Universität Stuttgart. Prüfung. Communication Networks I

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1 Universität Stuttgart INSTITUT FÜR KOMMUNIKATIONSNETZE UND RECHNERSYSTEME Prof. Dr.-Ing. Andreas Kirstädter Prüfung Prüfer: Termin: Dauer: Verlangte Aufgaben: Zugelassene Hilfsmittel: Communication Networks I Professor Dr.-Ing. Andreas Kirstädter. März 0 0 Minuten Alle Aufgaben Alle, bis auf kommunikationsfähige Geräte Aufgabe IP-Adressierung und -Routing Gegeben sei die in Bild dargestellte IP-Inter-Domain-Netztopologie bestehend aus drei Autonomen Systemen (AS) mit den Routern A bis J. Verbindung zum Rest des Internet p AS z s F E r t H q G m n b c a j C AS g 6 A 4 B k i D h f d e 4 o 4 I u K v w x J AS y Bild A IP Router Inter-Domain-Netztopologie Ports Leitung / Subnetz 4 5

2 Die verfügbaren Angaben (unvollständig) für die Adressierung der Subnetze a bis z (Präfixe in CIDR-Notation) finden Sie nachfolgend in Tabelle. Nicht spezifizierte Präfixlängen sind mit "/?" gekennzeichnet Subnetz Präfix Subnetz Präfix a /5 o /? b /5 p /? c /4 q /? d /5 r /? e /5 s /? f /4 t /? g /? u /? h /? v /? i /? w /? j /? x /6 k /? y /6 m /? z /4 n /? Tabelle Subnetze in CIDR-Notation Betrachtet werden zunächst die Subnetze a bis f des AS, an denen ausschließlich Endgeräte (Hosts) angeschlossen seien. Frage a) Welche Länge (Bit) hat der Hostteil der IP-Adressen jeweils in den Subnetzen a bis f? b) Spezifizieren Sie jeweils die Subnetzmasken für die Netze a bis f. c) Welche Maximalanzahl von Endgeräten (Hosts) kann insgesamt in den Subnetzen a bis f direkt angeschlossen werden? Bitte begründen Sie kurz Ihre Antwort. Nun werden die Verbindungsleitungen zwischen den Routern in AS betrachtet: Frage a) Warum sind die Punkt-zu-Punkt Leitungen g bis k auch als Subnetze aufzufassen und mit entsprechenden IP-Adressen zu versehen? b) Welche besondere Eigenschaft haben Adressen aus dem Adressbereich /8? Warum können für die Subnetze g bis k Präfixe aus diesem Adressbereich verwendet werden? c) Warum können für die Subnetze u, v und w dieselben Präfixe wie für die Subnetze g, h und i verwendet werden? Frage Welche IP-Adressen haben die Ports bis 4 des Routers A, wenn hierfür jeweils die höchstmöglichen Adressen im jeweiligen Subnetz verwendet werden? Geben Sie hierfür auch die vollständigen Präfixe der Subnetze g und j an. Aufgabe Seite

3 Das Inter-Domain Routing erfolge auf der Basis des Border Gateway Protokolls BGP-4. Frage 4 Welche Präfixe kündigen die Autonomen Systeme AS, AS und AS jeweils über BGP an die benachbarten AS an, wenn Supernetting soweit wie möglich eingesetzt wird? Berücksichtigen Sie dabei nur Informationen über das eigene AS. Begründen Sie dabei, in welchen Fällen Supernetting angewandt werden kann und in welchen nicht. Frage 5 Wie erhält der Router A in AS über das Subnetz y in AS Kenntnis? Beschreiben Sie hierzu textuell eine Möglichkeit des Zusammenwirkens der Intra-AS- Protokolle mit BGP-4. Nehmen Sie nachfolgend an, dass die Border Router zum Verlassen eines AS über Hot-Potato- Routing ermittelt werden. Des Weiteren sendet ein Router ein Paket nicht über den Port aus, über den er dasselbe Pakete empfangen hat. Frage 6 a) Welchen Weg nehmen Pakete eines Rechners am Subnetz a in AS zu einem Rechner im Subnetz y in AS? Geben Sie die Abfolge der durchlaufenen Subnetze an. b) Gewährleistet das Routing, dass Pakete in Rückrichtung (d.h., von y nach a) dieselben Subnetze durchlaufen? Bitte begründen Sie Ihre Antwort. c) Nennen Sie eine Möglichkeit, wie die Abfolge von Subnetzen für den Weg von y nach a erzwungen werden kann. Frage 7 a) Was versteht man unter einem Longest-Prefix-Match bei der Weiterleitung von IP-Paketen in einem Router? b) Was sind die Vorteile des Longest-Prefix-Match? c) Router A verwende den Longest-Prefix-Match zur Paketweiterleitung. Spezifizieren Sie die hierzu vom Router auszuwertende Tabelle wobei die Zahl der Einträge minimal zu halten ist. Zum Erreichen eines Subnetzes im eigenen AS soll der kürzeste Pfad verwendet werden. Die Tabelle soll das folgende Format haben: Präfix Next-Hop Port Hinweise zu Frage 7c): Die Tabelle besitzt keine Einträge für die Subnetze g bis k. Der Einfachheit halber sollen die Next-Hop-Einträge durch die Nennung von Router-Name und Router-Port-Nummer erfolgen. Präfix-Informationen sind in CIDR-Notation anzugeben Aufgabe Seite

4 Aufgabe Webseitensperrung mittels Domain Name System (DNS) Das Internet umfasst eine Vielzahl an unterschiedlichsten Webseiten. Einige davon weisen Inhalte auf, die nach deutschen Gesetzen illegal sind. Da die entsprechenden Server jedoch im Ausland stehen und damit nicht der deutschen Rechtssprechung unterliegen, sind die entsprechenden Webseiten dennoch aus Deutschland heraus abrufbar. 00 wurde in Deutschland ein Gesetz erlassen, dass einen einfachen Zugang zu solchen Webseiten verhindern soll. Stattdessen sollten die Surfer auf eine Webseite mit einem entsprechenden Hinweis umgeleitet werden ("Stoppschild"). Die Umleitung sollte dabei mit DNS realisiert werden. Hierzu sollten die DNS-Server der großen Internetprovider innerhalb Deutschlands angepasst werden. Frage a) DNS wird zur Namensauflösung benötigt. Warum ist diese Namensauflösung überhaupt notwendig? b) Weshalb erfolgt die Namensauflösung hierarchisch? c) Warum wird für DNS als Transportschichtprotokoll normalerweise UDP und nicht TCP verwendet? d) Ist das Abrufen einer Webseite prinzipiell auch ohne DNS möglich? Begründen Sie Ihre Antwort. Im Folgenden soll das Umleiten zu einer anderen Webseite näher betrachtet werden. Frage Wie kann eine solche Umleitung mittels DNS überhaupt realisiert werden? Welche Anpassungen müssen dafür in einem DNS-Server vorgenommen werden? Zugriffe auf die Webseite sollen umgeleitet werden. Dabei sei ".xy" eine andere länderspezifische Top-Level-Domain als die Deutschlands (".de"). Frage a) Begründen Sie, ob diese Umleitung auch aus anderen Staaten als Deutschland wirksam ist. b) Wie kann ein Internetnutzer innerhalb Deutschlands die Umleitung umgehen? Aufgabe Seite 4

5 Aufgabe OpenFlow Switch Ethernet ist heutzutage das vorherrschende Protokoll im Bereich von LANs. Wesentliche Gründe hierfür sind die einfache Einrichtung und geringe Kosten. So erfordert ein für Heimnetze üblicher Vermittlungsknoten (Ethernet-Switch) überhaupt keine Konfiguration. Frage a) Welche Änderungen nimmt ein Ethernet-Switch an Rahmen vor? b) Wie bestimmt ein Ethernet-Switch den Ausgangsport eines empfangenen Rahmens? Geben Sie alle dabei auftretenden Möglichkeiten an. c) Die Zustellung eines Rahmens basiert alleine auf der MAC-Zieladresse. Welchen Sinn hat die Quelladresse in MAC-Rahmen? OpenFlow ist ein stark an Ethernet angelehnter Ansatz, mit dem sich neuartige Experimente realisieren lassen. Im Folgenden werden mit dem OpenFlow Switch und OpenFlow Controller die beiden wesentlichen Komponenten vorgestellt. Das entsprechende Blockinteraktionsdiagramm ist in Bild dargestellt. OpenFlow Switch Ein OpenFlow Switch funktioniert sehr ähnlich wie ein Ethernet Switch. Seine Hauptaufgabe besteht ebenfalls darin, ankommende Rahmen (Signal Frame) weiterzuleiten. Anstatt einer Forwarding Database besitzt er eine Tabelle (Flow Table) mit Einträgen (Flow Entries). Ein solcher Eintrag besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen. Der erste Teil spezifiziert, auf welche Rahmen der Eintrag angewendet werden soll. Als Auswahlkriterien dienen Felder im MAC und IP Header. Auch Felder aus dem Transportschichtprotokoll können dazu herangezogen werden. Der zweite Teil gibt an, welche Aktionen mit den entsprechenden Rahmen durchgeführt werden sollen. Diese Aktionen können vom einfachen Weiterleiten zu einem anderen Port bis hin zu komplexeren Manipulationen reichen. Bei Ankunft eines neuen Rahmens am OpenFlow switch wird zunächst in der Tabelle nach einem passenden Eintrag gesucht (Task Find_FE). Gibt es einen solchen Eintrag, wird die entsprechende Aktion durchgeführt (Task Apply_FE). Am OpenFlow Switch können auch Rahmen eintreffen, für die es keinen entsprechenden Eintrag in der Tabelle gibt. Ein solcher Rahmen wird zunächst im Switch gespeichert (Task Save_Frame). Eine Kopie des Rahmens wird in einen neuen MAC Rahmen eingepackt (MAC-in-MAC encapsulation) und an den OpenFlow Controller geschickt (Task Generate_FE_Request und Signal FE_Request). Der OpenFlow Controller schickt als Antwort auf eine solche Nachricht einen neuen Flow Entry (Signal FE_Response). Dieser neue Eintrag, der angibt, wie vergleichbare Rahmen in Zukunft behandelt werden sollen, wird in die Tabelle eingefügt (Task Insert_FE). Gespeicherte Rahmen werden darauf überprüft, ob der neue Eintrag auf sie zutrifft. Ist dies der Fall, wird die entsprechende Aktion durchgeführt und der Rahmen aus dem Speicher gelöscht (dies geschieht alles im Task Apply_FE_on_saved_frames). OpenFlow Controller Der OpenFlow Controller ist für das Setzen von Flow Entries in den Switchen zuständig. Dazu empfängt er die von den Switchen eingekapselten Rahmen, analysiert diese und bestimmt nach hier nicht näher betrachteten Regeln einen dazu passenden Flow Entry, den er wiederum an den entsprechenden Switch sendet. Aufgabe Seite 5

6 Frame Switch FE_Request FE_Response Controller Block OpenFlow Switch Block Controller Bild Blockinteraktionsdiagramm von OpenFlow Switch und Controller Zwischen OpenFlow Switch und Controller gibt es ein Kommunikationsprotokoll (inklusive Fehlersicherung etc.), das im Folgenden aber nicht näher betrachtet werden soll. Es kann angenommen werden, dass jede Anfrage nach einer gewissen Zeit beantwortet wird. Während der Switch auf eine Antwort des Controllers wartet, können neue Rahmen am Switch eintreffen. Zunächst sollen während des Wartens ankommende Rahmen weder verarbeitet noch gespeichert sondern einfach verworfen werden. Erst nach Erhalt der FE_Response soll der Switch wieder in der Lage sein, neu ankommende Rahmen normal zu verarbeiten. Frage Geben Sie den SDL Prozessgraph für den OpenFlow Switch an. Der Switch soll nun in der Lage sein, auch solche Rahmen zu verarbeiten, die während des Wartens auf eine FE_Response eintreffen. Dadurch können auch mehrere parallele Anfragen entstehen, wobei eine Zuordnung der entsprechenden Antworten nicht notwendig ist. Die Annahme, dass jede Anfrage nach einer gewissen Zeit beantwortet wird, gilt nach wie vor. Frage Geben Sie den SDL Prozessgraph für den geänderten OpenFlow Switch an. Um die Flow Table klein und aktuell zu halten ist jeder Flow Entry mit einer Gültigkeitsdauer versehen, deren initialer Wert t FE beträgt. Nach Ablauf dieser Zeit wird der Eintrag aus der Flow Table entfernt (Task Delete FE). Bei Empfang eines zu einem bestimmten Flow Entry zugehörigen Rahmens wird die entsprechende Gültigkeitsdauer wiederum auf t FE gesetzt. Frage 4 Erweitern Sie den Graph aus Frage um die oben beschriebene Funktionalität. Zur Vereinfachung kann auf eine Unterscheidung der einzelnen Timer je Eintrag verzichtet werden. Aufgabe Seite 6

7 MAC C OpenFlow Controller C MAC C τ S-C τ S-C MAC S OpenFlow Switch S τ S-S MAC S OpenFlow Switch S τ A τ B MAC A MAC IP A A B B IP B Bild Netzszenario mit Adressen und Ausbreitungsverzögerung Im Folgenden wird das in Bild dargestellte Netzszenario verwendet. Rahmenaussendedauern können vernachlässigt werden. Der Controller C benötigt die Zeit t C um eine Anfrage abzuarbeiten. Die Verarbeitungszeiten in allen anderen Entitäten können vernachlässigt werden. MAC-Adressen sind bereits allen Geräten bekannt und müssen nicht mehr aufgelöst werden. Endgerät A will nun ein IP-Paket zu Endgerät B senden. Frage 5 a) Zeichnen Sie hierfür ein Nachrichtensequenzdiagramm mit allen beteiligten Entitäten unter der Annahme, dass S noch keinen passenden Eintrag aufweist. S hat bereits einen passenden Eintrag. b) Tragen Sie die entsprechenden Zeitdauern in das Diagramm aus a) ein. Wie lange dauert es vom Aussenden des IP-Pakets durch Endgerät A bis zum Empfang bei Endgerät B? Frage 6 a) Skizzieren Sie den Ethernetrahmen auf der Leitung zwischen Endgerät A und Switch S, der das oben beschriebene IP-Paket enthält. Die Skizze soll neben Ethernetrahmen und IP-Paket insbesondere auch die Adressfelder auf MAC und IP Schicht umfassen. Geben Sie zusätzlich an, welche Adressen in den Adressfelder stehen. b) Skizzieren Sie analog zu a) den Rahmen, den S an C schickt. Wie oben bereits erwähnt, dienen zur Auswahl des entsprechenden Flow Entries nicht nur die MAC-Adressen, sondern auch IP-Adressen und Felder aus dem Transportprotokoll. Der Open- Flow Switch S soll nun die Rolle einer Firewall übernehmen und alle eingehenden TCP-Verbindungsanfragen an Endgerät A unterbinden. Ausgehende Verbindungen sollen dagegen möglich sein. Frage 7 Beschreiben Sie qualitativ, welcher Eintrag bzw. welche Einträge dazu in S notwendig sind. Aufgabe Seite 7

8 Aufgabe 4 Transmission Control Protocol Im Folgenden wird das in Bild 4 dargestellte Szenario betrachtet. Ein Client ist über Wireless LAN (WLAN) an einen Router angebunden. Der Router verbindet das WLAN mit dem Internet. Der Client lädt Dateien von einem Daten-Server, der über das Internet erreicht wird. Da es zu Paketverlusten kommen kann, wird zur Kommunikation zwischen Client und Daten-Server das Transmission Control Protocol (TCP) verwendet. WLAN Client Router Internet Bild 4 Client-Server Szenario Daten-Server Frage a) Welche Möglichkeiten hat ein TCP-Sender, um Paketverluste zu erkennen? b) Das Szenario in Bild 4 lässt mehrere Gründe zu, warum ein IP-Paket mit Nutzdaten auf dem Weg vom Daten-Server zum Client verloren gehen kann. Nennen sie zwei unterschiedliche Ursachen für den Verlust von IP- Paketen, die durch TCP mittels einer erneuten Übertragung behoben werden müssen. c) Nehmen Sie an, dass TCP die in Frage b) genannten Ursachen für einen Paketverlust kennen würde. Wie sollte TCP die Datenrate jeweils anpassen? Begründen Sie Ihre Antwort. Frage a) Erklären Sie kurz den Unterschied zwischen kumulativen Quittierungen und selektiven Quittierungen. b) Welchen Vorteil haben kumulative Quittierungen gegenüber Einzelquittierungen? IP-Pakete, die vom Daten-Server an den Client geschickt werden, können auf verschiedenen Wegen durch das Internet geleitet werden. Diese Wege können sich in der Verzögerungszeit unterscheiden. Dadurch ist es möglich, dass Pakete in verkehrter Reihenfolge beim Client eintreffen. Frage Welche Problematik kann sich hier bei der Überlastkontrolle von TCP ergeben, falls der Client kumulative Quittierungen verwendet? Frage 4 Verzögertes Aussenden von Quittierungen kann Overhead reduzieren. Welche Nachteile entstehen durch das Verzögern von Quittierungen? Betrachten Sie dabei auch die Startphase der TCP-Verbindung. TCP implementiert verschiedene Mechanismen zur Anpassung der Datenrate eines TCP-Senders. Im Folgenden soll die Flusssteuerung und Überlastkontrolle von TCP näher betrachtet werden. Aufgabe 4 Seite 8

9 Frage 5 a) Wozu dient die Flusssteuerung? b) Die Flusssteuerung von TCP erfolgt über explizite Signalisierung im Header von TCP-Paketen. Warum wird dieser Ansatz nicht auch für die Überlastkontrolle verwendet? Begründen Sie Ihre Antwort. c) Die Round-Trip Time (RTT) sei im Vergleich zur Aussendedauer sehr groß. Welche Vorteile hat die Flusssteuerung von TCP gegenüber einer reaktiven Flusskontrolle, die den Sender mittels Receive Ready und Receive Not Ready Nachrichten drosselt? Aufgabe 4 Seite 9