Wirtschaftsinformatik IV - Informationswirtschaft. ISO/OSI-Modell IP-Adressierung Subnetze

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1 Wirtschaftsinformatik IV - Informationswirtschaft ISO/OSI-Modell IP-Adressierung Subnetze 16. Mai 2011

2 Netzwerktypen/-topologien 2

3 Kommunikation im Netzwerk - Aufgaben Adressierung jeder Knoten muss eindeutig identifizierbar sein Verwendung numerischer Adressen Routing Bestimmung eines Weges vom Sender zum Empfänger über Zwischenknoten Paketmanagement Aufteilen der Daten in Pakete, Zusammenbau beim Empfänger Sonstiges Fehlerbehandlung Verschlüsselung Flusskontrolle Management des Mehrfachzugriffs auf Übertragungsmedium Behandlung verschiedener Datendarstellungen 3

4 Schichten, Dienste und Protokolle 4

5 Schichten, Dienste und Protokolle Kommunikation wird in Schichten realisiert Ziel der Schichtung Jede Schicht definiert eine Abstraktionsebene Implementierung der Schicht ist austauschbar Technische Realisierung der Schicht wird Protokoll genannt Stellt Dienste für darüber liegende Schichten im gleichen Stack ( auf dem gleichen PC ) bereit: Dienstschnittstelle Programme auf Schicht N kommunizieren über Dienstschnittstelle direkt mit Schichten N+1 und N-1: Vertikale Kommunikation Stellt Dienste für seinen Partner im gegenüberliegenden Stack ( auf dem anderen Rechner ) bereit: Partnerschnittstelle Programme auf Schicht N von Host A kommunizieren über Partnerschnittstelle indirekt mit Schicht N von Host B: Horizontale Kommunikation 5

6 ISO/OSI-Referenzmodell ISO Open Systems Interconnection (OSI) International Organization for Standardization (ISO) leistet 1983 Pionierarbeit auf dem Gebiet der Datenkommunikation. Schlägt OSI als ein Modell für geschichtete Kommunikationssysteme vor. Open Systems Interconnection Reference Model (OSI) (ISO International Standard 7498) OSI spezifiziert sieben Schichten mit ihren jeweiligen Funktionen. 6

7 Die 7 ISO/OSI-Schichten (1/2) Schicht 7: Anwendungsschicht Anbieten von (Standard-)Protokollen (beispielsweise für Dateitransfer), die von allen Anwendungsprogrammen eines Hosts genutzt werden können. Schicht 6: Darstellungsschicht Konvertierung der übermittelten Daten in plattformunabhängige Darstellung, die von den kommunizierenden Anwendungsprozessen verstanden wird. Schicht 5: Kommunikationssteuerungsschicht oder Sitzungssicht Dienste zur Verwaltung von Sitzungen Prozesssynchronisation mittels Token-Management oder Checkpointing. Schicht 4: Transportschicht Ende-zu-Ende Übermittlung von Daten. Zuverlässige und verbindungsorientierte Datenübertragung. Flusskontrolle verhindert "Datenüberschwemmung" beim entfernten End- Host. 7

8 Die 7 ISO/OSI-Schichten (2/2) Schicht 3: Vermittlungsschicht Adressierung und Wegewahl. Transparente Übermittelung von Daten über große Distanzen. Bietet sowohl verbindungsorientierte als auch verbindungslose Datenübertragung. Schicht 2: Sicherungsschicht Entdeckt und korrigiert Übertragungsfehler zwischenbenachbarten Hosts. Flusskontrolle verhindert Datenüberschwemmung beim benachbarten Host. Bei Broadcast-Medien: Regelung des Medienzugriffs. Schicht 1: Bitübertragungsschicht Transparente Übertragung eines Stroms binärer Information über ein Medium. Repräsentation der Signale auf dem Medium. 8

9 Virtuelle und reale Kommunikation 9

10 Übung Übung 10

11 TCP/IP-Referenzmodell Erste Spezifizierung Entwickelt für das ARPANET zur einfachen Verbindung mehrerer Hosts unter dem Designziel einer stabile Kommunikation, auch wenn Teile des Netzes ausfallen. Ebenfalls von seinem Nachfolger, dem Internet, genutzt. 11

12 Die 4 TCP/IP-Schichten Anwendungsschicht (entspricht ISO/OSI Schicht 7) Bietet (Standard-)Protokolle. (z.b. HTTP für Web oder SMTP für Mail- Transfer) Anwendungsprogramme definieren oft eigene Protokolle. Transportschicht (entspricht ISO/OSI Schicht 4) Erlaubt Ende-zu-Ende Kommunikation zwischen Hosts mit zwei Protokollen: Unzuverlässiges und verbindungsloses User Datagram Protocol (UDP). Zuverlässiges und verbindungsorientiertes Transport Control Protocol (TCP). Vermittlungsschicht (IP) (entspricht ISO/OSI Schicht 3) Adressierung und Wegewahl. Nur ein verbindungsloses Protokoll (IP) spezifiziert. Netzzugangsschicht (entspricht ISO/OSI Schichten 1 und 2) Nicht weiter spezifiziert! Protokolldesign ist anderen Standards überlassen. 12

13 Die Internet-Architektur Protokollgraph der Internet-Architektur Sanduhr-Modell: IP als zentrale Verbindung der höheren Protokolle und der Netzwerkschicht 13

14 IP-Paket (1) Grundelement der Internet-Datenkommunikation Kleinster, gemeinsamer Nenner verschiedenster Netzwerktypen (Satellit, Ethernet, FDDI, Token Ring, Token Bus, ) Run Over Everything IP bietet nur das, was mit jeder Netzwerktechnologie realisiert werden kann Best Effort IP bemüht sich, gibt aber keinerlei Garantien Verlust, Duplikate, Vertauschung von Paketen möglich höhere Schichten bieten bessere Dienste 14

15 IP-Paket (2) Was bietet IP? Adressierungsschema (Absender + Empfänger) Datagrammzustellung (Kopfdaten + Nutzdaten) Aufbau Kopfdaten (20 Byte plus bis zu 40 Byte optionale Felder) Nutzdaten (Größe abhängig von unterliegendem Netzwerktyp) Problem Jeder Netzwerktyp hat seine eigene maximale Nutzdatengröße (MTU: Maximum Transmission Unit) Beispiel: Ethernet (1500 Byte), FDDI (4352 Byte), PPP (512 Byte) Lösungsalternativen max. Paketgröße = min. MTU (welcher Netze??) Fragmentierung von Pakten Beispiel: Ethernet-Paket (1400 Byte) wird in 3 PPP-Pakete (2x 512 Byte, 1x 376 Byte) zerlegt 15

16 Aufbau eines IP-Pakets 16

17 Adressierung Benutzerfreundliche Adressierung Adressierung im Internet über IP:Port. Ports sind für viele Dienste festgelegt und müssen nicht explizit angegeben werden. "well-known ports", i.d.r. < 1024 Aber wer kann sich die 32 Bit-Nummern der IPs merken? Es werden benutzerfreundliche Namen anstatt Nummern für die Hosts benötigt. In den 70ern konnten noch alle IPs und ihre Hostnames in einer einzigen Datei hosts.txt gepflegt werden, die regelmäßig verteilt wurde. 17

18 Domain Name System (DNS) Ursprünglicher Ansatz Auflösung der Host-Namen zu IP-Adressen und umgekehrt über eine zentrale Liste. Probleme: Hohes Datenaufkommen durch weltweite Anfragen. Kollisionen bei Namensgebung. Inkonsistenzen in übergroßer Datei. Single point of failure. Domain Name System (DNS) 1984 wird DNS als dezentrale, hierarchisch organisierte Datenbank auf vielen Nameservern vorgestellt. Vorteile: Individuelle Datensegmente werden lokal administriert. Lokale Daten sind über Client-/Server-Technologie vom gesamten Netz aus erreichbar. Robustheit und Geschwindigkeit werden durch Caching und Replikation von Daten erreicht. 18

19 Adressaufbau in IPv4 Hierarchische Adresse mit Netz-und Hostidentifikationsnummer Die Kombination ist weltweit eindeutig. (Keine zwei Computer haben die gleiche Adresse.) IP-Adresse besteht aus 32 Bits (4 Bytes). Jedes der 4 Byte wird dezimal ausgedrückt und durch Punkt getrennt. (Dotted Decimal Notation) Die Werte liegen zwischen 0 und 255. Beispiele: (keine gültige Adresse) 19

20 Adressklassen in IPv4 Konzept der Netzklassen bereits seit 1993 nicht mehr aktuell Wird in Lehrbüchern nach wie vor verwendet und vermittelt Nachfolger : Classless Inter-Domain Routing (CIDR) 20

21 Erweiterung des Adressraumes durch IPv6 IPv4-Adressen reichen nicht aus! Nicht nur enger Adressraum, sondern auch ungleichmäßig verteilte Adressen (74% aller IPv4-Adressen liegen bei US-Unternehmen und Institutionen!) Abhilfe durch IPv6-Adressierung: Sextillionen) Adressen bei IPv6 Für jeden Quadratmillimeter Erdoberfläche könnten etwa 667Billiarden IPv6- Adressen (6, ) bereitgestellt werden, während auf einen Quadratkilometer Erdoberfläche gerade mal 8,4 Adressen im IPv4-Format entfallen (si. IPv6-Adressen werden nicht in dezimaler (zum Beispiel ), sondern in hexadezimaler Notation mit Doppelpunkten geschrieben, die die Adresse in acht Blöcke mit einer Länge von jeweils 16Bit unterteilen. Beispiel einer IPv6-Adresse: 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:

22 Subnetze Erinnerung: Adressklassen Klasse A: 126 Netze zu je ~17 Millionen Hosts Klasse B: Netze zu je Hosts Klasse C: ~2 Millionen Netze zu je 254 Hosts Klasse B ist am interessantesten Adressen sind aufgebraucht Missverhältnisse zwischen Netzgröße und Ausnutzbarkeit Pragmatische Lösung: Einführen von Subnetzen 22

23 Warum Subnetze? Trennen von Netzwerken unterschiedlicher Topologie Trennen von Netzwerken nach Standorten, Gebäuden und Etagen Trennen von Netzwerken nach Abteilungen und Bereichen Trennen von sensitiven Bereichen vom Hauptnetz Trennen des Netzwerks in logische Arbeitsgruppen Trennen des Netzwerks zur Reduzierung des Verkehrsaufkommens 23

24 Subnetz-Adresse und Subnetz-Maske Klasse-B-Adresse Host-Adresse in Subnetz-Adr. und Host-Adresse teilen Zu identifizieren über Subnetz-Maske, Netzwerk=1, Host=0 24

25 IP-Adresse und Subnetz-Maske AND-Verknüpfung der IP-Adresse und der Subnetz-Maske Netzwerkadresse AND-Verknüpfung der IP-Adresse und der negierten Subnetz-Maske Hostadresse Schreibweise / (Dotted Decimal Notation) /24 (Classless Inter-Domain Routing) Beispiel IP-Adresse Subnetzmaske Netzwerkadresse Hostadresse

26 Mögliche Subnetze Theoretisch könnte es auch Subnetz-Masken in der Art geben Praktisch werden nur Subnetz-Masken verwendet, die den Netzwerkanteil links und den Hostanteil rechts haben und die Bits nicht miteinander vermischen Anzahl Binär Dezimal

27 Übung Übung 27