Rechnernetze und Organisation

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1 WAN 1

2 Übersicht Motivation Internet Domain-Name Service IP-Adressen IP-Protokoll UDP-Protokoll TCP-Protokoll 2

3 Motivation LAN WAN Router ISP-2 Webstore Internet-Service Switch Router WAN Firmennetzwerk ISP-1 Internet Service Provider Wie gelangen Daten durch das Internet? Wie wird sichergestellt, dass Daten verlässlich ankommen? Wie organisiert sich das Internet? Router ISP-3 Internet Service-2 Internet-Service 3

4 Was ist das Internet? Was ist das Internet? Ein globaler Verbund von Netzwerken Wem gehört das Internet? Den Betreibern der einzelnen Teilnetzwerke Was ist ein Intranet? Firmen-internes Netzwerk das Internet-Technologie (IP, TCP) nützt. LAN Switch Firmennetzwerk Wer organisiert das Internet? IP-Adress-Verwaltung: Top-Level Domains: Verisign In Österreich: NIC.at Internet-Standards Router IETF.org: Internet Engineering Task Force RFCs: Requests for comments (Dokumente) ~ 4000 Dokumente W3C.org: World-wide web WAN WAN ISP-1 Internet Service Provider Router Router ISP-2 ISP-3 Internet Webstore Internet-Service Service-2 Internet-Service 4

5 Internet Services World Wide Web: HTTP, HTTPS SMTP, POP, IMAP Chat: IRC Filetransfer: FTP Remote Login: Telnet, SSH Audio- und Video-Streaming: VoIP, H323 Online-Spiele File-Sharing: BitTorrent Domain-Name Service: DNS 5

6 Domain-Name Service (DNS) Auflösung von Host-Namen In IP-Adressen Sind für Paket-Routing notwendig Host-Namen sind nur für Bequemlichkeit Werden durch DNS in IP-Adresse aufgelöst Hierarchisches Namensschema DNS: Verteilte Datenbank Rekursiver Suchalgorithmus Caching von Anfrageergebnissen Top-level Domain.at,.com,.org Länder Funktion Domain tugraz.at Sub-Domain iaik.tugraz.at Host Weder Name noch IP-Adresse sagen was über Standort des Computers aus. Z:\>nslookup Server: ns.iaik.tu-graz.ac.at Address: Name: Address: Client DNS cache 2. DNS-Server DNS cache 3. 6

7 IP-Adress-Bereiche Netze: Klasse, Netzwerk, Host Class A: 1.H.H.H 127.H.H.H Class B: 128.N.H.H 191.N.H.H zb. TU Graz: Class C: 192.N.N.X 223.N.N.X Subnetze Unterteilung eines Netzwerkes in logische Netzwerke Netmasks legen Broadcast-Domains fest IP= , NetMask= Von Broadcast folgende IP- Adressen angesprochen:» Von » Bis Zwei Notationen für Netmasks üblich = /25» 7 (32-25) untere Bits Host X.X.X.1 ist meist das Gateway IP-Adresse X.X.X.255 ist für Broadcasts Besondere IP-Adressen , Private Netze Sind nicht routbar : Localhost Eigener Rechner Loop-Back Device IPv6: Nachfolger von IPv4 128-Bit Adressen statt 32-Bit Adressen Sollte IP-Adressmangel beheben Seit 1999 verfügbar Bisher kaum verbreitet Network-Adress-Translation (NAT) für IPv4 Bremst Verbreitung von IPv6 Neuerungen Schnelleres Routing Multicast-Fähigkeit Integrierte Sicherheit (IPsec) 7

8 IP Protokoll Internet Protokoll (IP) Routet Daten-Pakete durch Internet Globale Zustellung von Daten-Paketen Benötigt eindeutige Netzwerkadresse 32-Bit IP-Adresse Pakete werden einzeln geroutet Kein Verbindungsaufbau vorab Unabhängig von Übertragungstechnologie Ethernet, Wlan, ATM,... Data-Link-Layer hat i.a. andere Adressierung IP ist kein verlässliches Service ( best effort delivery ) Paketverlust kann auftreten Reihenfolge der Pakete kann geändert sein Paketdaten können verändert sein Verlässlichkeit wird durch TCP sichergestellt 8

9 IP-Datagram (IP-Paket) Header: 13 Felder (20-60 Byte) Data Big-Endian Darstellung von Wörtern Version: 4 (IPv4) Header Length: in 32-Bit Wörtern Type of Service: für Quality-of-Sevices Total Length: Head + Data in Bytes 20 Byte bis Bytes Identification, Flags, Fragment Offset Zur Erkennung von Fragmenten Time to Live Anzahl möglicher Routing-Hops Protokoll: 1 ICMP, 6 TCP, 17 UDP Quell- und Zieladresse (32 Bit) Header-Prüfsumme: 16-Bit Summe Maximale Größe: ~ 64 kb Idendifikat. Daten Länge / Head Vers. er Länge Time to live Service Protokoll Quelladresse Zieladresse Optionen 31 Flags Frag. Offset Header Prüfsumme 9

10 ICMP-Protokoll Internet Control Message Protocoll (ICMP) Fehlerbenachrichtigung Melden von Routing-Problemen Z.B. bei Ablauf der Time-to-Live (TTL)» Router benachrichtigt Sender von Paket-Verlust Konfiguration von Routern ICMP setzt auf IP auf ICMP-Tools Ping ICMP-Nachrichten können verloren gehen Zum Anpingen von Hosts Echo-Request Ist der Computer am Netz? Traceroute Feststellen des Routing-Wegs Z:\>ping Pinging [ ] with 32 bytes of data: Reply from : bytes=32 time<1ms TTL=127 Reply from : bytes=32 time<1ms TTL=127 Reply from : bytes=32 time=1ms TTL=127 Reply from : bytes=32 time=1ms TTL=127 Ping statistics for : Packets: Sent = 4, Received = 4, Lost = 0 (0% loss), Approximate round trip times in milli-seconds: Minimum = 0ms, Maximum = 1ms, Average = 0ms 10

11 UDP Protokoll User Datagram Protocol (UDP) Nicht verbindungsorientiert Kein Verbindungsaufbau nötig Versendet Datagramme Keine Fehlerkontrolle Nicht für kritische Anwendungen geeignet Unreliable datagram protocol Wenig Overhead Schnell UDP ca. 20% des Internet-Verkehrs Verwendung Für Video- und Audio-Streaming Paketverlust nicht tragisch Voice over IP (VoIP) Für latenz-kritische Anwendungen Computerspiele DNS, SNMP, DHCP UDP-Paket Ports (16-Bit) 0: reserviert : benannte Ports : registrierte Ports : ephemeral Ports Temporär genutzt Paket-Header Quell- und Ziel-Port Quell-Port = 0: keine Antwort erwartet Länge des UDP-Pakets 8 + #Daten-Bytes Prüfsumme Für Pseudoheader Quell-Port Länge Daten Ziel-Port 31 CheckSum 11

12 TCP Transmission Control Protocol (TCP) Verbindungsorientiert 1. Aufbau einer Verbindung Host-to-Host Verbindung 2. Nützen der Verbindung Austausch von Paketen 3. Abbau der Verbindung Garantierte Datenverbindung Fehlerkontrolle Fehlerkorrektur Erneutes Senden von Daten Paketgröße Größer als bei IP TCP segmentiert große Daten TCP rund 75% des Internet- Verkehrs WWW und baut auf TCP auf Protokoll Empfänger bestätigt Vollständigen Paketempfang Acknowledge (ACK) Sender sendet erneut Falls ACK ausbleibt Nach Ablauf eines Timeout Timeout-Periode von Round- Trip-Time abhängig TCP-Zustände Verbindungsorientierung Benötigt Zustände (States) Zustände LISTEN, SYN-SENT, SYN- RECEIVED, ESTABLISHED, FIN-WAIT-1, FIN-WAIT-2, CLOSE-WAIT, CLOSING, LAST-ACK, TIME-WAIT, CLOSED 12

13 TCP-Verbindung Verbindungsaufbau 3-fach Handshake 1. Client sendet SYN zu Server 2. Server antwortet mit SYN-ACK 3. Client schickt ACK Client und Server tauschen Sequenznummern aus Datenverbindung Jedes Byte Daten erhöht Sequenznummer Legt Reihenfolge der Pakete fest Empfänger schickt ACK mit Sequenznummer Verbindungsabbau 4-fach Handshake FIN und ACK in beide Richtungen Client socket() connect() send() close() Server socket() bind() listen() accept() receive() close() 13

14 TCP-Paket Header: 11 Datenfelder Quell- und Ziel-Port IP-Adressen stehen im IP-Paket-Header Sequenz-Nummer Fortlaufende Nummer für Segmente Zum Ordnen empfangener Segmente Data Offset Länge des TCP-Headers Flags SYN, ACK, RESET, FIN,... Window Gewünschte Antwortlänge Prüfsumme Einfach: 16-Bit Summe (kein CRC) Header und Payload Data Eigentliche Daten Data Offset Quell-Port Ziel-Port Sequenznummer Acknowledge-Nummer 96 Reserv Flags Optional 160 / 192 Prüfsumme Daten Window 31 Urg. Pointer 14

15 TCP in IP in Ethernet Kapselung der Pakete in Payload Header und Daten Von höherem Protokoll Werden Payload Von darunter liegendem Protokoll Protokoll-Stacks Kapseln Pakete Software-Layer IP Paket Ethernet Frame HTTP TCP Paket Header Header Header Header Payload Payload Payload Payload Umgedrehte Reihenfolge: Höchstes Protokoll am tiefsten vergraben. 15

16 TCP Ports TCP Ports (16-Bit) Identifizieren unterschiedliche Service Die auf TCP basieren Port 1-255: Well-known ports FTP: Port 21 (File Transport Protocol) Telnet: Port 23 (unsicheres Remote-Login) SMTP: Port 25 (Send-Mail Transport Protocol) HTTP: Port 80 (Hyper-Text Tranport Protocol) Port : Registered ports Unix-Services: NFS, LDAP Port : unprivilegierte Ports telnet 80 GET /index.php HTTP/1.1 Host: 16

17 TCP/IP Stack Mehrere Protokoll- Layer Abarbeitung in mehreren Schritten Stack-artiger Software-Aufbau Unterste Schicht Datenübertragung Oberste Schicht Sichere Verbindung Jede Schicht hat eigene Interfaces Client TCP Router TCP: Winsock Ethernet: NDIS (Network Driver Interface Specification) IP Ether LL PL Network1 IP LL PL IP LL PL Network2 Server TCP IP Ether LL PL 17

18 Internet-Socket Socket i.a. ist ein Socket eine Betriebssystem-Schnittstelle Meist Bezeichnung für Netzwerk-Schnittstelle eines OS Stream-Socket, Datagram-Socket Eigentlich sind Sockets für beliebige Protokolle In der Praxis meist nur für TCP und UDP genützt Hosts über IP-Adresse, Protokoll und Port-Nummer definiert Stream-Socket: Verbindungsorientiert (TCP) Datagram-Socket: einzelne Nachricht (UDP) Server-Socket Annahme von Requests vieler Clients Ableitung eines neuen Sockets Neuer Socket für Kom- munikation mit Client Original-Socket für weitere Requests» Von anderen Clients // Serversocket mit bestimmter Portnummer erstellen ServerSocket theserversocket = new ServerSocket(port); while(true) { // auf Anfragen warten Socket clientsocket = theserversocket.accept(); //InputStream-Objekt öffnen InputStream input = clientsocket.getinputstream(); // Daten lesen int data = input.read(); // Verbindung schließen clientsocket.close(); } 18

19 Router Netzwerk-zu-Netzwerk Verbindung Verbindet Mehrere Netzwerk-Interfaces U.U. andere Netzwerk-Technologie Ethernet ATM Kann PC mit mehreren Netzwerkkarten sein Meist Spezial-Hardware» wegen Geschwindigkeit Arbeitet auf IP-Ebene (Layer 3: Network) Weiterleiten von IP-Paketen Foto Cisco Aufgrund der Zieladresse des Pakets Gegensatz zu Switch (auf Layer 2: Data Link) Switch verbindet Hosts innerhalb eines LANs Einige Switches besitzen auch Routing-Funktionalität» Layer 2/3 Switches Router haben eine eigene IP-Adresse Gateway für Netzwerk Foto 3Com Routing-Tabelle Speichert Routen zu anderen Netzwerken Entsteht teilweise durch Kommunikation mit anderen Routern 19

20 Internet-Anbindung der TU Graz Austrian Academic Computer Network (ACONET) Österreichische Wissenschaftsnetz Nationales Backbone-Netz für Forschung, Bildung und Kultur Verbindung Graz Wien 2 1-Gigabit Ethernet Leitungen Router in Graz: ZID der TU Graz Grafik aconet 20

21 Zusammenfassung TCP/IP Bildet Technisches Rückgrat des Internets Selbe Technik auch für Intranets verwendet Internet-Protokoll (IP) Routet Datenpakete durch das Netzwerk Transmission Control Protocol (TCP) Literatur: Sorgt für verlässliche Verbindungen Rob Williams, Computer Systems Architecture, Addision-Wesley, 2001: Kapitel

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