Transportschicht (Schicht 4) des Internet

Transkript

1 Transportschicht (Schicht 4) des Internet Es gibt zwei Transportprotokolle: TCP = Transmission Control Protocol UDP = User Datagram Protocol a) TCP: baut virtuelle Verbindung auf (verbindungsorientiert) Sichere Verbindung, aus Nutzersicht: Datenstrom Anwendung: Web-Server, File-Transfer, ,... b) UDP: für verbindungslose Kommunikation Schnelle Datenübertragung, sehr kleine Treiberprogramme Anwendungen: Network-File-System (NFS), Ping, Trivial File Transfer (TFTP) Aufgaben: 1) TCP und UDP: mehrere Verbindungen gleichzeitig Port-Nummern 2) nur bei TCP: Sichere Verbindung, Flusskontrolle, Überlastkontrolle 1 / 14 Vorlesung_05_KN_2016

2 Port-Nummern Aufgabe: Multiplexing = mehrere Verbindungen zu einer IP-Adresse ermöglichen. TCP/UDP Pakete enthalten eine 16-Bit Portnummer mögliche Ports für TCP mögliche Ports für UDP Einige Ports sind fest bestimmten Anwendungen zugeordnet Well Known Ports siehe: RFC 1700 oder Linux-Datei /etc/services insbesondere Ports < 1024 sind reserviert Beispiel: Sinn: Linux: TCP-Port 21 = FTP (Dateitransfer) TCP-Port 80 = HTTP (Web-Server) Nutzer kann gezielt eine Anwendung auf dem Server ansprechen Internet-Super-Server (inetd) überwacht alle Ports bei Bedarf wird ein entsprechender Server gestartet 2 / 14 Vorlesung_05_KN_2016

3 TCP und UDP Paketformate TCP/UDP Paket ist im IP-Paket verpackt (encapsulation) IP-Paketkopf TCP/UDP Paketkopf Nutzdaten (Payload) UDP-Paketkopf enthält: - Empfänger-Portnummer (destination port) - Sender-Portnummer (source port) - Länge des Paketes und Prüfsumme für das Paket 8 Byte TCP-Paketkopf enthält zusätzlich für die Flusskontrolle und die sichere Verbindung: - Sequenznummer = Nummer des aktuellen Paketes - Quittierungsnummer = Nummer des zuletzt empfangenen Paketes - Fenstergröße (receive window size) = verfügbare Größe des Empfangspuffers - weitere Optionen und Flags (z.b. für Verbindungsaufbau etc.) 3 / 14 Vorlesung_05_KN_2016

4 Verbindungsaufbau bei TCP - TCP realisiert einen Datenstrom (stream bzw pipe-konzept) - vor der Datenübertragung wird eine Verbindung aufgebaut Drei-Wege-Handshake (three way handshake) 1) Client sendet SYN an den Server. + initiale Sequenznummer (Client Server) 2) Server sendet SYNACK an Client + initiale Sequenznummer (Server Client) Server legt einen Puffer (Socket) an 3) Client sendet ACK an Server dieses Paket kann bereits Daten enthalten C SYN SYNACK ACK S dafür werden die Bits SYN und ACK im TCP-Header benötigt - Programmierung: 1) new Socket 2)+3) Socket.accept() siehe Übung - Verbindungsabbau ähnlich (mit FIN und ACK), nach Socket.close() 4 / 14 Vorlesung_05_KN_2016

5 Sequenznummern und Quittierungsnummern = sequence number = acknowledgement number - garantieren einen zuverlässigen, reihenfolgeerhaltenden Datenstrom - bidirektional: Sequenznummer = Nummer des ersten Bytes im Datenteil Quittierungsnummer = Nummer des nächsten erwarteten Bytes Beispiel: Client sendet ABC, Server antwortet mit OK : 1) Buchstabe A sei das Byte Nummer 40 vom Client zum Server Sequenznummer = 40. Der Client warte auf Byte Nummer 88 Quittierungsnummer = 88 C S S=40, Q=88, Daten = ABC S=88, Q=43, Daten = OK S=43, Q=90,... 2) Buchstabe O ist das Byte Nummer 88 vom Server zum Client Sequenznummer = 88. Der Server hat 3 Byte empfangen und wartet auf Byte Nummer 43 Quittierungsnummer = 43 3) Client quittiert Byte 88 und 89 (Q=90) usw 5 / 14 Vorlesung_05_KN_2016

6 Paketverlust beim Senden - dann enthält das nächste Paket nicht die erwartete Sequenznummer 1) Paket mit ABC geht verloren (oder hat Bitfehler) 2) Paket mit DEF wird empfangen. Es fehlen die Bytes mit Nr. 40, 41, und 42. Paket wird evtl. verworfen... (implementierungsabhängig) 3) Server quittiert nochmals Byte 39 (erwartet Byte 40) 4) Client merkt, dass Bytes fehlen und sendet ABC nochmals. C S S=40, Q=88, Daten = ABC S=43, Q=88, Daten = DEF S=88, Q=40,... S=40, Q=..., Daten = ABC falls DEF verworfen Sender quittiert Byte 42 (erwartet 43) falls DEF gespeichert Sender quittiert Byte 45 (erwartet 46) 6 / 14 Vorlesung_05_KN_2016

7 Paketverlust beim Empfangen - dann fehlt dem Sender die Quittierung (Bestätigung des korrekten Empfangs) 1) Paket mit ABC wird gesendet und empfangen 2) Paket mit Quittierung geht verloren (oder ist beschädigt) C S S=40, Q=88, Daten = ABC S=88, Q=43,... Client wartet eine gewisse Zeit, bis zu einem timeout 3) Client sendet ABC nochmals 4) Server merkt, dass Bytes schon da sind und quittiert ABC nochmals. timeout S=40, Q=88, Daten = ABC S=88, Q=43,... Bestimmung der timeout-zeit: - Rundlaufzeit (round trip time, RTT) = Laufzeit hin und zurück messen - Mittelwert bilden und Sicherheitsabstand addieren 7 / 14 Vorlesung_05_KN_2016

8 Flusskontrolle bei TCP - Empfänger bestimmt, wie viele Pakete er annehmen will bzw. kann. Prinzip Wasserhahn : Bitrate des Senders kann gedrosselt werden. Sender schickt nicht mehr Daten, als der Empfänger speichern kann. Parameter RcvWindow : receiver window (Empfangsfenster) - jedes gesendete TCP-Paket enthält eine Fenstergröße in Byte - Sender begrenzt die gesendeten Daten auf diesen Wert RcvWindow C Daten freie Puffergröße S Daten von IP leerer Bereich gefüllter Bereich Daten zur Anwendung Puffergröße Senderate wird auf Verarbeitungsrate angepasst, Empfangspuffer läuft nicht über 8 / 14 Vorlesung_05_KN_2016

9 Überlastkontrolle bei TCP Überlast: - zu viele Systeme senden zu viele Daten Paketverluste im Netz - kann zum Kollaps des Netzes führen bei Paketverlust: betroffene Systeme reduzieren selbst die Datenrate Prinzip: sliding window begrenzt die Anzahl der gesendeten Daten Fenster gesendet und gesendet, kann noch darf noch nicht quittiert nicht quittiert gesendet werden gesendet werden Fenstergröße ( congestion window ) wird dynamisch angepasst: Prinzip: - Fenstergröße bei jedem Sendevorgang erhöhen - falls Paket verloren geht: Fenstergröße verringern permanente Suche nach überschüssiger Bandbreite 9 / 14 Vorlesung_05_KN_2016

10 Bestimmung der Fenstergröße TCP hat eine maximale Paketgröße = Maximum Segment Size (MSS) - erstes Paket: Fenstergröße = 1 MSS ( slow start Phase) - bis zu einem Erfahrungswert ( threshold ): Fenstergröße verdoppeln d.h.: 2 MSS, 4 MSS, 8 MSS usw... - dann: additive increase, d.h. Fenster jeweils um 1 MSS vergrößern - bei Paketverlust (erkannt durch Quittung): Fenstergröße halbieren = muliplicative decrease threshold = halbe Fenstergröße setzten Fenstergröße additive increase slow start multiplicative decrease - bei Paketverlust (erkannt durch timeout ): Fenstergröße auf 1 MSS, slow start timeout lässt größeres Problem vermuten Zeit 10 / 14 Vorlesung_05_KN_2016

11 Datenraten Maximale Datenrate: Datenrate = Fenstergröße (W) Rundlaufzeit (RTT) in Bit/s Mittlere Datenrate: Mittlere Datenrate = 0,75 W RTT Fenstergröße in W/RTT 1 0,75 0,5 Zeit ( Datenrate schwankt zwischen 0,5 W/RTT und 1 W/RTT, Sägezahnkurve) Probleme: - verfügbare Datenrate wird nicht effizient genutzt - große Datenraten erfordern große Fenstergrößen 11 / 14 Vorlesung_05_KN_2016

12 Implementierung der TCP/IP Protokolle Programmierschnittstelle zwischen TCP/IP und Anwendung = Socket-Schnittstelle für die Programmierung von verteilten Anwendungen (Socketprogrammierung) Socket = Steckdose, Kommunikationsendpunkt Socket wird durch Port-Nummer adressiert Verbindung zwischen Server-Socket und Client-Socket Server-Socket: Client-Socket: - wartet auf Verbindungsanforderungen ( listening socket ) - analysiert die Verbindungsanfrage - sendet ggf. eine Antwort - sendet eine Verbindungsanforderungen - sendet eine Anfrage / ein Kommando - wartet auf eine Antwort - analysiert die Antwort 12 / 14 Vorlesung_05_KN_2016

13 Secure Socket Layer (SSL) SSL = Protokoll zum Schutz von TCP-Verbindungen ( RFC 2246) im OSI-Modell über TCP einzuordnen Socket Schnitt stelle ungeschützte Anwendung (ohne SSL) TCP IP geschützte Anwendung (mit SSL) Secure Socket Layer (SSL) TCP IP Programmierung: spezielle SSL-Funktionen statt Socket-Funktionen aufrufen Wirkung: - SSL-Schichten von Client und Server vereinbaren Verschlüsselung - Server prüft die Identität des Clients (Anforderung eines Zertifikates) 13 / 14 Vorlesung_05_KN_2016

14 Network Address Translation (NAT) NAT = Umsetzung von IP-Adressen ( Netzwerk-Adressen Übersetzung ) Aufgaben: - mehrere private IP-Adressen in eine öffentliche IP-Adresse umsetzen = IP-Masquerading (Vorteil: nur eine öffentliche IP nötig) - interne IP-Adressen verbergen (aus Sicherheitsgründen) Prinzip: 1) interner Rechner sendet IP-Paket an NAT-Gerät (z.b. Router) 2) NAT ersetzt die interne IP-Adresse durch eigene Adresse und eine Port-Nummer; Eintrag in eine NAT-Tabelle 3) weitere interne Rechner unterschiedliche Port-Nummern Probleme: 1) Zuordnung der well known Ports, falls mehrere interne Server Beispiel: zwei Web-Server wer darf Port 80 nutzen? 2) evtl. mit Diensten, die von außen Verbindungen aufbauen Beispiel: Video und Audio-Verteildienste Prinzipielles Problem: Schichtentrennung (TCP IP) wird aufgehoben! 14 / 14 Vorlesung_05_KN_2016