Kommunikationsnetze. Praxis Internet. Version 4.0

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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 Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8 2

3 Wireless Networking WAN MAN LAN PAN 3G WCDMA GPRS EDGE WiMAX * Broadband Wi-Fi * UWB and Bluetooth RFID/ TAG Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 3

4 Drahtlose und Mobile Netze Hintergrund: Die Zahl der Mobiltelefonkunden übersteigt inzwischen die Zahl der leitungsgebundenen Telefonanschlüsse! Computernetzwerke: Laptops, Notebooks, Netbooks, Tablets, PDAs und Smart-Phones (Internet-fähige Mobiltelefone) versprechen jederzeit problemlosen Internetzugang Zwei wichtige (aber verschiedene) Herausforderungen: drahtlos: Kommunikation über drahtlose Links mobil: Umgang mit mobilen Benutzern, die ihren Zugangspunkt zum Netzwerk wechseln Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 4

5 Bestandteile eines drahtlosen Netzwerks Drahtlose Hosts Netzwerkinfrastruktur Notebook, Netbook, Tablet, Smart-Phone führen Anwendungen aus stationär oder mobil (drahtlos bedeutet nicht zwangsläufig mobil)! Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 5

6 Bestandteile eines drahtlosen Netzwerks Basisstation Netzwerkinfrastruktur typischerweise mit einem drahtgebundenen Netz verbunden Relay vermittelt Pakete zwischen drahtlosen und drahtgebundenen Hosts im eigenen Zuständigkeitsbereich z.b. GSM-Basisstationen oder WLAN-Access-Points Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 6

7 Bestandteile eines drahtlosen Netzwerks Netzwerkinfrastruktur Drahtlose Links verbinden üblicherweise mobile Geräte mit einer Basisstation auch als Backbone-Link MAC-Protokoll koordiniert den Medienzugriff verschiedene Datenraten und Reichweiten Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 7

8 Eigenschaften ausgewählter drahtloser Kommunikationstechnologien Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 8

9 Eigenschaften ausgewählter drahtloser Kommunikationstechnologien Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 9

10 Bestandteile eines drahtlosen Netzwerks network infrastructure Infrastrukturmodus Basisstation verbindet drahtlose Geräte mit dem drahtgebundenen Netz Handoff: Mobiles Gerät wechselt die Basisstation, über die es an das drahtgebundene Netz angebunden ist Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 10

11 Bestandteile eines drahtlosen Netzwerks Ad-Hoc - Modus keine Basisstationen Knoten können nur an andere Knoten innerhalb ihrer eigenen Sendereichweite senden Die Knoten organisieren sich selbst zu einem Netzwerk und routen untereinander Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 11

12 Was ist Mobilität? Spektrum der Mobilität aus Sicht des Netzwerks: keine Mobilität hohe Mobilität mobiler, drahtloser Benutzer, der stets denselben AP nutzt mobiler Benutzer, der sich beim Netzwerk an- und abmeldet und dabei DHCP verwendet mobiler Benutzer, der sich zwischen Zugriffspunkten bewegt und dabei Verbindungen offenhalten möchte (z.b. Handy-Nutzer) Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 12

13 Mobilität: Vokabular Heimatnetz: permanente Heimat des mobilen Geräts (z.b /24) Home Agent: Instanz, die mobilitätsbezogene Aufgaben für das mobile Gerät erledigt, wenn es gerade nicht im Heimatnetz ist Permanente Adresse: Adresse im Heimatnetz, die immer verwendet werden kann, um das mobile Gerät zu erreichen (z.b ) Weitverkehrsnetz Kommunikationspartner Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 13

14 Mobilität: Vokabular Permanente Adresse: bleibt fest (z.b ) Besuchtes Netzwerk: Netzwerk, in dem sich das mobile Gerät aktuell befindet (z.b /24) Care-of-Adresse: Adresse im besuchten Netzwerk (z.b ) Weitverkehrsnetz Kommunikationspartner: möchte mit dem mobilen Gerät kommunizieren Foreign Agent: Instanz im besuchten Netz, die für das mobile Gerät mobilitätsbezogene Aufgaben erledigt Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 14

15 Mobilität: Lösungsansätze Das Routing soll das erledigen: Router verbreiten den Weg zur permanenten skaliert Adresse eines gerade anwesenden mobilen nicht Geräts für über die normalen Routingtabellen-Updates. Millionen von Routing-Tabellen zeigen, wo ein mobiles Gerät gerade ist Benutzern keine Veränderungen an den Endsystemen Die Endsysteme kümmern sich selbst darum: indirektes Routing: Daten vom Kommunikationspartner zum mobilen Gerät nehmen einen Umweg über den Home Agent, von wo sie zum mobilen Benutzer weitergeleitet werden. direktes Routing: Der Kommunikationspartner informiert sich über die momentane Adresse des mobilen Gerätes und kontaktiert es dann direkt. Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 15

16 Mobilität: Registrierung Heimatnetz besuchtes Netz Endergebnis: Foreign Agent kennt das Mobilgerät Home Agent weiß, wo sich das Gerät befindet 2 Weitverkehrsnetz Foreign Agent kontaktiert den Home Agent: Dieses mobile Gerät ist gerade in meinem Netz 1 Mobilgerät kontaktiert den Foreign Agent beim Eintritt in das Netz Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 16

17 HIER Mobilität mit indirektem Routing Home Agent fängt Pakete ab und leitet sie an das mobile Gerät weiter Foreign Agent empfängt Pakete und leitet sie an das mobile Gerät weiter Heimatnetz 3 1 Weitverkehrsnetz 2 4 besuchtes Netz Kommunikationspartner adressiert Pakete an die Heimatadresse des Mobilgeräts Mobilgerät antwortet dem Kommunikationspartner direkt Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 17

18 Indirektes Routing: Anmerkungen Das Mobilgerät hat zwei Adressen: Permanente Adresse: wird vom Kommunikationspartner benutzt (die Mobilität ist daher für den Kommunikationspartner transparent) Care-of-Adresse: vom Home Agent verwendet, um Datagramme an das Mobilgerät weiterzuleiten Funktion des Foreign Agent kann vom Mobilgerät selbst erledigt werden Dreiecksrouting: Kommunikationspartner -> Heimatnetz -> Mobilgerät ineffizient, vor allem wenn Mobilgerät und Kommunikationspartner gerade im gleichen Netzwerk sind! Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 18

19 Indirektes Routing: Wechsel des Netzes angenommen, ein mobiler Benutzer wechselt in ein anderes Netzwerk registriert sich beim neuen Foreign Agent der neue Foreign Agent informiert den Home Agent Home Agent aktualisiert die Care-of-Adresse Pakete werden weiterhin zum Mobilgerät weitergeleitet (jetzt zur neuen Care-of-Adresse) Mobilität und Wechsel des Netzwerks sind transparent: offene Verbindungen können weiterhin genutzt werden! Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 19

20 Mobilität über direktes Routing Kommunikationspartner sendet Daten zum Foreign Agent Foreign Agent leitet die Daten zum Mobilgerät weiter Heimatnetz 4 2 Weitverkehrsnetz 3 5 besuchtes Netz Kommunikationspartner erfragt und erfährt so die aktuelle Adresse des mobilen Geräts vom Home Agent 1 Mobilgerät antwortet dem Kommunikationspartner direkt Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 20

21 Direktes Routing: Anmerkungen Löst das Dreiecksrouting-Problem Nicht transparent für den Kommunikationspartner: er muss sich die Care-of-Adresse vom Home Agent holen Was passiert, wenn das mobile Gerät das Netzwerk wechselt? Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 21

22 Direktes Routing: Wechsel des Netzes Anchor Foreign Agent: FA im ersten besuchten Netz Daten werden immer zuerst zum Anchor-FA geroutet Wenn sich das Mobilgerät weiterbewegt, sorgt der neue FA dafür, dass die Daten vom alten FA zu ihm weitergeleitet werden (Verkettung) Anchor Foreign Agent besuchtes Netz zu Beginn der Kommunikationsbeziehung Weitverkehrsnetz Kommunikationspartner Correspondent Agent 5 Neuer Foreign Agent 3 neues besuchtes Netz Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 22

23 Mobilität in IPv4 Netzen RFC 3344 viele Features, die wir bereits kennen: Home Agents, Foreign Agents, Registrierung beim Foreign Agent, Care-of-Adressen, Paketverkapselung (Paketim-Paket) Standard besteht aus drei Komponenten: indirektes Routing von Datagrammen Finden von Agents Registrierung beim Home Agent Achtung bei Mobile IPv6: Hier erhält der mobile Knoten eine feste Adresse, die Home Address, über die er immer erreichbar ist, unabhängig vom aktuellen Standort des Knotens. Diese Home Address wird über den Destination Options Header übermittelt. Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 23

24 Mobile IPv4: indirektes Routing Foreign Agent an Mobilgerät Home Agent an Foreign Agent: ein Paket verkapselt in einem anderen Paket Ziel: Ziel: Ziel: Permanente Adresse: Ziel: Paket vom Kommunikationspartner Care-of address: Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 24

25 Mobile IPv4: Agent Discovery Agent Advertisement: Foreign/Home Agents bieten ihre Dienste durch das Broadcasten von ICMP-Nachrichten an (Typ 9) Typ = 9 Code = 0 = 9 Prüfsumme H,F-Bits: Home und/ oder Foreign Agent Router-Adresse Standard- ICMP-Felder R-Bit: Registrierung notwendig Typ = 16 Länge Lebensdauer der Reg. Sequenznr. RBHFMGV Bits 0 oder mehr Care-of-Adressen reserviert Erweiterung für das Bekanntmachen von Agents Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 25

26 Mobile IPv4: Beispiel einer Registrierung Home Agent HA: Foreign Agent COA: ICMP Agent Adv. COA: Besuchtes Netz: /24 Mobilgerät MA: Registration Req. COA: HA: MA: Lifetime: 9999 identification: 714 encapsulation format. Registration Req. COA: HA: MA: Lifetime: 9999 identification:714. Registration Reply Zeit HA: MA: Lifetime: 4999 Identification: 714 encapsulation format. Registration Reply HA: MA: Lifetime: 4999 Identification: 714. Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 26

27 Bestandteile einer zellularen Netzarchitektur Zellen und Mobile Switching Center öffentliches Telefonnetz und Internet Kommunikationspartner MSC MSC MSC MSC MSC mehrere Mobilfunknetze von unterschiedlichen Providern Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 27

28 Mobilität in zellularen Netzen Heimatnetz: Netzwerk des Netzanbieters, mit dem Sie einen Vertrag haben (z.b. T-Com, Vodafone, ) Home Location Register (HLR): Datenbank im Heimatnetz, die die Mobilfunknummer, Profildaten (Dienste, Voreinstellungen, Abrechnungsdaten, ) und Informationen zum aktuellen Aufenthaltsort (möglicherweise ein anderes Netz) enthält besuchtes Netzwerk: das Netz, in dem das Mobiltelefon derzeit eingebucht ist Visitor Location Register (VLR): Datenbank mit einem Eintrag für jeden Benutzer, der sich gerade im Netz befindet könnte auch das Heimatnetz sein Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 28

29 Mobilität: GSM versus Mobile IPv4 GSM-Element Kommentar (bezogen auf GSM) Mobile-IP-Element Heimatsystem Gateway Mobile Switching Center oder Heimat-MSC Home Location Register (HLR) Netzwerk, zu dem die permanente Telefonnummer des Benutzers gehört Heimat-MSC: Kontaktstelle zum Erfragen einer routebaren Adresse des Mobilbenutzers. HLR: Datenbank im Heimatsystem mit permanenter Telefonnummer, Profildaten, akt. Aufenthaltsort, Vertragsinformationen Heimatnetz Home Agent Besuchtes System Besuchtes MSC Visitor Location Record (VLR) Mobile Station Roaming Number (MSRN), oder Roaming-Nummer Fremdes Netz, in dem sich der Benutzer gerade aufhält Besuchtes MSC: verantwortlich für Rufaufbau zu/ von Mobilknoten in Zellen dieses MSC. VLR: temporärer Datenbankeintrag im besuchten System mit Vetragsdaten jedes besuchenden Benutzers Routebare Adresse für den Anrufabschnitt zwischen Heimat-MSC und besuchtem MSC; sichtbar weder für das Mobiltelefon noch für den Kommunikationspartner. Besuchtes Netzwerk Foreign Agent Care-of- Adresse Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 29

30 WLAN Infrastructure Mode Eine spezielle Basisstation (Access Point) übernimmt die Koordination aller anderen Netzknoten (Clients). Die Basisstation sendet in einstellbaren Intervallen (10 mal pro Sekunde) kleine Datenpakete, sogenannte Beacons ( Leuchtfeuer ), an alle Stationen im Empfangsbereich. Die Beacons enthalten u. a. folgende Informationen: Netzwerkname ( Service Set Identifier, SSID) Liste unterstützter Übertragungsraten Art der Verschlüsselung Der erfolgreiche Empfang des Leuchtfeuers garantiert also noch keine stabile Verbindung mit dem Netzwerk. Da WLAN auf der Schicht 2 dieselbe Adressierung wie Ethernet verwendet, kann über einen Wireless Access Point mit Ethernet-Anschluss leicht eine Verbindung zu kabelgebundenen Netzen ( Distribution System, DS) hergestellt werden. Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 30

31 WLAN Infrastructure Mode Der Aufbau großer WLANs mit mehreren Basisstationen und unterbrechungsfreiem Wechsel der Clients zwischen den verschiedenen Basisstationen ist im Standard vorgesehen. In der Praxis kommt es dabei allerdings zu Problemen: Die Frequenzbereiche der Basisstationen überlappen sich und führen zu Störungen. Da anders als in Mobilfunknetzen die Intelligenz komplett im Client steckt, gibt es kein echtes Handover zwischen verschiedenen Basisstationen. Ein Client wird im Normalfall erst nach einer neuen Basisstation suchen, wenn der Kontakt zur vorherigen bereits abgebrochen ist. Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 31

32 WLAN Ad-hoc Mode Im Ad-hoc-Modus ist keine Station besonders ausgezeichnet, sondern alle sind gleichwertig. Ad-hoc-Netze lassen sich schnell und ohne großen Aufwand aufbauen, für die spontane Vernetzung weniger Endgeräte sind allerdings andere Techniken (Bluetooth, Infrarot) eher gebräuchlich. Die Voraussetzungen sind dieselben wie für den Infrastruktur-Modus: Alle Stationen benutzen dieselbe SSID und optional dieselben Einstellungen für die Verschlüsselung. Da in dieser Betriebsart keine zentrale Instanz existiert und keine Beacon-Pakete versendet werden, kann ein Client nicht feststellen, ob er sich in Reichweite anderer Stationen mit denselben Einstellungen befindet, wer Teil des Netzes ist und wie es um die Verbindungsqualität bestellt ist. Aus diesen Gründen eignet sich der Ad-hoc-Modus nur für eine sehr geringe Anzahl von Stationen, die sich wegen der begrenzten Reichweite der Sender zudem physisch nahe beieinander befinden müssen. Eine Weiterleitung von Datenpaketen zwischen den Stationen ist nicht vorgesehen und in der Praxis auch nicht ohne weiteres möglich, denn im Ad-hoc-Modus werden keine Informationen ausgetauscht, die den einzelnen Stationen einen Überblick über das Netzwerk geben könnten. Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 32

33 IEEE Wireless LAN (WLAN) b GHz unlizensiertes Spektrum bis zu 11 Mbps Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) auf der Bitübertragungsschicht Alle Hosts benutzen dieselbe Chipping-Sequenz a 5-6 GHz bis zu 54 Mbps g GHz bis zu 54 Mbps n: mehrere Antennen GHz bis zu 200 Mbps alle verwenden CSMA/CA für den Mehrfachzugriff alle ermöglichen Infrastruktur- und Ad-Hoc Modi Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 33

34 LAN-Architektur Internet drahtloser Host kommuniziert mit Basisstation Basisstation = Access Point (AP) BSS 1 AP AP Hub, Switch oder Router Basic Service Set (BSS) (auch Zelle ) im Infrastruktur-Modus umfasst: drahtlose Hosts Access Point (AP): Basisstation Ad-Hoc-Modus: nur Hosts Extended Service Set (ESS) Kopplung von mehreren BSS BSS 2 Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 34

35 802.11: Kanäle, Assoziation b: 2.4 GHz GHz-Spektrum, unterteilt in 11 Kanäle auf unterschiedlichen Frequenzen AP-Administrator wählt die Frequenz für den AP Interferenz möglich: die Frequenz kann dieselbe sein wie für einen benachbarten AP! Host: muss sich mit einem AP assoziieren scannt die Kanäle und sucht sogen. Beacon-Rahmen, die Name (SSID) und MAC-Adresse des AP enthalten wählt AP für die Assoziation authentifiziert sich gegebenenfalls, verwendet dann üblicherweise DHCP, um eine IP-Adresse aus dem Subnetz des AP zu erhalten Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 35

36 802.11: Kanäle, Assoziation (Forts.) Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 36

37 802.11: Passives/Aktives Scannen BBS 1 BBS 2 BBS 1 BBS 2 AP AP 2 AP AP 2 H1 H1 Passives Scannen: (1) Beacon-Rahmen werden von den APs gesendet (2) Association-Request-Rahmen von H1 an den gewählten AP (3) AP antwortet mit Association-Response-Rahmen Aktives Scannen: (1) Probe-Request-Rahmen wird von H1 als Broadcast verschickt (2) APs antworten mit Probe-Response-Rahmen (3) Association-Request-Rahmen von H1 an den gewählten AP (4) AP antwortet mit Association-Response-Rahmen Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 37

38 802.15: Personal Area Network weniger als 10 m Durchmesser ersetzt Kabel (Maus, Tastatur, Kopfhörer, ) Ad-Hoc: keine Infrastruktur S P Master/Slaves: Slaves bitten um Erlaubnis, zu senden (vom Master) P M Abdeckungsradius Master gewährt Zugriff : aus der Bluetooth- Spezifikation entstanden GHz-Band S P S P bis zu 721 kbps M Master S Slave P Geparktes Gerät (inaktiv) Kommunikationsnetze M.Rotert SS2015 Teil 8: Mobiles Internet 38