Einführung in die Informatik II

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1 Einführung in die Informatik II Kommunikation im Internet per TCP/IP Protokoll Teil 2 Prof. Dr. Nikolaus Wulff

2 Brücken trennen und verbinden Sind zu viele Rechner in einem Netzsegment, so kann dieses durch Bridges in zwei Hälften zerlegt werden, um die Kollisionswahrscheinlichkeit zu halbieren. Ein Bridge pflegt einen ARP Cache und ist nur durchlässig für Anfragen von einer Seite auf die Andere, wenn dies notwendig ist. Broadcasts werden allerdings immer weitergeleitet B Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 2

3 Vielseitige Bridges Angenommen 1 und 2 kommunizieren, die Station 7 kann dies nicht wissen und so muss die Bridge eine Sendung von 7 nach 3 zwischenspeichern, um eine Kollision zu vermeiden. Die Bridge liest daher den IP Header und interpretiert ihn geeignet. Sie kann das Signal nicht nur speichern, sondern auch verstärken oder transformieren wenn im linken und rechtem Segment eine unterschiedliche physikalische Netzwerktechnologie verwendet wird. Auf Grund der Zwischenspeicherung ist es nun auch möglich z.b. 10-MBit mit 100-MBit Netzen zu verbinden. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 3

4 Netzwerk Klassen Historisch werden die IP Netzwerke in drei Klassen A, B und C unterteilt: A: XXX.***.***.***/8 B: XXX.YYY.***.***/16 C: XXX.YYY.ZZZ.***/24 mit den Netzwerkmasken , und Maximal kann es 256 A, B und C Netze geben (abzüglich der Broadcast Adressen). Entsprechend berechnet sich die maximale Anzahl an Subnetzen bzw. Endgeräten pro Netzklasse. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 4

5 Subnetze Ein Administrator darf über seinen Netzwerkteil frei verfügen und kann per Netzwerkmaske Subnetze definieren, um z.b. Broadcasts zu minimieren. Beispiel die Netzwerk IP ist /16. Zerlegung in 256 Subnetze: /24: enthält max. 254 Endgeräte /24 enthält max. 254 Endgeräte In jedem Teilnetz wird eine Netzwerkadresse und eine Broadcast Adresse benötigt. Die Aufteilung eines B Netz in 256 virtuelle C Netze benötigt 512 Adressen. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 5

6 (Sub)Subnetze H H Kollisions Domäne Broadcast Domäne H H B Kollisions Domäne /25 R /24 H H Kollisions Domäne /25 H H B Kollisions Domäne Broadcast Domäne Aufteilung des Netz /24 in die Subnetze /25 und /25. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 6

7 Netzverkehr... Geräte kommunizieren auf Layer II Ebene, direkt mit den per Arp ermittelten MAC Adressen. Router leiten Arp Anfragen nicht weiter, das Internet würde sonst vor lauter Arp Requests verstopfen. Wie kann Host A aus Netz I mit Host B aus Netz II kommunizieren? 01:13:AB:15:32 01:13:AB:CD:EF A B R Netz I Netz II C / /24 Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 7

8 Network Adress Translation (NAT) Router besitzen zwei MAC/IP Adressen, jeweils per Netzsegment, dass sie verbinden. Host A erkennt an der IP & Netzwerkmaske das Host B nicht in seinem Netzwerksegment I liegen kann. Er schickt deshalb keinen ARP Request, sondern sendet die Anfrage an sein Gateway den Router R. R erkennt das Host B im Netz II liegt und schickt einen ARP Request (sofern B noch unbekannt ist). Der Router tauscht die MAC Adresse von A gegen seine eigene aus und leitet die Anfrage an B weiter. Wenn B an A antwortet macht R die inverse Ersetzung... Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 8

9 Routing Die Router ersetzen die MAC Adressen des Layer II durch ihre eigenen, damit ein Routing über mehrere Router im Layer III erfolgen kann. Die IP Adressen werden nicht verändert. 01:13:AB:CD:EF A Netz I... R /16 R2 R3 01:13:AB:15:32 B Netz II C / / /24 Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 9

10 Private Netze IPv4 Adressen sind im Layer III knapp! In jeder Netzwerkklasse gibt es einen gekennzeichneten IP Bereich, der von Routern nicht weitergeleitet oder per NAT transformiert wird. In diesen Bereichen lassen sich daher beliebig viele private Netze gleicher IP definieren, die am weltweiten IP Netzverkehr des Layer III nicht teilnehmen: A: /8 B: /12 C: /16 Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 10

11 Superprivate Adressen Zusätzlich zu den privaten Adressen gibt es noch den Adressbereich: /8 Kein Netzwerkadapter leitet diese Adressen weiter ist die sogenannte Localhost Adresse. Diese Adressen werden nicht geroutet und werden daher nie als konfigurierte Adressen verwendet. Sie dienen zum Testen von lokalen (Netz) Anwendungen, ohne das eine Netzwerkverbindung bestehen muss. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 11

12 Multicast/Broadcast Adressen Neben den Broadcast gibt es noch die Möglichkeit eines Multicasts, d.h. die Adressierung einer lokalen Gruppe. Diese liegt im Adressbereich: /4 Die Adresse wird für generelle Broadcasts verwendet und auch nicht geroutet. Unicast: P2P im Internet Broadcast: Ruf an Alle im lokalen Netz Multicast: Ruf an Gruppe im lokalen Netz Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 12

13 DHCP IP Adressen werden entweder vom Administrator statisch per Hand vergeben oder aber dynamisch per Dynamic Host Configuration Protokol (DHCP). Ein neues Netzwerkgerät sendet eine DHCP Anfrage (per Broadcast) in das lokale Netz. Ein DHCP Server beantwortet diese mit einer möglichen freien IP Adresse, sowie der zugehörigen Netzwerkmaske (und evt. weiteren Daten wie DNS). Der Client beantwortet diese mit DCHP-ACK (Acknowldge) und kann ab dann diese IP verwenden. Meist besitzen diese Adressen ein Verfallsdatum... Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 13

14 Automatische private Adressen Die MAC Adressen sind vom Hersteller fest vorgegeben. Die IP Adressen werden entweder fest vorgegeben oder aber dynamisch per DHCP ermittelt. Damit Rechner auch ohne DHCP miteinander kommunizieren können gibt es den Netzwerkbereich (/16) Alle Rechner sind dann in einem Klasse B Subnetz. Ein Gerät ermittelt die nächste freie IP Adresse per Broadcast an alle und verbindet sich zu einem Ad-hoc Netzwerk. Auch dieser Adressbereich wird nicht geroutet. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 14

15 Domain Name System Zusätzlich zu den IP Adressen existiert ein paralleler Namensraum mit sprechenden Namen. Dieser ist ebenso wie IP hierarchisch aufgebaut (allerdings rückwärts zur europäischen Lesweise):.de.fh-muenster.de.uni-muenster.de.sap.de lab4inf.fh-muenster.de Die (registrierten!) Domain Namen werden von DNS Servern in beide Richtungen aufgelöst. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 15

16 Ping-Pong Mit dem Befehl Ping lässt sich die Verbindung zu einem entfernten Host überprüfen: konqueror:~ # ping PING ( ) 56(84) bytes of data. 64 bytes from eos.apache.org ( ): icmp_seq=1 ttl=244 time=210 ms 64 bytes from eos.apache.org ( ): icmp_seq=2 ttl=244 time=210 ms 64 bytes from eos.apache.org ( ): icmp_seq=3 ttl=244 time=211 ms 64 bytes from eos.apache.org ( ): icmp_seq=4 ttl=244 time=211 ms 64 bytes from eos.apache.org ( ): icmp_seq=5 ttl=244 time=211 ms --- ping statistics packets transmitted, 5 received, 0% packet loss, time 4010ms rtt min/avg/max/mdev = / / /0.472 ms Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 16

17 Nameserver Forward und Reverse Lookup eines Namens: konqueror:~ # nslookup Server: Address: #53 IP des DNS Servers UDP Port 53 Non-authoritative answer: Name: Address: Forward IP von konqueror:~ # nslookup Server: Address: #53 Non-authoritative answer: in-addr.arpa name = eos.apache.org. Reverse DN von Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 17

18 Traceroute / Tracert Verfolgung eines IP Pakets durch das Internet: traceroute to ( ), 30 hops max, 40 byte packets ( ) ms ms ms 2 dor002ibr010-xdsl.versatel.de ( ) ms ms m... 8 ae ebr1.dusseldorf1.level3.net ( ) ms ms 13 9 ae-2.ebr2.frankfurt1.level3.net ( ) ms ms m 10 ae ebr1.frankfurt1.level3.net ( ) ms ms ae-2.ebr2.paris1.level3.net ( ) ms ms ms 12 ae-44.ebr2.washington1.level3.net ( ) ms ms 13 ae-2.ebr3.chicago1.level3.net ( ) ms ms ae-3.ebr2.denver1.level3.net ( ) ms ms ae-2.ebr2.seattle1.level3.net ( ) ms ms m 16 ge-11-2.hsa2.seattle1.level3.net ( ) ms ms 17 nero-gw.level3.net ( ) ms ms ms 18 corv-car1-gw.nero.net ( ) ms ms ms 19 eos.apache.org ( ) ms ms ms Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 18

19 DNS für einen HTTP Request Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 19

20 IP Lebensdauer Im Prinzip kann ein IP Paket ewig lange im Netzwerk von einem Router zum Nächsten kreisen und so das ganze Netz lahmlegen. Im IP Header ist daher eine Time-To-Live (TTL) hinterlegt (Standard ist 64). Bei jedem Hop von Router zu Router wird diese um eins bis auf Null dekrementiert, dann wird das Paket vom Router verworfen und nicht mehr weitergeleitet. Die TTL ist eine Lebenszeit der Layer III Schicht. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 20

21 Layer III: Das IP Paket Wie das Ethernet Frame ist das IP Paket strukturiert und enthält in seinem Header Kontrollinformationen: IP Paket IP-Header TCP-Header Bit Version IHL TOS Length Identity No. Flags Offset TTL Protocol (Layer IV) Sender IP Destination IP Options/Padding Data Header-CS TCP-Header Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 21

22 Problematische Nachrichten Ein IP Paket kann theoretisch maximal 2 16 =64Kbit groß werden Die aktuelle Größe wird durch die maximal transfer unit MTU festgelegt (Ethernet MTU=1500). Ist die Nachricht größer als die MTU, so wird sie in mehrere Pakete gesplittet, die dann beim Empfänger wieder zusammengesetzt werden. Frage: Wie kommen die Pakete vom Sender zum Empfänger und wer stellt sicher, dass alle in der richtigen Reihenfolge wieder zusammengesetzt werden? Was passiert, wenn zwischendurch eine Kollision stattgefunden hat etc...? Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 22

23 Layer IV: Die Transportschicht Größere Nachrichten werden in einzelne Pakete zerlegt. Im Layer IV werden per Transmission Control Protocol die IP Pakete wieder defragmentiert. Die Daten müssen hierzu fehlerfrei unabhängig von der Eingangsreihenfolge wieder zusammengesetzt werden. Nicht alle Pakete einer Nachrichten müssen über die selbe Route laufen, es kommt daher zu Zeitverzögerungen. TCP ist die Kontrollinstanz um die Nachrichten zu reassemblieren und auf Fehler zu reagieren. UDP (Unreliable Datagram Protocol) verzichtet auf diesen Overhead mit dem Preis des Datenverlustes. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 23

24 TCP Aufgaben Im Layer IV werden die IP Pakete der Schicht III an entsprechende Dienste übergeben. Die Zuordnung des Dienstes geschieht über die 16-Bit Port Nummer. Die Kombination aus IP Adresse und Port Nummer wird als Socket bezeichnet. TCP gewährleistet, dass die einzelnen Pakete wieder beim Empfänger zur Orginalnachricht zusammengesetzt werden, auch wenn sie in falscher Reihenfolge ankommen oder welche verloren gingen. Dementsprechend ist ein höherer Verwaltungsaufwand für TCP notwendig. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 24

25 Pakete transportieren Die fragmentierten IP Pakete enthalten eine Identifizierungsnummer. Mit dessen Hilfe kann TCP auch größere Datenmengen wieder zur Orginalnachricht zusammensetzen. Die einzelnen Pakete werden gepuffert, so dass auch die Reihenfolge des Eingangs korrigiert werden kann. Ist der Puffer voll wird der Sender benachrichtigt das Senden einzustellen. Fehlen Pakete wird ein neues Versenden veranlasst. Kommt es zu Fehlern wird die Sendegeschwindigkeit halbiert. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 25

26 Bereitstellung von Diensten Auf einem Host laufen mehrere Dienste: Mail, Web- Server, FTP Server, Bittorrent, etc. Der Host hat immer dieselbe IP Addresse. Wie können die unterschiedlichen IP Pakete desselben Host genau einer Anwendung zugeordnet werden? Hier kommt die Port Nummer ins Spiel. Dienste unterscheiden sich durch ihre Port Nummer. Die Pakete werden per IP zum richtigen Host geroutet und dann dort per Port Nummer einer konkreten Anwendung zugeordnet. So ist es möglich auf einem Endgerät mit einer IP mehrere Dienste zu adressieren. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 26

27 Well-known Ports Die Ports von sind fest vergeben, die Ports von sind zum Teil definierte registered Ports und die Ports von stehen frei zur dynamischen Verfügung. Port Anwendung 20 FTP Dateitransfer 21 FTP Dateitransfer-Control 22 SSH Secure Shell 23 Telnet Remote-Console 25 SMTP -Verkehr 53 DNS Domain-Name-Service 80 HTTP World-Wide-Web-Service Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 27

28 TCP/IP Sniffer Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 28

29 Das TCP Datagramm Der TCP Header enthält Sender- und Emfänger Port Nummern und Informationen zur Paketreihenfolge. IP Paket IP-Header TCP-Header Bit Sender Port Emfänger Port Sequenznummer Bestätigungsnummer Header Length leer Flags W-Size Checksum Urgent Options/Padding Data Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 29

30 Port and Address Translation Die Socket Kommunikation erlaubt es einem Internet Service Provider (ISP) mehr Kunden per IP zu bedienen als ihm eigentlich IP-Nummern zur Verfügung hat. Beispiel Klasse B hat nur Endgeräte! Der ISP Router tauscht auf Layer IV nicht nur die IP Adresse aus, sondern verändert auch die Port Nummer. So wird aus der Source :5000 z.b. nach außen das Socket : Wird die entsprechende Anwort an die IP des Routers zurückgeschickt, so merkt dieser an der Port Adresse 59323, dass er intern an das Gerät :5000 eine Antwort leiten soll. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 30

31 PAT Beispiel A B R Internet / /24 Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 31 H A sendet GET Dst-IP :80 Src-IP :5000 R sendet GET Dst-IP :80 Src-IP :59323 H sendet ACK Dst-IP :59323 Src-IP :80 R sendet ACK Dst-IP :5000 Src-IP :80 Router PAT-Table: : :59323 A : :59324 B

32 Virtuelle Vervielfältigung Mit dem PAT/(NAT)-Verfahren lässt sich die Begrenzung der IP-Adressen beim Provider durchbrechen. Es können virtuell wesentlich mehr Endgeräte am Netz angeschlossen werden, als Adressen in der Netzklasse zur Verfügung stehen. Voraussetzung sind schnelle Router mit Lookup Tabellen, welche die Socket Adressen umleiten und darüber auch Buchführung halten... Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 32

33 Layer V-VII: Beispiel HTTP Im Layer V-VII befinden sich die Anwendungen. Als Beispiel sei hier das Hypertext Transfer Protokoll (HTTP) angeführt. Ein Client (i.a. ein Web-Browser) richtet eine GET Anfrage (Request) an einen WWW-Server. meistens die Aufforderung eine bestimmte Datei zu senden. Der WWW-Server antwortet mit OK wenn er die Datei findet und überträgt diese als Antwort (Response). Der Client bestätigt den Eingang und zeigt die Datei an... Ein weiterer Status wird nicht vorgehalten, d.h. HTTP ist ein zustandsloses Protokoll. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 33

34 Ablauf einer Sitzung Client Request: GET /Lab4inf/index.html HTTP/1.1 Host: \r\n Server Response: Leerzeile! HTTP/ OK Server: Apache/2.0 (Unix) PHP/5.0.4 Content-Length: (Größe von index.html in Byte) Content-Language: de (nach ISO 639 und ISO 3166) Content-Type: text/html \r\n Leerzeile! Daten von index.html Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 34

35 HTTP Request Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 35

36 HTTP Response Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 36

37 Java Netzwerk Unterstützung Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 37

38 Klasse Socket Java bietet für die TCP Socket Kommunikation bereits vorgefertigte Klassen. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Informatik II 38

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