Grundkurs Routing im Internet mit Übungen

Transkript

1 Grundkurs Routing im Internet mit Übungen Falko Dressler, Ursula Hilgers Regionales Rechenzentrum der FAU 1

2 Tag 1 1. Internetprotokoll IPv4 2. TCP/IP, UDP 3. Routing 4. Routerarchitektur 5. Konfiguration von Cisco-Routern 2

3 Überblick 1. Internetprotokoll IPv4 TCP/IP-Schichtenmodell IP Adressen ARP ICMP 3

4 IPv4 (I) TCP/IP-Schichtenmodell ist älter und einfacher als das ISO-OSI- Referenzmodell: Application Transport Network Link telnet, ftp, http TCP, UDP IP, ICMP, IPv6 Ethernet 4

5 IPv4 (II) Aufgaben der Schichten Link Layer: realisiert die physikalische Datenübertragung incl. Verpackung der Daten, Zugriff auf das Netzwerk Network Layer: Adressierung und Wegbestimmung der Pakete, Fragmentierung Transport Layer: Datenfluss zwischen Endsystemen, evtl. Übertragungssicherung, Flusssteuerung Application Layer: Abwicklung der speziellen Anwendung 5

6 IPv4 (III) Rechner A Application Anwendungsprotokoll Rechner B ftp Transport Transportschichtprotokoll Router TCP Network IP-Protokoll Network IP-Protokoll IP Link Link-Protokoll Interface Link-Protokoll Ethernet-Treiber Netzwerk 1 Netzwerk 2 (Ethernet) 6

7 IPv4 (IV) IPv4: Internet Protokoll Version 4 Datagram-Orientiertes Protokoll: IP ist verbindungslos, d.h. jedes Paket wandert unabhängig von seinem Vorgänger und Nachfolger durch das Netz (Routing). Bei dem Weg durch das Netz kann es vorkommen, dass ein Paket in mehrere zerlegt (fragmentiert) und wieder zusammengesetzt werden muss. Weiterhin kann sich die Reihenfolge der Pakete ändern (reordering). 7

8 IPv4 (V) Aufbau des IPv4-Headers: VERS HLEN Service Type Total Length Identification FGS Fragment Offset Time To Live Protocol Header Checksum Source IP Address Destination IP Address IP Options (so vorhanden) Padding Data Fragmentierung: Maximum Transfer Unit (MTU) gibt maximimale Fragmentgröße an 8

9 IPv4 (VI) Bedeutung der Felder: VERS: Versionsnummer (z.zt. 4) HLEN: Länge des Paket-Headers in 32 Bit-Worten Total Length: Länge des ges. Paketes in Bytes (max ) Identification: eindeutige Kennung eines Paketes FGS: (Flags) legen fest, ob ein Paket fragmentiert werden darf, etc. Fragment Offset: Offset des akt. Fragments in Vielfachen von 8 Bytes Time To Live (TTL): maximale Lebensdauer eines Paketes; wird von jedem Router um 1 erniedrigt; wenn TTL=0, wird das Paket verworfen und eine Fehlermeldung (ICMP) an den Absender geschickt Protocol: Kennung für das Protokoll der übergeordneten Schicht (TCP=6, UDP=17) Header Checksum: Prüfsumme für den Paket-Header Source IP Address: Absenderadresse Destination IP Address: Zieladresse IP Options: Optionen Data: Anwendungsdaten 9

10 IPv4 (VII) IPv4-Adressen Ziel: Jede Rechnerschnittstelle muss eindeutig identifizierbar sein, Bsp.: Classfull Adressierung: Class A 0 7 Bit Netz-Id 24 Bit Host-Id Class B Bit Netz-Id 16 Bit Host-Id Class C Bit Netz-Id 8 Bit Host-Id Class D Bit Multicast Group-Id Class E Reserviert für spätere Verwendung 10

11 IPv4 (VIII) Classfull Adressierung Ausschöpfung des Adressraums Verschwendung von Adressraum Classless Interdomain Routing (CIDR) IP-Adressen werden in einen Netzwerkteil (höherwertige Bits) und einen Rechneranteil (niederwertige Bits) gegliedert. Netzwerkmaske ist ein Bitmuster, das angibt, wieviele Bits zur Kennzeichnung der Netzwerkadresse verwendet werden und somit, zu welchem Subnetz eine IP-Adresse gehört. 11

12 IPv4 (IX) Netzadresse eines Gerätes ist die IP- Adresse bitweise logisch UND verknüpft mit der Netzmaske Bsp.: 1. Netzmaske IP-Adresse Netzadresse: (IP-Adresse: /24) 2. Netzmaske IP-Adresse Netzadresse (IP-Adresse: /23) 12

13 IPv4 (X) Broadcast-Adressen Netzwerkadresse logisch ODER verknüpft mit der invertierten Netzwerkmaske: Rechner-IP-Adresse Netzwerk: Rechner: Broadcast: Netzmaske 13

14 IPv4 (XI) Subnetze Ziel: Strukturierung des Adreßraums Der Adreßraum einer Organisation wird durch eine sogenannte Subnetzmaske aufgeteilt. Die Subnetzmaske legt fest, welche Bits als Netzadresse verwendet werden. Alle Bits auf 0 im Host-Id-Teil einer IP-Adresse bestimmen die Netzadresse und alle Bits auf 1 im Host-Id-Teil ergeben die Broadcast-Adresse 14

15 IPv4 (XII) Routen Aggregierung wird ermöglicht durch Hierarchische Adressierung Reduzierung der Einträge in der Routing-Tabelle /16 - FAU /23 - Server- Netz /16 - PC- Netz 15

16 IPv4 (XIII) 16

17 IPv4 (IVX) 17

18

19 IPv4 (XVI) The Address Resolution Protocol, ARP, allows a host to find the physical address of a target host on same physical network, given only the target s IP address. Ziel: Zu einer gegebenen logischen (IP-) Adresse die zugehörige Hardware-Adresse (z.b. MAC-Adresse) ermitteln. Wie: Der Ausgangsrechner schickt einen Broadcast mit der gesuchten IP-Adresse. Der Zielrechner antwortet mit seiner Hardware-Adresse. Wichtig: ARP baut nicht auf IP auf! 19

20 IPv4 (XVII) The Internet Control Message Protocol, ICMP, allows gateways to send error or control messages to other gateways or hosts. ICMP-Pakete sind normale IP-Pakete, bei denen das Protokoll-Feld auf 1 gesetzt ist (network layer above IP). ICMP-Pakete enthalten ein Typ-Feld und ein Code-Feld, das die Fehlermeldung genauer spezifiziert. 20

21 Überblick 2. TCP/IP, UDP TCP/IP Socket-Konzept Port-Konzept Verbindungsauf- und abbau UDP 21

22 TCP (I) TCP: Transmission Control Protocol Erstes Transportprotokoll auf IP Definiert Ende-zu-Ende-Verbindung Bietet gesicherte Übertragung Flußkontrolle mittels Van-Jacobson- Algorithmus Dominiert im Weitverkehrsbereich Stellt eine Datenstromschnittstelle zur Verfügung, die mittels Prozeduren von Applikationen genutzt werden kann 22

23 TCP (II) Socket-Konzept: Ein Socket dient zur eindeutigen Identifikation eines Dienstes auf einem Rechner Ein Prozeß (eine Anwendung) wird auf einem Rechner durch eine eindeutige Portnummer identifiziert Formal: Eine Association (eine TCP- Verbindung) wird durch ein 5-Tupel charakterisiert: {Protokoll; lokale Adresse; lokaler Prozeß; remote Adresse; remote Prozeß} 23

24 TCP (III) Beispiel: {tcp; ; 1022; ; 22} lisa$ netstat -an grep Local Address Remote Address Swind Send-Q Rwind Recv-Q State ESTABLISHED ESTABLISHED 24

25 TCP (IV) Aufbau eines TCP-Paketes HLEN Source Port Destination Port Sequence Number Acknowledge Number Reserved Code Bits Window Checksum Urgent Pointer Options Padding Data 25

26 TCP (V) Source Port / Destination Port: Prozeßidentifikation auf Quell- und Zielrechner. Sequence Number / Acknowledge Number: dienen der Flußkontrolle HLEN: Länge des Headers in 32 Bit-Worten Window: aktuelle Fenstergröße bei der Datenübertragung Checksum: Prüfsumme (beinhaltet auch einen Teil des IP-Headers) Urgent Pointer: dient zur Übertragung von beschleunigten Daten 26

27 TCP (VI) Receive SYN + ACK segment Rechner 1 Rechner 2 Send SYN seq=x Verbindungsaufbau Receive SYN segment Send SYN seq=y, ACK x+1 Send ACK y+1 Send Packet x+1 Receive ACK x+2 Send FIN seq=x Receive ACK segment Receive FIN + ACK segment Send ACK y +1 Datenübertragung Verbindungsabbau 27 Receive ACK segment Receive Packet x+1 Send ACK x+2 Receive FIN segment Send ACK x +1 Inform Application Send FIN ACK x +1 Receive ACK segment

28 UDP UDP: User Datagram Protocol ungesichertes Transportprotokoll effizienter als TCP im LAN-Bereich keine Flußkontrolle Anwendung muss Datenverluste selber behandeln Einsatz für Multimedia-Anwendungen 28

29 Überblick 3. Routing Was ist Routing? Statisch/dynamisches Routing 29

30 Routing (I) Was ist Routing? Kommunikation der Rechner via IP nur im lokalen Subnetz Spezialrechner (Router) als Gateways zwischen diesen Subnetzen Router verwaltet Routing Tabelle Router entscheiden anhand der Ziel-IP-Adresse im ankommenden Paket, wie dieses Paket weitervermittelt werden soll. 30

31 Routing (I) (1), (2) (3) (5) (4) Host A Router Host B Host A stellt fest, daß Host B nicht im selben Netz Host A ermittelt next-hop über seine Routing-Tabelle Host A schickt Paket an next-hop, also an den Router Router stellt fest, daß Host B im selben Netz, falls nicht, würde der Router bei (2) fortfahren Router liefert Paket an Host B aus 31

32 Routing (II) Warum Routing? Logische (effiziente) Trennung von Subnetzen Verhinderung von Broadcast-Stürmen Optimierung der Netzwerkleistung durch automatische Leitungswahl (redundante Anbindung) Wie wird geroutet? Statisches Routing: Routing-Einträge werden vom Administrator von Hand erstellt und verwaltet Dynamisches Routing: Die Router tauschen Routing-Informationen über Routingprotokolle aus. 32

33 Routing (III) Vorraussetzungen fürs Routing: Läuft Routing-Protokoll? Ist Ziel-Netzwerk bekannt auf dem System? Auf welches ausgehende Interface zeigt der beste Weg? 33

34 Routing (IV) Für das Routing müssen folgende Informationen vorhanden/bekannt sein bzw. Aufgaben durchgeführt werden: Zieladresse der zu senden Information Quellen, von denen Routen gelernt werden Routen zur Weiterleitung des Verkehrs Bestimmen der besten Route (auch von Zielen, die nicht direkt verbunden sind) Routing-Informationen verwalten Default-Route: Spezielle statische Route, wird verwendet, wenn keine andere Route vorhanden ist 34

35 Routing (V) Statisches vs. Dynamisches Routing Dynamisches Routing kann durch falsche Informationen gestört werden Dynamisches Routing erzeugt Netzlast Statisches Routing funktioniert nur bei einfachen Netztopologien Keine Backup-Pfade bei statischem Routing Statisches Routing ist arbeitsintensiv bei Änderungen und fehleranfällig 35

36 Überblick 4. Router-Architektur Komponenten Cisco-Router Architektur 4000, 7500, 7010 Aufbau der Interfaces Router-Speicher 36

37 Komponenten Aufgabe eines Routers: Weiterleitung (Routing) eingehender IP Pakete Komponenten Interfaces Warteschlangen/Pufferbereiche Route Processor CPU Speicher.. Kommunikationsmedium zwischen Interfaces (Bus oder Switch-Matrix) 37

38 Cisco-Router (I) Netzwerkschnittstelle Input/Output Ports Scheduler Switching Matrix/ BUS Input/Output Ports.. Routing Processor 38

39 Cisco-Router (II) Layer 1/Layer 2 En-/Dekapsulierung Layer 3 Funktionen: Routing (bestimmen des ausgehenden Interfaces), Class of Service (Queueing), Möglichkeit Pakete zwischenzubuffern Interface zur Switching Matrix/Bus, Zugriff gewährt Scheduler 39

40 Cisco-Router Prozess, der Wahl des ausgehenden Interfaces (next hop) bestimmt: Switching Daten vom Speicher des eingehenden Boards zu dem des ausgehenden über einen Shared Bus Geschwindigkeit bei Cisco 7500: 1 Gbps Verschiedene Switching-Pfade 40

41 Cisco-Router (III) Switching-Pfade Process Switching: alle Pakete werden durch Prozess im Operating System geswitched (normales Scheduling) Interrupt Context Switching: Soll Paket geswitched werden, wird aktueller Prozess im Scheduler unterbrochen Cache! Bsp.: Fast Switching, Cisco Express Forwarding (CEF) Distributed Switching : Eingehendes Interface switched unabhängig von Haupt-CPU 41

42 Cisco-Router (IV) Router-Speicher RAM/DRAM ((Dynamic) Random Access Memory): Arbeitsspeicher, enthält im Betrieb Image des Betriebssystems, die aktuelle Konfiguration und wird als Paketpuffer verwendet NVRAM (nonvolatile RAM): enthält Konfigurationsdatei (Startup-Konfiguration) und Konfigurationsregister Flashspeicher: nichtflüchtiger Speicher, der bspsweise für zweite Kopie der BS-SW eingesezt (vereinfacht Management) 42

43 Cisco-Router (V) Router-Speicher ROM (Read only Memory): Speichert Bootstrap (ermöglicht Starten nach Crash mit Minimalkonfiguration ROM Monitor) Enthält: Bootstrap code POST (Power on Self Test): Microcode um Router HW und grundsätzliche Funktionalität des Routers zu testen ROMMON: Low level OS Mini IOS: boot helper 43

44 Cisco-Router (VI) Erstellen von Datenstrukturen aus der Routing-Tabelle für die Bestimmung des Next Hop: Forwarding Information Base (FIB) FIB enthält Erreichbarkeitsinformationen auf Ebene 3 Layer2 Adress-Informationen um Layer2 Header im ausgehenden Interface zu schreiben (MAC-Adresse) 44

45 Überblick 5. Konfiguration von Cisco-Routern Kommunikation mit dem Router Dateien/Filesysteme Konfiguration Sicherheit Command Line Interface 45

46 Routerkonf (I) Kommunikation mit einem Router Über ein Terminal (serielles Kabel am Konsolanschluss) am gleichen Standort wie der Router Per Modem (serielle Leitung, AUX-Anschluss) Über das Netzwerk (telnet) Aufbau eines virtuellen Terminals VTY -Leitung bei Cisco = virtuelle Terminalsitzung innerhalb der Software des Betriebssystems 46

47 Routerkonf (II) Wichtige Dateien: Betriebssystem im Router (Cisco: Internet Operating System IOS): was ist zu tun Steuerung des Routers: Weiterleitung der IP-Pakete Benutzung einer Benutzerschnittstelle (Command Line Interface CLI) Eine Datei: rsp-pv-mz bin 47

48 Routerkonf (III) Konfigurationsdatei: wie ist es zu tun Managementanweisungen vom Netzwerk- Administrator an den Router Dynamische Dateien Ändern sich kontinuierlich Vom Router selbständig erstellt: Routing Tabellen ARP Tabellen 48

49 Routerkonf (IV) Verschieden File-Systeme des Routers: RAM NVRAM Flash TFTP-Server 49

50 Routerkonf (V) TFTP (Trivial File Transfer Protocol) zur Sichterung/Aktualisierung des IOS TCP/IP Applikation, abgemagerte Version von ftp schneller und beansprucht weniger Ressourcen TFTP-Server: Computer im Internetzwerk, die IOS-Images und Konfigurationen speichern 50

51 Routerkonf (VI) Möglichkeiten, einen Router zu konfigurieren: Direkte Eingabe von Änderungen an der aktiven Config-Datei eines Routers über ein Command Line Interface (CLI) Durch Download einer neuen Config- Datei von einem TFTP-Server Durch Neuerstellung der Config-Datei von Grund auf 51

52 Routerkonf (VII) Erste Schritte Verbindung zum Router über die Konsole Keine GUI! Hierarchie von Befehlen Benutzer-EXEC nur Teilmenge von Befehlen: ping, show, privilegiertes EXEC: configure, erase, Kontextsensitive Hilfe 52

53 Routerkonf (IIIV) Konfigurationsschritte: 1. Router-Status untersuchen 2. In Config-Modus wechseln 3. Auf den zu ändernden Parametern in der Config-Datei zeigen 4. Änderungen eingeben 5. Änderungen überprüfen 6. Änderungen speichern 7. Änderungen verteilen 8. Status des Routers nach Änderung prüfen 53

54 Routerkonf (IX) Verschiedene Konfigurationsmodi Global, Schnittstelle, Routen-Plan, Zwei verschiedene Konfig-Dateien Aktive Config (Steht im RAM) Startup-Config (steht im NVRAM) Kopie Active -> Startup: write memory 54

55 Sicherheit Sicherheit durch Passwörter Konsolanschluss/AUX-Anschluss: (Kennworttyp: line) Anmeldung über eine lokale Leitung/Modemverbindung, die mit dem Konsolanschluss/AUX-Port verbunden ist Netzwerkanmeldung: (Kennworttyp: virtuelles Terminal) Anmeldung mit telnet auf einer VTY- Leitung Priviledged EXEC: (Kennworttyp: enable/enable secret) mächtigerer Konfigurationsmodus 55