Betriebssysteme. Martin Alt. Gruppe PVS Institut für Informatik. Betriebssysteme 2004 Übung 6 1

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1 Betriebssysteme Übung 6 Martin Alt Gruppe PVS Institut für Informatik Betriebssysteme 2004 Übung 6 1

2 Hinweise zum Übungsblatt Fehler auf dem Aufgabenblatt: finalize_process process_wrapper append_queue append Funktion main in process_manager.c darf (und muss) verändert werden. Hinweise zur Abgabe: Bei Abgabe wird künftig eine automatische Eingangsbestätigung verschickt wenn das richtige Subject angegeben ist ([BS] Abgabe Uebung x) Nachfragen weil keine Bestätigung wg. falschen Subjects führen zu Punktabzug Verzeichnisstruktur beibehalten! Dateien nicht umbenennen! Betriebssysteme 2004 Übung 6 2

3 Netzwerkkommunikation Kommunikationsablauf wird durch Protokolle festgelegt Internet Standards sind in sog. Requests for Comments (RFC) beschrieben TCP/IP RFC 791: IP RFC 792: ICMP RFC 793: TCP RFC 768: UDP RFC 826: ARP Protokolle und Netzwerk-Code sind schichtweise aufgebaut Betriebssysteme 2004 Übung 6 3

4 ISO OSI Schichtenmodell Prozess A Prozess B Anwendungsschicht Application Layer Anwendungsprotokoll Anwendungsschicht Application Layer Darstellungsschicht Presentation Layer Darstellungsprotokoll Darstellungsschicht Presentation Layer Sitzungsschicht Session Layer Sitzungsprotokoll Sitzungsschicht Session Layer Transportschicht Transport Layer Netzwerkschicht Network Layer Sicherungsschicht Data Link Layer Übertragungsschicht Physical Layer Netzwerk protokoll Sicherungs protokoll Übertragungs protokoll Transportprotokoll Gateway Netzwerkschicht Network Layer Sicherungsschicht Data Link Layer Übertragungsschicht Physical Layer Netzwerk protokoll Sicherungs protokoll Übertragungs protokoll Transportschicht Transport Layer Netzwerkschicht Network Layer Sicherungsschicht Data Link Layer Übertragungsschicht Physical Layer Betriebssysteme 2004 Übung 6 4

5 TCP/IP TCP/IP: Internet Protokolle Vier Schichten: Application Layer Application Layer Transport Layer TCP UDP Network Layer IP ICMP Link Layer (1&2) Network Interface (z.b. Ethernet) Darstellungsschicht: Umwandlung von Host- in Network-Byteorder Im folgenden betrachten wir ausschließlich TCP/IP/Ethernet Betriebssysteme 2004 Übung 6 5

6 Protokolldaten Protokolldaten (Kopf, header)jeder Schicht werden von der darunterliegenden Schicht als Daten betrachtet Beim Empfangen werden Protokolldaten niedriger Schichten sukzessive entfernt Empfangen Senden Nutzdaten HTTP Nutzdaten TCP HTTP Nutzdaten IP TCP HTTP Nutzdaten ETHERNET IP TCP HTTP Nutzdaten Betriebssysteme 2004 Übung 6 6

7 Network Interface Level: Ethernet Entwickelt von Xerox PARC ab ca CMSA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) Bus-basiertes System Pakete mit Byte Nutzinformation Präambel (0 31) Präambel (32 63) Zieladresse (0 31) Zieladresse (32 47) Quelladresse (0 15) Quelladresse (0 15) Paket Typ Daten Daten... Prüfsumme Betriebssysteme 2004 Übung 6 7

8 Internet Protocol (IP) Zahl der Rechner an einem Ethernet Netzwerk ist begrenzt (Kollisionen) Internet Protokoll dient zum Zusammenschluss mehrerer Netzwerke (nicht nur Ethernet) Paketorientiertes Protokoll: Längere Nachrichten werden in Pakete zerlegt die einzeln verschickt werden Pakete können weiter unterteilt werden, falls sie zu groß für ein bestimmtes Netzwerk sind (Fragmentierung) Nicht zuverlässige Übertragung: Pakete können verlorengehen Pakete können mehrfach ankommen Pakete können sich gegenseitig überholen Betriebssysteme 2004 Übung 6 8

9 IP-Adresse Jedem Netzwerk Interface wird eine netzweit eindeutige Adresse (32 Bit) zugeordnet Unterteilt in Netzadresse und Knotenadresse Früher: feste Einteilung in Klassen: Klasse A: 8 Bit Netzwerk, 24 Bit Knoten Klasse B: 16 Bit Netzwerk, 16 Bit Knoten Klasse C: 24 Bit Netzwerk, 8 Bit Knoten Modernere Variante: Netzmasken Geben an welche Bits zur Netzadresse gehören Beispiel: Maske: Andere Schreibweise: /22 Benennung von Netzwerken: Knotenteil der Adresse ist 0, z. B /16 Unterteilung in Netz- und Hostteil wichtig für Routing Betriebssysteme 2004 Übung 6 9

10 IP-Routing Problem: Woher weiß ein Rechner wohin ein IP-Paket verschickt werden soll? BS unterhält Routing-Tabelle die angibt, über welches Netzwerk-Interface Rechner zu erreichen sind Beispiel: Destination Gateway Genmask Iface eth lo eth0 BS führt Routing auf Grund der Routing-Tabelle durch; anpassen der Tabelle ist Sache des Benutzers bzw. eines speziellen Programms Betriebssysteme 2004 Übung 6 10

11 IP-Routing II Zwei Arten von Einträgen: lokale und nicht lokale Routen Lokale Routen: Paket kann über angegebene Netzwerkschnittstelle direkt an den Empfänger versandt werden Nicht lokale Routen: Empfänger befindet sich in einem anderen Netz, Paket kann nur an Gateway verschickt werden Gateways (Router) sind Rechner die an mehrere Netzwerke angeschlossen sind und Pakete weiterleiten Betriebssysteme 2004 Übung 6 11

12 IP-Routing Beispiel Weg von Rechner hisar.uni-muenster.de nach 1: hisar.uni-muenster.de ( ) 1: C65RRZA-MATHE.UNI-MUENSTER.DE ( ) 2: C65UNIA-C65RRZA.UNI-MUENSTER.DE ( ) 3: C65RISPA-UNIA.UNI-MUENSTER.DE ( ) 4: ar-essen4-ge g-win.dfn.de ( ) 5: cr-essen1-ge4-0.g-win.dfn.de ( ) 6: cr-leipzig1-po11-0.g-win.dfn.de ( ) 7: cr-frankfurt1-po10-0.g-win.dfn.de ( ) 8: ir-frankfurt2-po4-0.g-win.dfn.de ( ) 9: de-cix.ffm.plusline.net ( ) 10: c22.f.de.plusline.net ( ) 11: ( ) Betriebssysteme 2004 Übung 6 12

13 Routing: G-WiN Quelle: DFN Betriebssysteme 2004 Übung 6 13

14 IP-Pakete Version KLänge Diensttyp Gesamtlänge (Bytes) Fragmentidentifizierung Flags Fragmentadresse TTL Protokoll Kopfprüfsumme Quelladresse Zieladresse Optionen Füllbyte Daten... Betriebssysteme 2004 Übung 6 14

15 ARP: Adressauflösung Routing Tabelle liefert IP-Adresse des nächsten Empfängers Wie werden IP-Adressen in Ethernet Adressen umgesetzt? ARP (Address Resolution Protocol): Sender schickt ein ARP Paket mit der IP Adresse des gesuchten Rechners (Empfänger oder Gateway) per Broadcast an alle Rechner im lokalen Netz Der gesuchte Rechner antwortet und teilt dem Sender seine Ethernet-Adresse mit Erhaltene Adressen werden in einer Tabelle zwischengespeichert Betriebssysteme 2004 Übung 6 15

16 ARP-Paketformat Hardwaretyp (Ethernet) Protokolltyp (IP) HWAdresslange Protok adresslange Operation (Request/Reply) Quelladresse (Ethernet) Quelladresse (Ethernet) Quelladresse (IP) Zieladresse (Ethernet) Zieladresse (IP) Zieladresse (Ethernet) ARP-Einträge anzeigen: arp(8) Beispiel: sklavenhaendler ( ) at 00:03:BA:81:74:D9 [ether] on eth0 alibaba ( ) at 00:03:BA:02:E9:0C [ether] on eth0 denethor ( ) at 00:03:BA:49:B3:77 [ether] on eth0 bei-gertrud ( ) at 00:03:BA:27:04:93 [ether] on eth0 HSRP-MATHE.UNI-MUENSTER.DE ( ) at 00:D0:04:48:FF:FC [ether] Betriebssysteme 2004 Übung 6 16

17 Internet Control Message Protocol (ICMP) ICMP dient im wesentlichen zur Fehlerbehandlung (z. B. host unreachable) In der Regeln nicht von der Anwendung sondern vom Netzwerk-Code des BS verschickt und empfangen Sammlung unterschiedlicher Paketformate, je nach Art der Meldung ICMP-Pakete werden Nutzdaten in normalen IP-Paketen verschickt Wichtige ICMP-Nachrichten: Destination Unreachable Time Exceeded Source Quench Redirect Echo, Echo Reply Im Allgemeinen können ICMP-Nachrichten verschickt werden, müssen aber nicht Betriebssysteme 2004 Übung 6 17

18 UDP IP erlaubt die Adressierung von Rechnern über Netzgrenzen hinweg Es fehlt die Adressierung einzelner Prozesse (genauer: Sockets) innerhalb eines Rechners Transportprotokoll User Datagram Protocol (UDP): Einfaches TCP/IP Transportprotokoll Effizient aber nicht zuverlässig Einzige Erweiterung gegenüber IP: Ports Ports identifizieren Kommunikationsendpunkte innerhalb eines Rechners (Sockets) Ermöglicht dem BS eingehende Pakete Sockets zuzuordnen Eine Reihe von Port-Nummern sind per RFC standardisiert (well-known ports), z. B. Port 80/tcp: HTTP Ein Socket wird eindeutig identifiziert durch das Tupel (IP-Adresse, Protokoll, Port) Betriebssysteme 2004 Übung 6 18

19 UDP-Paket Quell Port Ziel Port Länge Prüfsumme Daten... Betriebssysteme 2004 Übung 6 19

20 Transmission Control Protocol (TCP) TCP: Verbindungsorientiertes Transportprotokoll Zuverlässige Datenübertragung FIFO Eigenschaft (Daten werden in Absendereihenfolge empfangen) Datenflußkontrolle Verbindung ist stromorientiert : Anwendung sieht einen zusammenhängenden Datenstrom, keine Pakete Fragmentierung in IP-Paket vor der Anwendung verborgen Expliziter Verbindungsaufbau (Synchronisation, SYN) und -abbau (FIN) Betriebssysteme 2004 Übung 6 20

21 TCP: Zustandsautomat timeout/rst SYN RECVD SYN/SYN,ACK RST/ (passive open)/ CLOSED LISTEN SYN/SYN,ACK (active open)/syn (send data)/syn EINGABE/AUSGABE (Anwendungsbefehlle) SYN SENT (close) timeout ACK/ SYN,ACK/ACK (close)/fin (close)/fin ESTABLISHED FIN/ACK CLOSE WAIT FIN WAIT 1 ACK/ FIN/ACK FIN,ACK/ACK CLOSING ACK/ (close)/fin LAST ACK ACK/ FIN WAIT 2 FIN/ACK TIME WAIT timeout Betriebssysteme 2004 Übung 6 21

22 TCP-Paket Quell Port Sequenznummer Bestätigungsnummer Ziel Port Offset nicht verw Fenster Prüfsumme Optionen Dringlich Füllbytes Daten URG ACK PSH RST SYN FIN Fenster: Gibt an bis zu welcher Sequenznummer der Empfänger bereit ist Pakete zu empfangen (Flusskontrolle) Dringlich: Zusätzlich zum normalen Datenstrom kann ein zweiter Strom mit höherer Priorität verwendet werden Betriebssysteme 2004 Übung 6 22

23 TCP: Verbindungsaufbau 3-way handshake : CLOSED (active open) SYN SENT ESTABLISHED SEQ=100 CTL=SYN SEQ=300 ACK=100 CTL=SYN,ACK SEQ=101 ACK=300 CTL=ACK SEQ=102 ACK=300 CTL=ACK DATA CLOSED (passive open) LISTEN SYN RECVD ESTABLISHED Betriebssysteme 2004 Übung 6 23

24 Anwendungsprotokolle TCP/IP bildet die Basis für Anwendungsprotokolle: Domain Name System: Umsetzung von Namen in IP-Adressen Hypertext Transfer Protocol (HTTP): Web-Seiten File Transfer Protocol (FTP) Simple Mail Transfer Protocol (SMTP) Telnet... Betriebssysteme 2004 Übung 6 24

25 Beispiel: Webseite lesen Was passiert wenn man von hisar.uni-muenster.de eine TCP-Verbindung mit aufbaut? 1. IP-Adresse zu herausfinden DNS-Server kontaktieren; liefert Geeignete Route bestimmen Routingtabelle enthält keinen Eintrag für Default Eintrag verwenden: Gateway: Interface: eth0 3. Ethernet-Adresse des Gateways bestimmen ARP Paket mit Adresse an alle Rechner im lokalen Ethernet schicken Gateway antwortet mit IP-Adresse Betriebssysteme 2004 Übung 6 25

26 Beispiel: Webseite lesen II 4. TCP-Verbindung aufbauen zum korrekten Port (z. B. Port 80) IP-Pakete werden an Gateway verschickt Dieser leitete die Pakete an den nächsten Rechner weiter Antwort-Pakete kommen ebenfalls über Gateway 5. Anfrage senden: HTTP-GET Kommando Per TCP senden wird in TCP-Pakete verpackt TCP-Pakete werden in IP, diese in Ethernet-Pakete verpackt 6. Server antwortet mit angeforderter Datei 7. Nach Ende der Kommunikation Verbindung beenden Betriebssysteme 2004 Übung 6 26

27 Linux/BSDs: Netzwerkinformationen Anzeigen von Informationen zu Netzwerk Schnittstellen (nicht auf Ethernet begrenzt): ifconfig Anzeigen von Routing-Tabellen: netstat -nr Route eines Pakets verfolgen: traceroute oder tracepath Anzeigen des ARP-Caches: arp -a Well-known ports: /etc/services Betriebssysteme 2004 Übung 6 27