermittlungsschicht Kap. 7 Transportschicht Vermittlungsschicht Sicherungsschicht Logical Link Control (LLC) Media Access Control (MAC) Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Bitübertragungsschicht 7.

3 . Transportschicht Aufgaben Zuverlässige Ende-zu-Ende Datenübertragung, auch bei unzuverlässiger (nicht beeinflussbarer) Vermittlungsschicht eines Netzbetreibers Schlüsselposition im Modell zwischen Benutzer und Netzprovider Funktionalität: Fehlerbehandlung (Ende-zu-Ende im Gegensatz zu Schicht ) Aushandlung von Dienstgüte-Eigenschaften Flusskontrolle (ebenfalls Ende-zu-Ende) Transportinstanz Segment Transportinstanz Transportschichtdienst- Benutzer Transportschichtdienst- Provider

4 Rückblick: Verschachtelung der bisherigen Nutzdaten Rahmen- Header Paket- Header Segment- Header Segmentnutzdaten Paketnutzdaten Rahmennutzdaten 7.4

5 Zustandsmodell für Transportdienst Sender Ruhe DisReq Verbindung aufgebaut ConReq ConCnf Verbindung im Aufbau DatInd, DatReq Empfänger Ruhe DisInd Verbindung aufgebaut ConInd ConRsp Verbindung im Aufbau DatReq, DatInd 7.5

6 Zustandsmodell für Transportdienst Ruhe TDisReq, TDisInd Verbindung aufgebaut TDisReq, TDisInd TConReq, TConInd TConRsp, TConCnf TDatReq, TDatInd oder TExpDatReq, TExpDatInd Verbindung im Aufbau 7.6

7 Transportschichtdienste Verbindungsorientierter Dienst (a): z.b. TCP (Transmission Control Protocol) Verbindungsloser Dienst (b): z.b. UDP (User Datagram Protocol) TConReq TConInd TDatReq TDatInd TConCnf TConRsp TDatReq TDatInd TDatReq TDatInd a TDatReq TExpDatReq TExpDatInd TDisReq TDatInd TDisInd b 7.7

8 . Elemente von Transportprotokollen - Adressierung TSAP (Transport Service Access Point): Ports (Standardisierte Ports, Well-Known) NSAP (Network Service Access Point): beispielsweise IP-Adressen Host A Host B Prozess Anwendungsschicht TSAP 8 NSAP Transportschicht Vermittlungsschicht NSAP TSAP 86 TSAP 5 Bitübertragungsund Sicherungsschicht Szenario einer Transportverbindung:. Mailserver-Prozess verbindet sich mit TSAP 5 auf Host B: wartet auf Anruf (LISTEN). Anwendungsprozess auf Host A sendet verbindet sich mit TSAP 8 CONNECT mit Quelle: TSAP 8 und Ziel: TSAP 5 Aufbau einer Transportverbindung. Anwendungsprozess sendet 4. Mailserver bestätigt dass gesendet wird 5. Freigeben der Transportverbindung 7.8

9 Standardisierte Ports (Auszug) Festlegung der standardisierten Ports wie bei IP-Adressen durch IANA (Internet Assigned Numbers Authority): Port Beschreibung TCP UDP 7 Echo Ja Ja, FTP Datenübertragung, Kontrolle Ja Nein Telnet Ja Nein 5 Simple Mail Transfer Protocol (SMTP) Ja Nein 7 TIME Ja Ja 5 Domain Name System (DNS) Ja Ja 69 Trivial File Transfer Protocol (TFTP) Nein Ja 8 HTTP Ja Nein POP- Ja Nein 4 IMAP Ja Ja 44 HTTPS Ja Nein 54 RTSP Ja Nein 6 Internet Printing Protocol (IPP) Ja Ja 7.9

10 Aushandlung von Dienstgüte-Eigenschaften Wesentliche Dienstgüte-Eigenschaften (QoS Quality of Service): Verbindungsaufbau-Verzögerung (z.b. max. s) Aufbau-Fehlerwahrscheinlichkeit (z.b. max. -4 ) Durchsatz (z.b. min. 8 MBit/s) Verzögerung (z.b. max. ms) Transferfehlerwahrscheinlichkeit (Verletzung von QoS-Parametern (z.b. max. -6 )) Schutz gegen unberechtigtes Mithören/Manipulieren (Verschlüsselung) Priorität Beispiel der Optionsabsprache bzgl. QoS: TConReq(TP= 8 MBit/s) TConInd(TP= 8 MBit/s) TConCnf(TP= 5 MBit/s) TConRsp(TP= 5 MBit/s) 7.

11 Gesicherter Verbindungsaufbau Problem: Duplikat eines Connect Request, während Verbindung aufgebaut wird Lösung: Dreiwege-Handshake (Threeway-Handshake) CR (seq=x) ACK (seq=y, ACK=x+) DATA (seq=x+, ACK=y+) Normaler Ablauf altes Duplikat CR (seq=x) ACK (seq=y, ACK=x+) Ablauf mit Duplikat REJECT (ACK=y+) Nutzung: z.b. TCP Verbindungsaufbau und abbau Normaler Ablauf: Host sendet CONNECT Request mit Sequenznummer x an Host Host bestätigt Sequenznummer x mit ACK und sendet eigene Anfangssequenznummer y Host bestätigt Sequenznummer y mit ACK im ersten gesendeten Datensegment 7.

12 Gesicherter Verbindungsabbau Problem: Disconnect Request, während noch Daten unterwegs sind à Quittierter Abbau (automatisches Disconnect Confirm) TDisReq? DC DR TDatReq TDisInd Jedoch: Quittung kann verlorengehen à B ist unsicher, ob A wirklich abbaut à Dreiwege-Handshake: TDisReq DR TDatReq TDisInd DC AC Nun könnte zweite Quittung verlorengehen... Jedoch keine weitere Quittierung, sondern lediglich zusätzliche Timer-Überwachung 7.

13 . Flusskontrolle und Fehlerüberwachung - Schiebefensterprotokoll Idee: Mehr als Paket unterwegs bis Quittung eintrifft, wegen Effizienzsteigerung (Laufzeit ist hoch!) à Umfangreichere Laufnummern, verwaltet durch Schiebefenster des Senders Fenstergröße F (Anzahl unbestätigter Pakete): Laufnummern...F (um Eindeutigkeit zu erreichen) F = bei Stop-and-Wait Beispiel: Laufzeit z.b. 5 ms à nur ca. Frames/s 7.

14 Pipeline-Verarbeitung eines Schiebefensterprotokolls mit F = Q Q Q Q S S S S 7.4

15 Fehlerbehandlung bei Schiebefensterprotokollen F = 5 Go-back-n: Fehlerhafte Frames durch Empfänger ignoriert (nicht bestätigt), ebenso alle nachfolgenden Frames à Sender wiederholt alle diese Frames, ungünstig bei hoher Fehlerrate Wiederholung 7.5

16 Fehlerbehandlung bei Schiebefensterprotokollen Wiederholung F = 5 selective repeat: Nur fehlerhafte Pakete werden erneut gesendet, nachfolgende korrekte Pakete zuvor gepuffert. gepuffert Sammelquittung à Kompromiss zwischen Nachrichtenund Pufferaufwand (beim Empfänger); Reihenfolgetreue Auslastung [%] a) b) c) a) Laufzeit == Sendezeit für Rahmen b) Laufzeit == Sendezeit für Rahmen c) Laufzeit == Sendezeit für 5 Rahmen Fenstergröße 7.6

17 Adaptive Flusskontrolle Puffer auf beiden Seiten (für Auslieferung bzw. Übertragswiederholung) Dynamische Verwaltungsprotokolle à Fenster-Anpassung an Systemzustand req(buf=8) dat() dat() dat() A B ack(buf=4) Automatische Anpassung der Fenstergröße gemäß tatsächlicher Leistung des Netzes: Timeout dat() dat(4) dat() ack(,buf=) ack(4,buf=) ack(buf=) Bei TDPU- Durchsatz:d TPDU/s und Verweilzeit l, bis Quittung eintrifft, setze Fenster F = d l dat(5) dat(6) ack(6,buf=) ack(buf=4) Deadlock 7.7

18 4. Transportprotokolle im Internet UDP User Datagram Protocol (UDP): verbindungsloses Protokoll, reine IP-Schnittstelle Keine: Flusskontrolle, Überlastungsüberwachung, erneute Übertragung bei Fehlern aufsetzen weiterer Protokolle für Echtzeit-Multimedia-Anwendungen: RTP einfacher 8-Byte-Header (Adressen, Länge, Prüfsumme, Daten): Source Port Destination Port UDP Length UDP Checksum [Byte] Payload Header + Payload optional Ports identifizieren Endpunkte von Quell- und Zielrechner ankommende Daten werden an Prozess übergeben, welcher Zielport zugeordnet ist o Zuordnung über ein BIND-Primitiv (gleicher Bindungsprozess wie bei TCP) beim Rückversand wird der Source Port in den Destination Port kopiert 7.8

19 TCP Transmission Control Protocol (TCP): zuverlässiges verbindungsorientiertes Protokoll beliebige Nachrichtenlänge, als Pakete von max. 64 KB übertragen Reihenfolgegarantie, -Bit-Folgenummern Verbindungsauf-/abbau mit Dreiwege-Quittungsverfahren Fenster-basierte Flusskontrolle Fehlerbehandlung durch erweitertes Prüfsummenverfahren (in Software) TCP-Struktur (einheitlich für alle Nachrichtentypen): Quell-Port (6 Bit) Ziel-Port (6 Bit) Sequenznummer ( Bit) Piggyback Acknowledment ( Bit) TCP Header length Steuerbits Fenstergröße (6 Bit, variabel) Prüfsumme urgent Pointer (relativer Bezug zu wichtiger Folgenummer) Optionsfeld (z.b. Aushandeln der Puffergröße) DATEN 7.9

20 Verbindungsauf- und abbau bei TCP Verbindungsaufbau SYN (seq=x, P=6) SYN (seq=y, ACK=x+, P=6) x,y zufällig gewählte Sequenznummern P=6 gewünschte Puffergröße 6 kbyte seq: gesendete Bytes eines Datenstroms ACK: nächste erwartete Bytes (seq=x+, ACK=y+, P=6) à Verbindung besteht zu den gewünschten Konditionen DATA Verbindung arbeitet vollduplex Punkt zu Punkt Verbindung (kein Multicast/ Verbindungsabbau Broadcast) DATA à Final-Bit im TCP Header gesetzt ACK Timer gesetzt kommt FIN vor Ablauf Timer à Verbindung FIN wird durch Initiator und Responder getrennt läuft Timer vor Eingang von ACK ab, baut ACK Initiator die Verbindung ab 7.

21 Adaptive Flusskontrolle bei TCP Festlegung einer maximalen Fenstergröße (in kbytes, nicht in Paketen) sowie eines Schwellwerts unterhalb dieses Maximums Beginn mit sehr geringer Fenstergröße ( Slow Start ), exponentielle Erhöhung bis zum Schwellwert bei erfolgreich bestätigten Nachrichten, lineare Erhöhung nach Überschreiten des Schwellwerts bis zum Maximum Zurücksetzen der Fenstergröße auf geringen Wert bei Ablauf eines Timeout, (z.b. bei Paketverlust) während auf Quittung gewartet wird Fenstergröße Paketverlust t dient der Überlastungsüberwachung im Internet 7.

22 TCP-Flusskontrolle: Beispiel Die Anzahl nach einer Bestätigung übertragener Daten richtet sich nach Minimum aus Empfängerfenster und Überlastfenster. Nehmen wir an, dass das Empfängerfenster groß genug ist, so steigt das Überlastfenster bis zu einem Schwellwert exponentiell an. Dieser liegt anfangs bei einem beliebigen Startwert (meist 64 KB), später dann bei 5% des Überlastfensters der letzten Time-out-Zeit. Danach erfolgt der Anstieg nur noch linear, bis es zur Überlastung oder Erreichen des Empfängerfensters kommt. 7.

23 5. Programmierung Berkeley-Sockets Basis: Sockets als Programmierschnittstelle der Transportschicht Primitive SOCKET BIND LISTEN ACCEPT CONNECT SEND RECEIVE CLOSE Bedeutung Erstellen eines neuen Kommunikationsendpunkts Verbinden einer lokale Adresse mit dem Socket Ankündigen der Bereitschaft zur Annahme von Verbindungen (gibt Größe der Warteschlange an) Aufbau einer passiv eingehenden Verbindung Versucht aktiv eine Verbindung aufzubauen Senden von Daten über Verbindung Empfangen von Daten über die Verbindung Freigabe der Verbindung Stream Sockets: Realisierung auf Basis von TCP für Datenströme Datagram Sockets: UDP-basiert, einfache Datagramme 7.

24 Java Socket auf Server-Seite Java unterstützt im Paket java.net die Socket-Programmierung Beispiel: ServerSocket serversocket = new ServerSocket(port); // generiere neuen Socket mit bestimmter Portnummer while (true) { Socket clientsocket = serversocket.accept(); // warte auf Nachrichten } InputStream input = clientsocket.getinputstream(); // Datenstrom empfangen byte[] data = new byte[4]; // Datenpuffer deklarieren int numbytes = ; // Anzahl der gelesenen Bytes numbytes = input.read(data); // Daten auslesen clientsocket.close(); // Verbindung schließen 7.4

25 6. Firewalls Ziel: Blockierung unberechtigter Zugriffe in private Netzwerke auf der Basis von IP-Adressen (Paketfilter), TCP/IP-Portinformationen (Circuit Relay) bzw. anwendungsbezogenen Informationen (Application Gateway) Unternehmensnetzwerk Internet Äußere Firewall Abgesichertes Grenznetz Innere Firewall (DMZ = Demilitarisierte Zone, z.b. mit WWW-Server) 7.5

26 Details Öffentlich zugängliche Dienste (z.b. Web Server, FTP Server für File-Sharing, etc.) werden in der DMZ vor der eigentlichen Firewall platziert Filtermöglichkeiten einer Firewall: IP-Quell-/Zieladressen (Paketfilter, Schicht ) Zugelassene / verbotene Protokolle bzw. TCP-Ports, z.b. HTTP, FTP, SMTP ( ), etc. ( Circuit Relay, Schicht 4) Domain Names (Quelle / Ziel) beliebige inhaltsbezogene Schlüsselwörter ggf. auch anwendungsbezogene Authentisierung ( Application Gateway ) Schutz vor unberechtigten Remote-Login-Zugriffen, Denial-of-Service-Attacken, ausführbaren Makros etc. 7.6

27 weiterführende Referenzen Tanenbaum, Wetherall: Computernetzwerke; Pearson Studium,, Kapitel 6 de.wikipedia.org/wiki/tcp, Details zu TCP Video Warriors of the Net zu Internet- Protokollen Vorlesung Rechnernetzpraxis zur weiteren Vertiefung 7.7

28 Gliederung. Einführung. Bitübertragungsschicht. Netztechnologien Teil 4. Netztechnologien Teil 5. Sicherungsschicht 6. Vermittlungsschicht 7. Transportschicht 8. Netzwerkperformance 9. Internetdienste. Multimediakommunikation. Verteilte Systeme. Mobile Computing 7.8