Rechnernetze I SS Universität Siegen Tel.: 0271/ , Büro: H-B Stand: 18.
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1 echnernetze I SS 2013 oland Wismüller Universität Siegen rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/ , Büro: H-B 8404 Stand: 18. Juli 2013 oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (1/13) i
2 echnernetze I SS oland Wismüller Universität Siegen rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/ , Büro: H-B 8404 Stand: 18. Juli 2013 oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (6/13) i
3 echnernetze I SS Internetworking oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (6/13) 130
4 6 Internetworking... OSI: 3 Inhalt IP Grundlagen IP Adressierung und Weiterleitung IP Fragmentierung / eassembly AP DHCP ICMP Virtuelle Netzwerke und Tunnel Peterson, Kap. 4.1 oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (6/13) 131
5 6 Internetworking... Was ist ein Internetwork? Zusammenschluß von einzelnen (physischen) Netzen über outer zu einem logischen Netz Netz von Netzen Was macht ein Internetwork aus? Heterogenität Verbindung unterschiedlichster Netzwerktypen (auch zukünftiger!) Skalierung Integration von sehr vielen echnern und Netzen Internet: mehrere 100 Millionen echner Internetwork Internet oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (6/13) 132
6 6 Internetworking... Beispiel für ein Internetwork H1 H2 H3 Netzwerk 1 () Netzwerk 2 () 1 H7 3 H8 Netzwerk 4 (Modemverbindung, PPP) 2 H4 Netzwerk 3 (FDDI) H5 H6 oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (6/13) 133
7 6.1 IP: Grundlagen IP (Internet Protocol) als Internetwork-Protokoll H1 H8 TCP TCP IP IP IP IP IP ETH ETH FDDI FDDI PPP PPP ETH ETH Auf jedem echner und jedem outer läuft IP IP kann auf unterschiedlichsten Netztechnologien aufsetzen oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (6/13) 134
8 6.1 IP: Grundlagen... IP Dienstmodell (was bietet IP?) Adressierungsschema Datagramm-Zustellung Um Heterogenität und Skalierbarkeit zu unterstützen: kleinster gemeinsamer Nenner IP bietet nur das, was mit jeder Netzwerktechnologie realisiert werden kann run over everything Best Effort -Modell: IP bemüht sich, gibt aber keinerlei Garantien Verlust, Duplikate, Vertauschung von Paketen möglich höhere Schichten bieten bessere Dienste oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (6/13) 135
9 6.1 IP: Grundlagen... Aufbau eines IP-Pakets (IPv4) Version HLen TOS Length TTL Ident Protocol Flags SourceAddr DestinationAddr Options (variable) Data Offset Checksum Pad (variable) IP Header oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (6/13) 136
10 6.1 IP: Grundlagen... Aufbau eines IP-Pakets (IPv4)... HLen: Länge des Headers in 32-Bit Worten TOS: Paket- Priorität für Quality of Service Length: Gesamtlänge des Pakets (Datenteil und Header) in Bytes maximale Länge: Byte Ident / Flags / Offset: für Fragmentierung / eassembly TTL (Time To Live): zur Erkennung endlos kreisender Pakete wird von jedem outer heruntergezählt, bei 0 wird das Paket verworfen Protocol: Demultiplex-Schlüssel, kennzeichnet das über IP sitzende Protokoll Checksum: Prüfsumme für den Header oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (6/13) 137
11 6.2 IP: Adressierung und Weiterleitung Für Skalierbarkeit: Hierarchische Adressen IP-Adresse = Netzadresse + Hostadresse 7 24 Klasse A 0 Netzwerk Host Klasse B Netzwerk Host 21 8 Klasse C Netzwerk Host Klasse D (Multicast) Multicast Gruppe Broadcast im lok. Netz oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (6/13) 138
12 6.2 IP: Adressierung und Weiterleitung... IP-Adressierung: Details Jedes IP-Datagramm enthält IP-Adresse des Empfängers Netzadresse kennzeichnet eindeutig ein physisches Netz, das Bestandteil des Internets ist echner (und outer) mit gleicher Netzadresse kommunizieren direkt über ihr lokales Netz Jedes physische Netz, das Teil des Internets ist, ist mit mindestens einem outer verbunden outer ist an mindestens ein weiteres Netz angeschlossen über ihn werden IP-Pakete mit anderen Netzen ausgetauscht oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (6/13) 139
13 6.2 IP: Adressierung und Weiterleitung... outer und IP-Weiterleitung outer hat mehrere Netzwerk-Schnittstellen jede Schnittstelle hat ihre eigene IP-Adresse Gateway: Schnittstelle eines outers im lokalen Netz Weiterleitungs-Algorithmus (in jedem outer und echner): Ziel hat selbe Netzadresse: Paket direkt an Ziel senden (über lokales Netz) Ziel hat andere Netzadresse: Nachsehen in outing-tabelle Tabelleneinträge: (Netzadresse, Next Hop) Falls passender Eintrag gefunden: sende Paket an Next Hop (über lokales Netz) sonst: sende Paket an Default-Gateway (über lokales Netz) oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (6/13) 140
14 6.2 IP: Adressierung und Weiterleitung... Subnetze Erinnerung: Adreßklassen in IP (Version 4) Klasse A: 126 Netze zu je ca. 16 Millionen Hosts Klasse B: Netze zu je Hosts Klasse C: ca. 2 Millionen Netze zu je 254 Hosts Klasse B ist am interessantesten Adressen sind aufgebraucht Mißverhältnisse zwischen Netzgröße und Ausnutzbarkeit Pragmatische Lösung (ab 1985): Einführen von Subnetzen oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (6/13) 141
15 6.2 IP: Adressierung und Weiterleitung... Subnetz-Bildung mit Klasse-B-Adressen Netzwerk Adresse Host Adresse Klasse B Adresse Subnetz Maske ( ) Netzwerk Adresse Subnetz A. Host Adr. Adresse mit Subnetz Damit: weitere Hierarchie-Ebene(n) oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (6/13) 142
16 6.2 IP: Adressierung und Weiterleitung... Ein Netz mit Subnetzen: Hosts und outer müssen ange paßte Forwarding Algorithmen ver wenden Subnetzadresse = IP Adresse AND Subnetzmaske Subnetzadresse: Subnetzadresse: Subnetzmaske: Subnetzmaske: H H Subnetzadresse: Subnetzmaske: Netz oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (6/13) Subnetzadresse: Subnetzmaske: H2 H4 0
17 6.2 IP: Adressierung und Weiterleitung... Forwarding-Algorithmus mit Subnetzen Aufbau der Weiterleitungstabelle: Subnetzadresse 1 Subnetzmaske 1 Next Hop 1 Subnetzadresse 2 Subnetzmaske 2 Next Hop Weiterleitung eines Pakets mit IP-Adresse xyz: Suche Eintrag i mit längster Subnetzmaske, für den gilt: xyz AND Subnetzmaske i = Subnetzadresse i Falls Eintrag gefunden: Weiterleiten an NextHop i Sonst: Verwerfen des Pakets Eintrag für Default-Gateway: Next Hop oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (6/13) 144
18 6.2 IP: Adressierung und Weiterleitung... Skalierbarkeit durch Subnetze Bessere Ausnutzung des Adreßraums mehrere physische Netze innerhalb eines Klasse B (oder A/C) Netzes z.b. innerhalb eines Campus Zusammenfassung von outing-information von außen ist nur ein einziges Klasse B (oder A/C) Netz sichtbar d.h. nur ein einziger outingtabellen-eintrag für alle Subnetze oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (6/13) 145
19 6.3 IP: Fragmentierung/eassembly Problem für IP Jedes lokale Netzwerk definiert eine (unterschiedliche) maximale Framegröße (MTU: Maximum Transmission Unit) Netzwerk MTU [Byte] 1500 FDDI Mbits/sec Token-ing (IEEE 802.5) Mbits/sec Token-ing (IBM) Alternativen für IP: max. Paketgröße = minimale MTU (welcher Netze??) Möglichkeit der Fragmentierung von IP-Paketen oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (6/13) 146
20 6.3 IP: Fragmentierung/eassembly... Beispiel zur Fragmentierung H H8 MTU: 1500 MTU: 4352 MTU: 532 MTU: 1500 ETH IP (1400) FDDI IP (1400) PPP IP (512) ETH IP (512) MAC Header IP Header (20 Byte) Nutzdaten PPP IP (512) PPP IP (376) ETH IP (512) ETH IP (376) oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (6/13) 147
21 6.3 IP: Fragmentierung/eassembly... Fragmentierung im Detail Start des Headers Ident=x 0 Offset=0 est des Headers 1400 Datenbytes Ident-Feld kennzeichnet zusammengehörige Fragemente M-Bit im Flags-Feld: more fragements Offset zählt in 8-Byte-Schritten! Start des Headers Ident=x 1 Offset=0 est des Headers 512 Datenbytes Start des Headers Ident=x 1 Offset=64 est des Headers 512 Datenbytes Start des Headers Ident=x 0 Offset=128 est des Headers 376 Datenbytes oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (6/13) 148
22 6.3 IP: Fragmentierung/eassembly... Fragmentierung im Detail... Fragmentierung geschieht in den outern bzw. im Sender Jedes Fragment ist ein eigenständiges IP-Datagramm ein Fragment kann ggf. nochmals fragmentiert werden Empfänger baut aller Fragmente wieder zusammen falls ein Fragment nicht ankommt, werden alle anderen zugehörigen Fragmente verworfen Heute meist Path MTU Discovery bevorzugt: ein Bit im IP-Header verbietet Fragmentierung ggf. Fehlermeldung an Sender (über ICMP, siehe später) Sender kann minimale MTU ermitteln oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (6/13) 149
23 echnernetze I SS oland Wismüller Universität Siegen rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/ , Büro: H-B 8404 Stand: 18. Juli 2013 oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) i
24 6.4 AP Motivation IP-Weiterleitung bringt ein Paket in das richtige LAN Wie funktioniert IP-Kommunikation innerhalb eines LANs? Beispiel: 1 empfängt Paket für echner muß Paket über an diesen echner weiterleiten H1 H2 H3 Woher weiß 1 die MAC-Adresse des echners mit IP-Adresse ? Anmerkung: dasselbe Problem tritt auch auf, wenn z.b. H1 ein Paket an IP-Adresse senden will oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) (Netzadresse /16)
25 6.4 AP... Motivation... Problem: Umsetzung von IP-Adressen auf MAC-Adressen im lokalen Netz Lösungs-Alternativen: MAC-Adresse in IP-Adresse kodieren? nicht realisierbar (: 48 Bit MAC-Adresse!) Manuell verwaltete Tabellen? Verwaltungsaufwand! Automatisches (dynamisches) Erstellen der Tabellen! oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) 151
26 6.4 AP... AP: Address esolution Protocol Annahme: ein echner H will ein Paket an IP-Adresse xyz senden, xyz ist im lokalen Netz H sucht in seinem AP-Cache nach der zu xyz gehörigen MAC-Adresse Falls gefunden: Paket an diese MAC-Adresse senden Sonst: H sendet Broadcast-Anfrage in das LAN: wer hat IP-Adresse xyz? Der betroffene echner antwortet mit seiner IP- und MAC-Adresse H trägt Zuordnung in sein AP-Cache ein automatische Löschung nach bestimmter Zeit ohne Nutzung oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) 152
27 6.5 DHCP DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol Automatisiert die Vergabe von IP-Adressen Vorgehensweise: 1. echner sendet Broadcast-Anfrage (DHCPDISCOVE) Verbreitung nur im lokalen Netz 2. DHCP-Server sendet DHCPOFFE: Angebot für IP-Adresse Zuordnung statisch oder dynamisch, als Schlüssel dient MAC-Adresse des echners 3. echner fordert diese Adresse vom DHCP-Server an (DHCPEQUEST) 4. DHCP-Server bestätigt (DHCPACK) IP-Adresse wird nur für eine bestimmte Zeit gemietet periodische Wiederholung der Schritte 3 und 4 oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) 153
28 6.6 ICMP ICMP: Internet Control Message Protocol Datagramme für Fehler-und Verwaltungsmeldungen: Ziel nicht erreichbar eassembly fehlgeschlagen Fragmentierung nicht erlaubt, aber erforderlich TTL wurde 0 Prüfsummenfehler im IP-Header ICMP edirect: bessere oute zum Ziel Echo equest / eply: z.b. bei ping und traceroute... oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) 154
29 6.7 IP-Tunnel und virtuelle private Netze (VPN) Zwei private Netzwerke: Firma X: A C Verbindungsleitungen B Standort mit LAN Firma Y: K L M Zwei VPNs: K C L Verbindungs leitungen A M B Virtuelle Leitungen (Firma Y) oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) 155
30 6.7 IP-Tunnel und virtuelle private Netze (VPN)... ealisierung von virtuellen Leitungen durch IP-Tunnel: 1 2 Netzwerk 1 Internetwork Netzwerk 2 IP Header Ziel = 2.x IP Nutzdaten Gründe für Tunnel: IP Header Ziel = IP Header Ziel = 2.x IP Nutzdaten Verschlüsselung im Tunnel (z.b. mit Secure IP) spezielle Fähigkeiten von 1, 2 (z.b. Multicast) andere Protokolle (nicht IP) IP Header Ziel = 2.x IP Nutzdaten oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) 156
31 6.8 Zusammenfassung Beispiel: Ablauf einer Web-Server-Anfrage = outer GW = Gateway DNS = Domain Name Server Internet DNS :03:cd:0a:04: :01:7a:0c:05:11 oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) 157
32 6.8 Zusammenfassung Beispiel: Ablauf einer Web-Server-Anfrage 1. Anfrage an WWW Server Internet DNS :03:cd:0a:04: :01:7a:0c:05:11 oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) 157
33 6.8 Zusammenfassung Beispiel: Ablauf einer Web-Server-Anfrage 1.1. DNS Anfrage Server: Internet DNS :03:cd:0a:04: :01:7a:0c:05:11? oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) 157
34 6.8 Zusammenfassung Beispiel: Ablauf einer Web-Server-Anfrage IP Forwarding Ziel: Host IP: Netzmaske: = lokales Netz Internet DNS :03:cd:0a:04: :01:7a:0c:05:11 oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) 157
35 6.8 Zusammenfassung Beispiel: Ablauf einer Web-Server-Anfrage AP Anfrage? Internet DNS :03:cd:0a:04: :01:7a:0c:05:11 oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) 157
36 6.8 Zusammenfassung Beispiel: Ablauf einer Web-Server-Anfrage AP Antwort! 00:03:cd:0a:04:34 Internet DNS :03:cd:0a:04: :01:7a:0c:05:11 oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) 157
37 6.8 Zusammenfassung Beispiel: Ablauf einer Web-Server-Anfrage Sende DNS Anfrage Ziel IP Adresse: Ziel MAC Adresse: 00:03:cd:01:04:34 Internet DNS :03:cd:0a:04: :01:7a:0c:05:11 oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) 157
38 6.8 Zusammenfassung Beispiel: Ablauf einer Web-Server-Anfrage 1.2. DNS Antwort Ziel: IP Weiterleitung, AP! Internet DNS :03:cd:0a:04: :01:7a:0c:05:11 oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) 157
39 6.8 Zusammenfassung Beispiel: Ablauf einer Web-Server-Anfrage 1.3. Transfer des 1. IP Pakets Ziel: Internet DNS :03:cd:0a:04: :01:7a:0c:05:11 oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) 157
40 6.8 Zusammenfassung Beispiel: Ablauf einer Web-Server-Anfrage IP Forwarding Ziel: Host IP: DNS :03:cd:0a:04: Netzmaske: = / an Gateway Internet :01:7a:0c:05: oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) 157
41 6.8 Zusammenfassung Beispiel: Ablauf einer Web-Server-Anfrage AP Anfrage? Internet DNS :03:cd:0a:04: :01:7a:0c:05:11 oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) 157
42 6.8 Zusammenfassung Beispiel: Ablauf einer Web-Server-Anfrage AP Antwort DNS! 00:01:7a:0c:05: :03:cd:0a:04:34 Internet :01:7a:0c:05: oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) 157
43 6.8 Zusammenfassung Beispiel: Ablauf einer Web-Server-Anfrage Senden des Pakets an Gateway Ziel IP Adresse: Ziel MAC Adresse: 00:01:7a:0c:05:11 Internet DNS :03:cd:0a:04: :01:7a:0c:05:11 oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) 157
44 6.8 Zusammenfassung Beispiel: Ablauf einer Web-Server-Anfrage 1.4. Weiterleitung des Pakets zum Ziel In jedem outer: IP Weiterleitung, AP Internet DNS :03:cd:0a:04: :01:7a:0c:05:11 oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) 157
45 6.8 Zusammenfassung... Internetwork: Netz von Netzen IP-Protokoll: Best-Effort, run over verything Hierarchische Adressen: outing nur zwischen Netzen Bessere Skalierbarkeit durch Subnetze Hilfsprotokolle: AP, DHCP, ICMP Virtuelle private Netze durch IP-Tunnel Nächste Lektion: outing oland Wismüller Betriebssysteme / verteilte Systeme echnernetze I (7/13) 158
Rechnernetze I SS Universität Siegen Tel.: 0271/ , Büro: H-B Stand: 18.
Rechnernetze I SS 2013 Universität Siegen rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/740-4050, Büro: H-B 8404 Stand: 18. Juli 2013 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (1/13) i Rechnernetze
Rechnernetze I. Rechnernetze I. 5 Internetworking SS 2012. Universität Siegen Tel.: 0271/740-4050, Büro: H-B 8404
Rechnernetze I SS 2012 Universität Siegen rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/740-4050, Büro: H-B 8404 Stand: 19. Juni 2012 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (1/12) i Rechnernetze
Rechnernetze I SS 2014. Universität Siegen rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/740-4050, Büro: H-B 8404. Stand: 3.
Rechnernetze I SS 2014 Universität Siegen rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/740-4050, Büro: H-B 8404 Stand: 3. Juli 2014 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (1/10) i Rechnernetze
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Themen outing-algorithmen IP-Adressierung AP, AP, OOTP, DHCP echnernetze Schicht 3 des OSI-, sowie TCP/IP-Modells Aufgaben: Vermittlung von Paketen von einer Quelle zum Ziel Finden des optimalen Weges
Rechnernetze I SS 2014. Universität Siegen rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/740-4050, Büro: H-B 8404. Stand: 10.
Rechnernetze I SS 2014 Universität Siegen rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/740-4050, Büro: H-B 8404 Stand: 10. August 2015 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (1/13) i Rechnernetze
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