Kommunikationsarchitekturen und Grundlagen der Internet-Protokolle

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1 Kommunikationsarchitekturen und Grundlagen der Internet-Protokolle Sender Empfänger Zugangspunkt zu physischem Medium Zugangspunkt zu physischem Medium SS14 3.1!

2 Grundmodell der Kommunikation! SS14 3.2!

3 Beispiel Flugbuchung Kunde bekommt Papierticket zugeschickt! SS14 3.3!

4 Geschichtete Architekturen! SS14 3.4!

5 Mehrschichtige Kommunikationsmodelle (1)! peer-to-peer? SS14 3.5!

6 Mehrschichtige Kommunikationsmodelle (2) Das Philosophen/Übersetzer/Sekretärin - Modell! Die Philosophen bedienen sich ihrer Übersetzer. Die wiederum nutzen die Sekretärinnen. Die Übersetzer könnten sich auch in einer anderen Sprache verständigen. Die Sekretärinnen könnten statt dem Fax die benutzen." SS14 3.6!

7 Mehrschichtige Kommunikationsmodelle (3) Das Philosophen/Übersetzer/Sekretärin - Modell! Gleichrangige Kommunikationspartner (Peers) nutzen die Dienste der jeweils untergeordneten Ebene (Schicht). Die Philosophen bedienen sich ihrer Übersetzer; die wiederum nutzen die Dienste der Sekretärinnen. Die Art und Weise wie die Kommunikation stattfindet ist für den Dienstnutzer (die übergeordnete Schicht) transparent. Die Übersetzer könnten sich auch in einer anderen Sprache verständigen. Die Kommunikationsmittel innerhalb einer Schicht können von den beiden Partnern jederzeit einvernehmlich geändert werden. Die Sekretärinnen könnten statt dem Fax die benutzen. SS14 3.7!

8 Grundlegende Architekturkonzepte für Netzwerk-Software! Schichten! Schnittstellen! Protokolle! Dienste! Adressierung! Übertragungsmedium SS14 3.8!

9 Schicht - Schnittstelle - Protokoll - Dienst! Schicht (layer) hat die Aufgabe, Dienste für die übergeordnete Schicht bereitzustellen. Schnittstelle (interface) definiert welche Dienste und Operationen die darunter liegende Schicht anbietet. Protokoll (protocol) definiert das Regelgefüge der Kommunikation. Dienst (service) besteht aus einer Gruppe von Operationen (Methoden). Adresse (address) erlaubt eine eindeutige Identifizierung des Empfängers innerhalb eines Protokolls (falls erforderlich) SS14 3.9!

10 Geschichtetes Kommunikationssystem virtuelle horizontale und reale vertikale Kommunikation! SS !

11 Schnittstellen-Implementierung! Schicht n+1 Schnittstelle Schicht n Header (Nachrichtenkopf) Dienste werden auf Dienstzugriffspunkten (SAPs) bereitgestellt. Jeder SAP hat eine eindeutige Adresse. Analogie zum Telefonsystem: SAP Anschlussbuchse für Telefonapparat Adresse Telefonnummer der Anschlussbuchse SAP Service Access Point (Dienstzugriffspunkt, Adressierung) IDU Interface Data Unit (Schnittstellendateneinheit) SDU Service Data Unit (Dienstdateneinheit) PDU Protocol Data Unit (Protokolldateneinheit) ICI Interface Control Information (Schnittstellensteuerdaten) Einheiten auf Schicht N tauschen spezifische Schicht-N-PDUs in ihrem Protokoll aus Beispiel-Adresse im Internet: Die Portnummer ist eine Nummer für einen SAP über den TCP mit dem Prozess Daten austauscht. SS !

12 Wiederkehrende Aufgaben verschiedener Schichten Jede Schicht hat eine dedizierte Aufgabe; dennoch existieren u.u. gleichartige Teilaufgaben in unterschiedlichen Schichten Diese Aufgaben werden jedoch oft unterschiedlich ( schichtspezifisch ) gelöst. Gelegentlich verzichtet man auf eine Aufgabe (z.b.fehlererkennung), wenn dies von einer anderen Schicht quasi perfekt mit erledigt wird. SS !

13 Datenübertragung im ISO/OSI-Referenzmodell (1) ISO-Standard 7498 "7-Schichten-Modell"! Internationale Standardisierung (ISO: International Standards Organization) von Diensten und Protokollen zur Realisierung sogenannter Offener Systeme (OSI: Open Systems Interconnection) SS !

14 Datenübertragung im ISO/OSI-Referenzmodell (2) ISO-Standard 7498 "7-Schichten-Modell"! SS !

15 Einkapselung von Daten! AH Application Header PH Presentation Header SH Session Header TH Transport Header NH Network Header DLH Data Link Header DLT Data Link Trailer Daten Anwendungsschicht Darstellungsschicht Kommunikationssteuerungsschicht Senden SH PH AH Daten Dateneinheit Dateneinheit Empfangen Anwendungsschicht Darstellungsschicht Kommunikationssteuerungsschicht Transportschicht TH Dateneinheit Transportschicht Vermittlungsschicht NH Dateneinheit Vermittlungsschicht Sicherungsschicht DLH Dateneinheit DLT Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Bits Bitübertragungsschicht SS !

16 Bitübertragungsschicht und Sicherungsschicht OSI! Bitübertragungsschicht (Schicht 1) Transparente Übertragung unstrukturierter Bitfolgen über ein beliebiges physikalisches Medium ungesicherte Verbindung keine explizite Fehlerbehandlung Unterstützung unterschiedlicher Übertragungsarten umfasst u. a. physikalischen Anschluss, Umsetzung Daten Signale Normung vor allem der physikalischen Schnittstelle Rechner/ Medien Sicherungsschicht (Schicht 2) Aufbau einer (möglichst) fehlerfreien Verbindung zwischen Endsystem und Netzzugang gesicherter Datentransfer Zusammenfassung der Daten in Blöcke, Bitstrom Frames (Rahmen) Blocksynchronisation, Fehlererkennung und Korrektur Protokollmechanismen: Quittierung, Zeit-/ Sequenzüberwachung, Wiederholen/ Rücksetzen SS !

17 Daten und Signale OSI! SS !

18 Transportschicht und Vermittlungsschicht OSI! Vermittlungsschicht / Netzwerkschicht (Schicht 3) Anwahl und Steuerung des Transportnetzes Wegewahl (Routing) bei Vermittlung, Staukontrolle Kopplung unterschiedlicher Transportnetze Multiplexing eines physischen Netzzuganges Transportschicht (Schicht 4) Aufbau und Unterhaltung einer (virtuellen) Verbindung zwischen zwei Endsystemen (end-to-end) Bereitstellung eines netzunabhängigen Transportmechanismus Adressierung eines Endteilnehmers SS !

19 Anwendungsorientierte Schichten OSI! Sitzungsschicht / Kommunikationssteuerungsschicht (Schicht 5) Einrichtung und Steuerung von Sitzungen (sessions) Zugangskontrolle Darstellungsschicht (Schicht 6) Einheitliche Informationsdarstellung und Interpretation Verschlüsselung Datenkompression Anwendungsschicht (Schicht 7) Protokolle, die einzelne Programme zur Erbringung ihrer Dienste definiert haben. Zum Beispiel: Dateitransfer (ftp), (pop3, smtp), Remote Login (telnet) etc. SS !

20 telnet Kommunikation mit einem entfernten Computer über das TELNET - Protokoll! TELNET(1) BSD General Commands Manual TELNET(1) NAME telnet - user interface to the TELNET protocol SYNOPSIS telnet [-8] [-E] [-F] [-K] [-L] [-S tos] [-X authtype] [-a] [-b hostalias] [-c] [-d] [-e escapechar] [-f] [-k realm] [-l user] [-n tracefile] [-r] [-x] [host [port]] DESCRIPTION The telnet command is used to communicate with another host using the TELNET protocol. If telnet is invoked without the host argument, it enters command mode, indicated by its prompt (telnet>). In this mode, it accepts and executes the commands listed below. If it is invoked with arguments, it performs an open command with those arguments. Options: host Indicates the official name, an alias, or the Internet address of a remote host. port Indicates a port number (address of an application). If a number is not specified, the default telnet port is used. SS !

21 telnet - Kommando Windows (XP und neuere Versionen)! SS !

22 Mit Hilfe von Telnet die Erreichbarkeit eines Servers überprüfen Mit_Hilfe_von_Telnet_die_Erreichbarkeit_eines_Servers_überprüfen SS !

23 SMTP: Simple Mail Transfer Protocol (1) Anwendungsebene! SMTP (RFC 821) ist ein Protokoll der TCP/IP-Protokollfamilie, das für den Versand von s eingesetzt wird. Ein SMTP-Server belegt in der Regel den Port 25. Das SMTP-Protokoll wird normalerweise nicht vom - Benutzer direkt, sondern von dem programm benutzt. Das programm stellt eine Verbindung zu einem SMTP-Server her, damit dieser die Mail zum Empfänger weiterleitet. SMTP setzt voraus, dass eine Übertragung vom Sender initiiert wird. Deshalb wird es nicht dazu benutzt, eine Mail von einem Server auf den Arbeitsplatzrechner zu übertragen. Dazu werden Post Office Protokolle wie das POP3-Protokoll oder das IMAP-Protokoll verwendet. Eine typische SMTP-Sitzung zum Versenden einer sieht folgendermaßen aus:... siehe nächste Folie SS !

24 SMTP: Simple Mail Transfer Protocol / Übung Beispielkommunikation mit Hilfe von "telnet" smtp.dvz.fh-duesseldorf.de ( ), alternativ: oder ! $ telnet smtp_test_server 25 Trying Connected to Escape character is '^]'. 220 smtp_test_server ESMTP Sendmail 8.8.3/8.8.3; Mon, 21 Nov :24: HELO smtp_test_server Hello [ ], pleased to meet you MAIL FROM: > 250 Sender ok RCPT TO: 250 Recipient ok DATA 354 Enter mail, end with "." on a line by itself Subject: Test Hallo, und viele Gruesse!. 250 RAA31213 Message accepted for delivery QUIT 221 smtp_test_server closing connection Connection closed by foreign host. "telnet" wird benutzt um eine Verbindung und damit einen "Byte-Strom-Kanal" zum Mailserver über Port 25 aufzubauen der rote Text wird vom Mail- Client an den Server gesendet der grüne Text sind Ausgaben des Mailservers SS !

25 Grundoperationen im OSI-Modell (1)! Jeder Dienst, den eine Schicht des OSI-Modells gegenüber der nächsthöheren Schicht zu erfüllen hat, ist formal durch eine Anzahl von Grundoperationen (primitives) definiert. Im OSI-Modell sind die Grundoperationen in vier Klassen aufgeteilt: request -- Anforderung eines Dienstes indication -- Anzeige (Anmeldung) response -- Antwort confirm -- Bestätigung SS !

26 Grundoperationen im OSI-Modell (2) Beispiel Telefon! CONNECT.request: CONNECT.indication: CONNECT.response: CONNECT.confirm: DATA.request: DATA.indication: DATA.response: DATA.confirm: DISCONNECT.request: DISCONNECT.indication: Ich wähle die Telefonnummer von Tante Erna Bei Tante Erna läutet das Telefon Tante Erna hebt den Telefonhörer ab In meiner Telefonmuschel hört das Rufzeichen auf Ich lade Tante Erna zum Tee ein Tante Erna hört meine Einladung Tante Erna sagt, sie will kommen Ich höre Ihre Annahme der Einladung Ich hänge den Hörer auf Sie hört das Besetztzeichen und hängt auch auf SS !

27 Kritik am ISO-OSI-Modell! Das Modell wurde relativ früh entwickelt (1984, 1. Version des ISO Standards 7498). theoretischer Ansatz, wird z.t. als praxisfremd empfunden neuere Entwicklungen lassen sich oft schlecht in das Schema pressen Industrie- und Quasistandards (z.b. TCP/IP) passen nicht genau in dieses Modell. Vorgaben lassen sich oft nur schwierig oder ineffizient umsetzen. Aber: Durch die Trennung der verschiedenen Aufgabenbereiche und die hierarchische Gliederung ist es ein gutes Strukturierungshilfsmittel! Terminologie und Architekturprinzip wird in vielen konkreten Protokollen zumindest teilweise benutzt. SS !

28 TCP/IP - Protokolle Internet Netzwerk-Standard! TCP: Transmission Control Protocol IP: Internet Protocol TCP/IP ist eine Familie von Protokollen, die eine Anzahl von universellen Kommunikationsdiensten (services) definiert. Die Dienste können in einer standardisierten Form in der Netzwerksoftware implementiert werden. Datenpakete (Nachrichten) SS !

29 TCP/IP Architektur-Schichten! Netzwerkanwendungen (Dateitransfer, , Hypertext, Jobtransfer etc.) Netzunabhängiger Transportmechanismus, Virtuelle Verbindung zweier Endsysteme (end-to-end) Wegewahl (Routing), Vermittlung, Multiplexing Netzwerk-Schnittstelle, Transparente Übertragung von Bit-Sequenzen SS !

30 Vergleich der Modelle: TCP/IP und OSI! OSI TCP/IP im Modell nicht vorhanden (Data Link Layer) SS !

31 TCP/IP Eine Auswahl wichtiger Protokolle! BGP = Border Gateway Protocol FTP = File Transfer Protocol HTTP = Hyptertext Transfer P. ICMP = Internet Control Message P. IP = Internet Protocol UDP = User Datagram Protocol OSPF = Open Shortest Path First MIME = Multi-Purpose Internet Mail Ext. SMTP = Simple Mail Transfer Protocol SNMP = Simple Network Management P. TCP = Transmission Control Protocol TELNET = Virtuelles Terminal Terminal Emulation Anwendungsschicht Transportschicht Netzwerkschicht SS !

32 Adressen im Internet TCP/IP-Adressierung! Host (-Computer) - Adresse smtp.dvz.fh-duesseldorf.de Internet IP V4 - Adresse: (32 Bit / 4 Byte - Adresse in byteweise dezimaler Notation) IP V6 - Adresse: 3ffe:400:280:0:0:0:0:1 (128 Bit / 16 Byte - Notation in acht hexadezimalen 16 Bit Zahlen ) Stationsadresse (MediaAccessControl address) Eindeutige Hardware-Adresse des Netzwerk-Interface (Netzwerkkarte) z.b. Ethernet-Adresse 0:0:c:6:13:4a SS !

33 Adressen im Internet DNS - Namensraum! Der Namensraum im Domain Name System ist in Zonen aufgeteilt: Länder (country code top level domains) cctlds top level domains Funktion (generic top level domains) gtlds fh-duesseldorf www dvz arcor www nasa www cmich cps Für Zwecke der Internet-Infrastruktur:.arpa ( Address and Routing Parameter Area domain) smtp ftp Mail-Server der FHD: smtp.dvz.fh-duesseldorf.de Beispiel:.tv ist die "country code tld" von Tuvalu SS !

34 Generic TLDs! Quelle: The Internet Corporation for Assigned Names and Numbers SS !

35 Namensauflösung im Internet! Historisch: Jeder Rechner hatte eine Datei "hosts", in der für jeden verwendeten Rechnernamen die zugehörige IP-Adresse steht. Heute: Jeder Rechner kennt die IP-Adressen von ein oder zwei DNS- Servern, die die IP- Adresse für einen Rechnernamen kennen oder von einem anderen DNS- Server beschaffen können. SS !

36 DNS lookup utilities! nslookup dig dig ] [ -b address ] [ -c class ] [ -f filename ] [ -k filename ] [ -p port# ] [ -t type ] [ -x addr ] [ -y name:key ] [name ] [ type ] [ class ] [ queryopt... ] SS !

37 Adressen im Internet / WWW URI -- Uniform Resource Identifier (RFC 3986 / 2005)! Um gezielt auf Dienste und Ressourcen im Internet zugreifen zu können, wird als Lösung ein Universal Resource Identifier (URI) vorgeschlagen. (Analogie: ISBN für Bücher) Ein Universal Resource Identifier (URI) kann drei Angaben enthalten: 1. Uniform Resource Name (URN) 2. Uniform Resource Locator (URL) 3. Uniform Resource Characteristics (URC) SS !

38 Adressen im Internet / WWW URI -- Uniform Resource Identifier (RFC 3986 / 2005)! 1. Uniform Resource Name (URN) identifiziert die Ressource/Quelle eindeutig und unabhängig vom Standort Grundlagen definiert in RFC Beispiel: urn:nbn:de:gbv:830-tubdok Gerry Siegemund, Volker Turau, Stefan Lohs und Jörg Nolte. Directed Link Utilization with Mahalle+. In Proceedings of the 12th GI/ITG KuVS Fachgespräch "Drahtlose Sensornetze" (FGSN'13), September Cottbus, Germany. URNs können nur indirekt angewendet werden, sie müssen in URLs oder andere URIs übersetzt werden. Für die Übersetzung von URNs existieren verschiedene Dienste, Beispiele: URN Support für Mozilla Firefox (http://piro.sakura.ne.jp/xul/_urnsupport.html.en), URN Resolver der Deutschen Nationalbibliothek Alternatives Konzept: Digital Object Identifier DOI (www.doi.org), Bsp.: doi: /j.patcog SS !

39 Adressen im Internet / WWW URI -- Uniform Resource Identifier (RFC 3986 / 2005)! 2. Uniform Resource Locator (URL) identifiziert den (Netz-)Standort und die Zugriffsmethode einer Ressource / Quelle eindeutig (vergleichbar mit einer Signatur) 3. Uniform Resource Characteristics (URC) gibt Informationen über die Ressource / Quelle an (Metadaten), z.b. Dokumenttyp, Zugangsbeschränkungen, Verfallsdatum. Ein praktisches Beispiel für "Uniform Resource Characteristics" sind die in den Meta-Tags von Web-Dokumenten enthaltenen Meta-Informationen über dieses Dokument. SS !

40 Adressen im Internet / WWW URL -- Uniform Resource Locator! Struktur des URL Uniform Resource Locator (vereinfacht): [Zugangsprotokoll:// ] Hostadresse[:Port]/[Pfad] Zugangsprotokoll: http, ftp, telnet... Hostadresse: IP-Adresse oder Domain-Name Port: nicht nötig, wenn Standardport verwendet wird Pfad: voller Pfad inkl. evtl. Filename [Option] Service Port ftp-data 20/tcp ftp-ctrl. 21/tcp smtp 25/tcp telnet 23/tcp gopher 70/tcp http 80/tcp pop-3 110/tcp nntp 119/tcp SS !

41 Internet-Dienste an der FH Düsseldorf! SS !

42 Adressierung im Internet Zusammenfassung! Anwendung (Application Layer)! Symbolischer Domain-Name, z.b. in einer URL bei http Transport (TCP, UDP)! Port-Nummer (2 Byte) Netzwerk (Network Layer, IP)! IP-Adresse (4 Byte) Link Layer! z.b. Ethernet-Adresse (6 Byte) SS !

43 Internet/WWW - Protokolle HTTP Hypertext Transfer Protocol! HTTP ist ein ASCII-Protokoll die gesamte Kommunikation wird mit lesbaren Zeichen (ASCII-Code) durchgeführt." " Allgemeine Form einer Anfrage- Nachricht im HTTP-Protokoll:" Anfrage-Zeile = Methode SP Anfrage-URI SP HTTP- Version CRLF" " CRLF "= carriage return + line feed" SP URI "= one or more spaces" "= Universal Resource " "Identifier" SS !

44 HTTP -Anfrage (1) Beispiel mit GET! Allgemeine Form einer Anfrage-Nachricht im HTTP-Protokoll (Anfrage-Zeile): Methode <SP> Anfrage-URI <SP> HTTP-Version <CR><LF>! URL/URI-Beispiel:" Beispiel einer Anfrage-Zeile mit der Methode "GET":" GET<SP> /download/zielke_telematik.htm <CR><LF>" Methoden: GET, PUT, COPY... <SP> = Leerzeichen <CR> = Carriage Return <LF> = LineFeed SS !

45 HTTP -Anfrage (2) Beispiel: GET mit Hilfe von Telnet! $ telnet 80 Trying Connected to mux50.mv.fh-duesseldorf.de. Escape character is '^]'. GET /download/zielke_telematik.htm <html> <head> </head> Standardport für HTTP <meta http-equiv="content-type" content="text/html;charset=iso "> <meta name="generator" content="microsoft FrontPage 4.0"> <title>ifi Download</title> Anfrage im HTTP-Protokoll an den HTTP-Server der FHD mit Hilfe des Telnet-Dienstes (virtuelles Text-Terminal). Die Anfrage veranlasst den Server, das HTML-Dokument /download/zielke_telematik.htm zu senden. <body bgcolor="white"> <h2><font size="6" face="arial" color="#ff354d">ifi Download</font></h2> <p><font size="4" face="arial" color="#ff8826"><b>für das Lesen der PDF-Dateien benötigen Sie den Acrobat-Reader!</b></font> <br> <font size="4" face="arial" color="#ff8826"><b>dieses Programm können Sie sich hier vom Hersteller downloaden:</b></font> </p> </body>... </html> Connection closed by foreign host. $ SS !

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