Kommunikationsnetze. Praxis Internet. Version 4.0

Transkript

1 Kommunikationsnetze Praxis Internet Michael Rotert Version 4.0

2 Inhalt Einführung (Teil 1) Lokale Netze (LAN) Topologie, Komponenten Ethernet Punkt-zu-Punkt über Ethernet Virtuelle LANs Internet Ebene 3 Protokolle (Teil 2) Definition, Geschichte Architektur, Protokolle IPv4 (Teil3) IPv4 Header Fragmentierung IPv4 Adressierung IPv4 Routing (Teil 4) Autonome Systeme Routing Protokolle Internet Exchanges Zusatzprotokolle (Teil 5) ARP / RARP ICMP (ping und traceroute) DHCP und NAT IPv6 (Teil 6) Entwicklung, Geschichte IPv6 Header IPv6 Adressierung IPv6 Zusatzprotokolle (Teil 7) Konfiguration, Autokonfiguration Fragmentierung DHCP, ICMP Drahtlose und mobile Netze (Teil 8) Eigenschaften Adressierung/Routing mobiler Benutzer Mobilität in IPv4 Netzen WLAN/Wifi Transportschicht (Teil 9) TCP und UDP Anwendungsschicht (Teil 10) Grundlagen, Architekuren DNS Electronic Mail (SMTP, POP3, IMAP) P2P-Anwendungen Teil 5 2

3 IPv4: ARP: Address Resolution Protocol Problem: Wie erfahre ich die MAC-Adresse von B, wenn ich die IP-Adresse von B kenne? Dazu wird das Address Resolution Protocol (ARP) verwendet Jedes System in einem LAN hat einen ARP-Cache, in dem die Zuordnung von IP- zu MAC-Adressen gespeichert ist Jeder Eintrag ist mit einer Lebenszeit versehen, nach Ablauf der Lebenszeit wird der Eintrag gelöscht (RFC 1127) ( Minuten (typische Lebenszeit: 20 Ansehen + Manipulieren des ARP- Caches mit dem Kommando arp (z.b. Anzeige mit arp a ) 3

4 IPv4: ARP Vorgehensweise im Ethernet: A sendet mittels Broadcast einen ARP-Request A X B Y B antwortet mit einem ARP-Reply an A und sendet damit eine physikalische Adresse. A X B Y 4

5 IP-Header + Daten erzeugen ARP: Kein Eintrag für Ziel IPv4: ARP Ablauf ARP-Paket aussenden: Ethernet: Zieladresse: FF.FF.FF.FF.FF.FF (Broadcast) Quelladresse: Eigenadresse Paket Typ: ARP-Daten: Quelladresse-Ethernet: Eigenadresse IP-Quelladresse: Individuelle-Adresse IP-Zieladresse: Individuelle-Adresse ARP-Paket ohne Broadcast zurück IP-Paket im Ethernet-Frame mit individuellen Adressen übertragen Hinweis: Nach RFC 1127 (Oktober 89) muss das ARP einen Mechanismus unterstützen, der es erlaubt,,veraltete bzw.,,ungültige" Einträge zu erkennen und zu löschen. 5

6 IPv4: ARP Einsatz 1) IP-Paket von A nach B setzt voraus: ARP-Broadcast von A nach B Somit: Direkte Erreichbarkeit (was mit Router dazwischen?) Das Netz zwischen A und B muss Broadcasts (min ARP-Broadcasts) durchlassen. 2) ARP kommt auf jeder,,ip-kommunikations-teilstrecke" erneut zum Einsatz 6

7 IPv4: ARP ARP ist ein dynamisches Verfahren Informationen werden nur im Cache gehalten Vorteil: keine Tabellen, Ethernet Boardtausch ist aufgrund des eingesetzten Netzes kein Broadcast möglich, so sind feste Einträge zu benutzen (sprich:,,feste ARP-Tabellen") Proxy ARP Frage klären d.h. hinter einem Router ist nur die IP-Adresse des Absenders aber nicht mehr seine Data-Link-Adresse bekannt. 7

8 IPv4: RARP - Reverse ARP Frage nach Internetadresse Abbildung Ethernet-Adresse IP-Adresse (eigene Anwendung für plattenlose Systeme, damit der Rechner beim Systemstart mit einem tftp-dämon Verbindung aufnehmen kann.) 8

9 IPv4: Proxy ARP Problem: Zielsystem nicht über Broadcast erreichbar Lösung: Lokaler Router kennt alle entfernten Netze mit deren Router und antwortet auf lokalen ARP ARP des Gateway erkennt die Anfrage und spielt die Rolle des Partners, d.h. ARP-Eintrag beim Rechner: IP-Partner Ethernet-Rechner ARP-Eintrag beim Gateway: IP-Rechner Ethernet-Rechner IP-Partner Ethernet-Partner (falls hub=1) kein Route-Eintrag beim Rechner, Route-Eintrag beim Gateway 9

10 IPv4: Internet Control Message Protocol Fehler im empfangenen IP - Paket: Checksum Fehler: Paket ignorieren erkannter Fehler: Ziel oder Vermittlungspartner sendet IP-Pakete aus: IP - Header + ICMP 10

11 IPv4: Internet Control Message Protocol Paket- Format Typ Code Prüfsumme Parameter Information data Typ (8Bit) Wert Funktion 0 Echo Reply ping 8 Echo Request ping 3 Destination Unreachable 4 Source Quench 5 Redirect (nur gateway ) 11 Time exceeded 12 Parameter-Problem 13 Timestamp-Request 14 Timestamp-Reply 17 address mask request 18 address mask reply 11

12 IPv4: Internet Control Message Protocol Paket Format: Typ Code Prüfsumme Parameter Information data Code 8 Bit Für Parameter mit wenig Bits, für mehr wird Parameterfeld genommen Checksum 16 Bit Prüfsumme für gesamtes Paket Parameter 32 Bit Für mehr Infos als bei Code Info. data variabel Zusatzinfo zu Parameter 12

13 In Diskussion: IPv4: ICMP - Fehlermeldung - Wann muss eine ICMP - Fehlermeldung geschickt werden? - Wann soll keine ICMP - Fehlermeldung geschickt werden? Broadcast - Problematik: Ein Broadcast an eine Anwendung, die nicht existiert, kann je eine Fehlermeldung von allen Systemen auslösen Unnötige Netzlast (Broadcast - Thunderstorm) Eine mögliche Lösung: Systeme unterscheiden, ob es sich um eine Netzadministration oder IP Anwendungs-Broadcast handelt nach den Angaben im Type of Service Feld. 13

14 IPv4: ping Die Anwendung ping nutzt, dass eine Station, die ein ICMP-echo Paket erhält, darauf mit einem ICMP-echo-reply Paket antworten muss. Da dies direkt in dem IP (inkl. ICMP) Softwaremodul erfolgt, kann somit die Erreichbarkeit eines Systems unabhängig von der Funktionsfähigkeit getestet werden. Hinweis: Chance, sich über die Erreichbarkeit eines Windows- Systems zu informieren. Da jeder Router für jeden Netzanschluss eine eigene IP-Adresse hat, kann jede Seite für sich auf Erreichbarkeit hin untersucht werden. Allgemein: ping ermöglicht die Erreichbarkeit von IP-Systemen im Netz zu überwachen. Somit kann hier mit einfachen Mitteln ein Ansatz von Netzwerkmanagement aufgezogen werden. ping ermöglicht so einfache Fehlereingrenzung im Netz. 14

15 IPv4: ping ping ftp telnet smtp TCP IP ftp telnet smtp TCP ICMP IP Network Network ping sendet ICMP-echo Pakete und erhält ICMP-echo-reply Pakete transportiert mit IP ping testet die Erreichbarkeit von Systemen 15

16 IPv4: ping Round Trip TCP IP echo request echo reply TCP IP TCP IP Unterschiedliche Paketgröße (jeweils beide Richtungen) 1048 byte 1024 byte 128 byte TCP IP 16

17 IPv4: Traceroute und ICMP Aufgabe: Traceroute bestimmt Informationen über alle Router, die auf dem Weg zu einer IP-Adresse liegen Dabei wird auch die Round-Trip-Time (RTT) zu jedem Router bestimmt Funktionsweise: Traceroute sendet UDP-Pakete an ein Zielsystem mit einen Port, der wahrscheinlich nicht verwendet wird, und erwartet eine ICMP-Port unreachable-nachricht vom Empfänger! Traceroute schickt ein UDP-Paket an die Adresse, für die der Weg untersucht werden soll; TTL im IP-Header wird auf 1 gesetzt Der erste Router verwirft das IP-Paket (TTL = 1!) und schickt eine ICMP-TTL expired-fehlermeldung an den Absender Traceroute wiederholt dies mit TTL = 2 bis n; und berechnet die RTT UDP-Paket erreicht schließlich Zielsystem; ICMP-Port unreachable-nachricht kommt 17

18 IPv4: Traceroute - Ablauf Wie kann der Weg eines Paketes über Router verfolgt werden, auch wenn record route nicht unterstützt wird? Traceroute Arbeitsweise: A sendet Pakete mit anwachsendem Wert für TTL; TTL=0 bewirkt bei einem Router ein ICMP_TIME_EXCEEDED Paket an A. A sieht somit bis zu welchem Router Antworten gesendet werden, bzw. den Weg des Paketes. A B 18

19 IPv4: traceroute (Forts.) >Last login: Sun Mar 15 09:14:25 on console MRMACAir:~ Michael$ traceroute traceroute to ( ), 64 hops max, 52 byte packets 1 hsi-kbw hsi.kabelbw.de ( ) ms ms ms 2 hsi-kbw hsi.kabel-badenwuerttemberg.de ( ) ms ms ms 3 ae1.str-m1.ip-bb.kabel-badenwuerttemberg.de ( ) ms ms ms 4 ae0.str-m2.ip-bb.kabel-badenwuerttemberg.de ( ) ms ms ms 5 belwue.stuttgart-ix.de ( ) ms ms ms 6 karlsruhe-bib-1-10ge belwue.net ( ) ms stuttgart-nwz-1-10ge belwue.net ( ) ms karlsruhe-bib-1-10ge belwue.net ( ) ms 7 karlsruhe-rz-1-10ge belwue.net ( ) ms karlsruhe-rz-1-10ge belwue.net ( ) ms karlsruhe-rz-1-10ge belwue.net ( ) ms 8 fh-karlsruhe1-gi0-2.belwue.net ( ) ms ms ms 9 * * * 10 *^C MRMACAir:~ Michael$ exit 19

20 DHCP Dynamic Host Configuration Protocol DHCP-Client Ein DHCP-Client ist ein Internet-Host, der DHCP benutzt, um Konfigurationsparameter zu erhalten, z.b. die Netzwerkadresse. DHCP-Server Ein DHCP-Server ist ein Internet-Host, der Konfigurationsparameter an die DHCP-Clients gibt. BOOTP relay agent ist ein Internet Host oder Router, der DHCP Meldungen zwischen DHCP-Client und Server weiterreicht. Binding ist eine Sammlung von Konfigurationsparametern, die mindestens eine IP- Adresse enthält, die sich auf den DHCP-Client bezieht (bound to). Bindings werden von DHCP-Servern gemanaged. 20

21 DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Problem: Wie bekommen Endsysteme ihre IP-Adresse (und andere Parameter der Netzwerkschicht, wie z.b. die Subnetzmaske)? Manuelle Konfiguration? Fehleranfällig Lösung: Automatische Zuweisung mithilfe des Dynamic Host Configuration Protocol (DHCPv4), RFC 2131 Ziele von DHCP Automatische Vergabe von Adressen und Parametern Keine Konfiguration der Endsysteme notwendig Unterstützung von mobilen Benutzern Prinzipieller Ablauf Endsystem schickt eine DHCP-Discover-Nachricht per IP-Broadcast ( (Adresse DHCP-Server antwortet mit einer DHCP-Offer-Nachricht Endsystem beantragt eine IP-Adresse: DHCP-Request-Nachricht DHCP-Server vergibt Adresse: DHCP-Ack-Nachricht 21

22 DHCP-Szenario DHCP verwendet UDP. DHCP-Nachrichten werden an die MAC-Broadcast-Adresse geschickt. Es gibt ein Feld, in dem eine eindeutige Kennung des Clients verpackt ist. Dies ist meist die MAC-Adresse. DHCP kann mehr: - Verschiedene Arten der Adresszuweisung ( temporär (vorkonfiguriert, permanent, - Verlängerung und Rückgabe der Adresse durch den Client - Konfigurieren von Parametern Ein Blick in RFC 2131 lohnt sich! 22

23 NAT Network Address Translation Motivation: Häufig hat man nur eine IP-Adresse, aber mehrere Endsysteme Diese ist meist nur temporär (per DHCP) zugewiesen Man möchte bei einem Provider-Wechsel nicht die IP-Adressen der Endsysteme verändern IP-Adressen im eigenen Netzwerk sollen aus Sicherheitsgründen nicht vom Internet aus sichtbar sein Interne IP-Adressen sollen veränderbar sein, ohne dass der Rest des Internets darüber informiert werden muss Idee: Vergebe lokale (weltweit nicht eindeutige) Adressen an Systeme im eigenen Netzwerk Router zur Anbindung an das Internet übersetzt diese Adressen in eine gültige, weltweit eindeutige IP-Adresse Dazu wird die Adressierung auf der Transportschicht gebraucht (missbraucht): Ports [daher auch: Port Address Translation PAT] 23

24 NAT: Network Address Translation 16-Bit-Port Number-Feld: Mehr als gleichzeitige Verbindungen mit einer IP-Adresse NAT ist nicht unumstritten: Router sollten nur Informationen der Schicht 3 verwenden Verletzung des sogenannten Ende-zu-Ende-Prinzips (end-to-end principle): Transparente Kommunikation von Endsystem zu Endsystem, im Inneren des Netzes wird nicht an den Daten herumgepfuscht Bei NAT: Der Anwendungsentwickler muss die Präsenz von NAT-Routern berücksichtigen. Beispiele: Verwenden der IP-Adresse als weltweit eindeutige Nummer Verwenden von UDP NAT dient hauptsächlich der Bekämpfung der Adressknappheit im Internet. Dies sollte besser über IPv6 erfolgen 24

25 NAT: Network Address Translation Implementierung: Ein NAT-Router muss Folgendes tun: Ausgehende Datagramme: ersetze (Sender-IP-Adresse, Portnummer) im Absenderfeld für jedes ins Internet geleitete Datagramm durch ( Portnummer (NAT-IP-Adresse, neue Kommunikationspartner wird die Antworten an (NAT-IP-Adresse, neue Portnummer) schicken Speichere in einer NAT-Tabelle die Abbildung zwischen (Sender-IP-Adresse, Portnummer) und (NAT-IP-Adresse, neue Portnummer) Ankommende Datagramme: ersetze (NAT-IP-Adresse, neue Portnummer) im Empfängerfeld durch (Sender-IP-Adresse, Portnummer) aus der NAT-Tabelle 25

26 NAT: Network Address Translation Lokales Netz ( Heimnetzwerk (z.b /24 Internet Alle Datagramme, die das lokale Netz verlassen, haben die gleiche NAT-IP- Adresse als Absender: , Unterscheidung durch Portnummern Datagramme mit Sender oder Empfänger in diesem Netzwerk haben /24 als Adresse für diesen Sender/Empfänger 26

27 NAT: Network Address Translation 2: NAT-Router ändert die Senderadresse von , 3345 in , 5001, Eintrag in Tabelle 1: Host sendet Datagramm an , 80 3: Antwort kommt an für Adresse , : NAT-Router Ändert Empfängeradresse von , 5001 in ,

28 NAT: Network Address Translation Port and Address Translation (PAT) oder Network Address Port Translation (NAPT) ist eine spezielle Form von NAT (1 zu n NAT). Dabei werden im Gegensatz zu NAT nicht nur die IP- Adressen, sondern auch Port-Nummern umgeschrieben. PAT wird eingesetzt, wenn mehrere private IP-Adressen aus einem LAN zu einer öffentlichen IP-Adresse übersetzt werden sollen. 28