IP-Protokoll PROF. DR. M. FÖLLER NORD INSTITUT EMBEDDED AND MOBILE COMPUTING

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1 IP-Protokoll Routing in Datagramm-Netzwerken PROF. DR. M. FÖLLER NORD INSTITUT EMBEDDED AND MOBILE COMPUTING

2 Transportieren eines Pakets vom Sender zum Empfänger Vermittlungsschicht- Protokolle in jedem Host, Router Internet-Stack Applikation Layer (HTTP, FTP, POP3,...) Drei wichtige Funktionen: Formate&Konventionen: für die Daten und dden Datenaustausch Pfadbestimmung: der Network Layer Pakete von Quelle zu Ziel: (IP, ICMP) Routing Algorithmen Signalisierung: Handshake der Router auf dem Pfad vor PHY Datentransmission, Fehlerbehandlung Transport Layer (TCP, UDP) Data Link Layer (Ethernet, WLAN,...) 2

3 Host, Router Funktionen der Vermittlungsschicht : Transport layer: TCP, UDP Network Layer Routing Protokolle Pfadauswahl RIP, OSPF, BGP Adress-Übersetzung ARP IP Protokoll Adressierung Datagramm Format Packet handling Konventionen routing ICMP Protokoll table Fehlerbehandlung Router Signalisierung Link layer physical layer 3

4 IP protocol version number 32 bits header length head. type of ver (bytes) len service length type of data fragment 16-bit identifier flgs offset max number time to upper Internet remaining i hops live layer checksum (decremented at each router) 32 bit source IP address upper layer protocol 32 bit destination IP address to deliver payload to Options (if any) data (variable length, typically a TCP or UDP segment) total datagram length (bytes) for fragmentation/ reassembly E.g. timestamp, record route taken, pecify list of routers to visit. 4

5 IP Adresse: 32-bit Identifierung für Host, Router Schnittstelle (Interface) Interface: Verbindung zwischen Host, Router und physikalischer Verbindungsleitung: IP Adresse bezieht sich auf fschnittstelle, t nicht auf Host/Router Schnittstellenadressen =

6 IP Adresse: Network part (Höherwertige Bits) Host part (niederwertige bits) / /24 Netzwerkadresse /24: 24 Höherwertige Bits werden für Netzwerkpräfix verwendet /24 6

7 Es existieren 4 Klassen von IP-Adressen: class A 0network host B 10 network host C 110 network host to to to D 1110 multicast address 32 bits to

8 /24 Insgesamt 6 Netzwerke / / / / /24 8

9 Fall 1: Ziel im selben Netzwerk IP datagram Format: Routing Tabelle in A Dest. Net. next router Nhops misc fields source IP addr dest IP addr Datagramm ändert sich nicht auf seinem Weg von Quelle zu Ziel data A B misc fields data E 9

10 Fall 2: Ziel nicht im selben Netzwerk Dest. Net. next router Nhops misc fields data A B E

11 Fall 2: Ziel nicht im selben Netzwerk misc fields data Dest. next network router Nhops interface A B E

12 Ursprüngliche Motivation: 32-bit Adressraum wird bis ca vollständig aufgebraucht sein. Zusätzliche Motivation: Header Format hilft das Processing/Forwarding zu beschleunigen Entwickelt in den 90ern, hat sich aber bis heute kaum durchgesetzt IPv6 Datagram format: Kompakter 40 byte Header Hexadezimale Ziffern, getrennt mit Doppelpunkten: 8000:0000:0000:0000:0123:4567:89AB:CDEF 8000::0123:4567:89AB:CDEF Flusskennzeichnung: Spezielle Behandlung, z. B. für Multimedia-Anwendungen 12

13 ver head. len IPv4 type of service 16-bit identifier time to live upper layer flgs length fragment offset Internet checksum 32 bit source IP address 32 bit destination IP address Options (if any) data (variable length, typically a TCP or UDP segment) TC IPv6 32 bits 13

14 Nicht alle Router können simultan upgedated werden Es gibt also keinen Stichtag für die Umstellung D. h.: Netzwerk muß mit gemischen IPv4 und IPv6 Routers operieren. Zwei Ansätze: Dual Stack: Router haben beide Protokolle implementiert (v6, v4), können zwischen den Formaten übersetzen Tunneling: IPv6 Paket wird in das Nutzdatenfeld eines IPv4 Datagramms eingefügt, adressiert an den ersten IPv6 Knoten auf dem Weg. Dort wird IPv6 Paket wieder extrahiert. 15

15 16

16 IPv6 in IPv4 17

17 Host, Router Funktionen der Vermittlungsschicht : Transport layer: TCP, UDP Network Layer Routing Protokolle Pfadauswahl RIP, OSPF, BGP Adress-Übersetzung ARP IP Protokoll Adressierung Datagramm Format Packet handling Konventionen routing ICMP Protokoll table Fehlerbehandlung Router Signalisierung Link layer physical layer 18

18 a C Host h1 C.b b Aa A.a Inter-AS routing between A and B A.c a d A b c Intra-AS routing within AS A B.a a Gateway-Router B c b Intra-AS routing within AS B Host h2 AS: Autonomes System 19

19 C.b A.a B.a h2 7..5:Application a C b A d a b A.c c a B c b 4:Transport 3:Network 2:Data Link 1:Physical h1 Routing Protocol Determine a good path (in a mesh network) between sender and receiver to deliver a data package 20

20 Paketvermittelnde Netzwerke B36 bis Autobahnauffahrt Mannheim A656 bis Ausfahrt Heidelberg Bergheimerstraße bis Czernybrücke Blumenstraße 200m Virtuelle Kanalnummern VC- Netzwerke X.25, ATM Herr M. Ayer Blumenstr Heidelberg Zieladressen Datagramm- Netzwerke Internet: IP-Protokoll 21

21 Routing principles B36 bis Autobahnauffahrt Mannheim A656 bis Ausfahrt Heidelberg Bergheimerstraße bis Czernybrücke Blumenstraße 200m Virtuelle Kanalnummern X.25, ATM Herr M. Ayer Blumenstr Heidelberg Zieladressen VCnetwork Datagrammnetwork Internet: IP-Protokoll 22

22 Globale und dezentrale Algorithmen Global: Alle Router haben vollständige Topologie und Verbindungskosteninformation i ti Link State Algorithmen Dezentral: Router hat nur Informationen über seine physikalisch angeschlossenen Nachbarn Iterativer ti Berechnungsprozess Distance Vector Algorithmen 25

23 Dijkstra s Algorithmus Netzwerktopologie und Kosten des gesamten Netzwerkes ist jedem Knoten bekannt Berechnung des Pfades mit den geringsten Kosten Ergibt Routing Tabelle für diesen Knoten Iteratives Verfahren: Nach k Iterationen, ist der Pfad mit den geringsten Kosten zum k-ten Knoten bekannt Notation: D(v): Aktueller Kostenwert des Pfades von Quelle zu Ziel V p(v): Vorheriger Knoten des Pfades von Quelle zu Ziel v mit momentan geringsten Kosten. N: Satz von Knoten, deren Pfad mit den geringsten g Kosten von der Quelle definitiv bekannt ist. 26

24 Step start N A AD ADE ADEB ADEBC ADEBCF D(B),p(B) 2A 2,A 2,A 2,A D(C),p(C) 5A 5,A D(D),p(D) 1A 1,A D(E),p(E) infinity D(F),p(F) infinity 4,D 2,D infinity 3,E 4,E 3E 3,E 4E 4,E 4,E Bsp.: von A->F: 5 A D E F 3 B 2 A 2 1 D 3 1 C E F 28

25 iterativ: Wird ausgeführt bis keine Knoten mehr Informationen austauschen Selbstbeendend: Kein "Stop"-Signal" verteilt: Jeder Knoten kommuniziert nur mit dem direkten Nachbarn Distanztabelletabelle Jeder Knoten hat eigene Distanztabelle Reihe: für jedes Ziel Spalte für jeden direkt angeschlossenen Nachbarn Bsp: Knoten X, nach Y über Nachbarn Z: X D(YZ) (Y,Z) = = distance from X to Y, via Z as next hop Z c(x,z) + min {D (Y,w)} w 29

26 A 1 E D (A,B) E D (A,D) E D (C,D) 7 B E C D B = c(e,b) + min {D (A,w)} w = 8+6 = 14 D = c(e,d) + min {D (A,w)} w = 2+3 = 5 D = c(e,d) + min {D (C,w)} w = 2+22 = 4 2 node E cost to destination via E D () A B D A B C D

27 E cost to dest. via D () A B D next hop, costs A A A,1 B B D5 D,5 C C D,4 D D D,2 distance table routing table 31

28 X 2 Y 7 1 Z X Z D (Y,Z) = c(x,z) + min {D (Y,w)} w = 7+1 = 8 X Y D (Z,Y) = c(x,y) + min {D (Z,w)} w = 2+1 = 3 32

29 Interior-Gateway-Protokolle Vorwiegend 3 Protokolle werden verwendet: RIP: Routing Information Protokoll Distanzvektor-Protokoll OSPF Open Shortest Path First Link State Protokoll EIGRP Enhanced Interior Gateway Routing Protokoll Proprietär von CISCO 33

30 Erstes Intra-AS-Routing-Protkoll ting im Internet, ist immer noch weit verbreitet (seit 1982) Als TCP-unterstützende Version in die BSD(Berkley Software Distribution) von UNIX eingebunden RIP Vers1: RFC 1058, RIP Vers 2:RFC 1723 Distanzvektor-Protokoll Hop-Anzahl als Kostenmetrik-> jede Verbindungsleitung hat Kosten von 1 34

31 Maximale Kosten eines Pfades: 15-> Begrenzung g auf AS mit weniger als 15 Hops im Durchmesser RIP-Antwortnachrichten (RIP- Advertisments) benachbarter Router: alle 30s, enthalten Routing-Einträge des Senders für bis zu 25 Zielnetzwerke Wenn ein Router 180s nichts von sich hören lässt, gilt dieser als unerreichbar RIP: Prozess der Anwendungsschicht benutzt UDP und Port 520 für Advertisments 35

32 w x y A D B z C Dest. Network Next Router Num. hops w A 2 y B 2 z B 7 x - 1 Routing Tabelle in D 36

33 w x y A D B z C Dest. Network Next Router Num. hops z C 4 w - 1 x - 1 Advertisment von Router A 37

34 w x y A D B z C Dest. Network Next Router Num. hops w A 2 y B 2 z A 5 x - 1 Update der Routing Tabelle in D 38

35 Open : Spezifikation öffentlich verfügbar (RFC 2178: OSPF vers. 2) Link State Algorithmus Jeder Router hat eine vollständige Abbildung der Topologie des gesamten autonomen Systems Routenberechnung mittels Dijkstra Algorithmus um den kürzesten (eigentlich besten) Pfad zubestimmen Die einzelnen Leitungskosten werden vom Netzwerkadministrator konfiguriert OSPF Advertisement enthalten jeweils einen Eintrag für jeden Nachbarrouter: Entfernung (Link State) vom Nachbar Advertisements werden an alle Router im AS versendet (via Fluten) -> Broadcast-Advertisments 39

36 Sicherheit: alle OSPF Nachrichten sind authentifiziert (verhindern von böswilligen Attacken); TCP Verbindungen werden verwendet Mehrere Pfade mit gleichen Kosten: erlaubt Unterschiedliche Kostenmetrik für unterschiedlichen TOS-Verkehr Integrierte Unterstützung von Unicast- und Multicast-Routing Unterstützung einer Hierarchie unterhalb einer Routing-Domain. 40

37 BGP (Border Gateway Protocol): ist der de facto standard im Internet Path Vector Protokoll: ähnlich Distanz-Vektor- Protokoll Jedes Border Gateway sendet den Nachbarn (Peers) gesamten Pfad (also die Sequenz von AS) zu einem Ziel Bsp: Gateway X sendet Pfad zu Ziel-AS Z: Keine Kosteninformationen Path (X,Z) = X,Y1,Y2,Y3,,Z Keine Vorgabe über Routenauswahl, dies wird über Policies vom Domain- Administrator i t konfiguriert i Jede Domain kann eine Route nach eigenen Kriterien wählen 41

38 Y 1 Y 2 X X Path(X,Z) Y 4 Z Y 3 W Y 5 X kennt den Pfad XY 1 Y 2 Y 3 Z sendet Pfad Path(X,Z) an W W kann einen neuen Eintrag in BGP-Tabelle aufnehmen: Path (W,Z) = W, Path (X,Z) W muss den Eintrag aber nicht übernehmen, z. B. wegen Policy, Datagramme nicht durch Y 2 zu senden Bevorzugter Pfadeintrag nach Z besteht: WXY 1 Y 4 Y 5 Z das senden des Pfades kann aber durch eine Policy auch unterdrückt werden, bsp. wenn X W keine Routen bekannt geben will, die durch X führen 42

39 Datagramm-Netzwerke Globale Algorithmen Dezentrale Algorithmen Link-State-Algorithmus Distanz-Vektor-Alg. Path-Vector-Alg Dijkstra OSPF Intra-AS-Routing ti RIP Inter-AS-Routing BGP 44

40 Ein Sender, mehrere Empfänger Anwendungen: Massendatentransfer Live-Audio/Video zu mehreren geographisch verteilten Empfängern Gemeinsame Datenanwendung g( (Whiteboard- oder Telekonferenz) Interaktive Spiele Multicast im Internet Verbindungsorientierter Dienst Kombination aus Signalisierungs- und Routingprotkollen 45

41 Dateneinheit wird beim Sender dupliziert Multicast wird mit mehreren Punkt-zu- Punkt-Verbindungen emuliert 46

42 Replikation Ethernet-Broadcast Sender überträgt ein einziges Datagramm Replikation im Netzwerkrouter, wenn auf mehrere Ausgangsleitungen verteilt Ethernet-Broadcast an Empfänger 47

43 Multicast-Gruppe Adressierung mit Address-Indirection:ein einziger Identifizierer i für die gesamte Gruppe Internet: Multicast-Gruppe mit IP-Adresse der Klasse D 48

44 Es existieren 4 Klassen von IP-Adressen: class A 0network host B 10 network host C 110 network host to to to D 1110 multicast address 32 bits to

45 IGMP Weitstrecken- Multicast-Routing IGMP IGMP Internet Group Management Protocol vers. 2 Operiert zwischen Host und direkt angeschlossenem Router Informiert einen Router, dass ein Host einer bestimmten Multicast-Gruppe beitreten will. 50

46 IGMP IGMP Weitstrecken- Multicast-Routing IGMP Verteilung von Multicast-Paketen unter den Routern Multicast-Routing-Problem Ziel: Finden eines Baumes von Verbindungsleitungen, die alle Router mit angeschlossenen Hosts einer Multicast- Gruppe verbinden Multicast-Pakete werden entlang des Baumes an alle Teilnehmer weitergeleitet 51

47 Gemeinsamer Gruppenbaum A Quellenbasierte Bäume A C B D C B D F E F E 52

48 F C A FE 2. B D E 3. A B 3. 4 E 1 2. B 1 D Zentrumsknoten (Rendevouzpunkt, Kern) Zuerst wird Zentrumsknoten definiert Router mit Hosts einer Multicast- Gruppe senden Join-Nachrichten Nachrichten, die an den Zentrumsknoten adressiert sind Join-Nachricht wird mit Unicast- Routing weitergeleitet bis zum ersten Router der bereits zum Multicast-Baum gehört oder bis zum Zentrumsknoten Pfad über den die Join-Nachricht geflossen ist, definiert den Zweig des Routing-Baums Kritischer Punkt: Wahl des Zentrumsknotens 54

49 C 2 A F 1 1. AB 2. A C F 3. A C E Berechnen von Unicast-Pfaden mit geringsten Kosten Vereinigung dieser Pfade 4 1. ergibt Unicast-Baum B Minimierung der Kosten von der Quelle zu jedem einzelnen 1 Ziel (im Gegensatz zur D Minimierung der Summe der Verbindungsleitungskosten) 1 E Link-State-Algorithmus: jeder Router muß die Gesamttopologie und die Kosten kennen 55

50 F C Jeder Router leitet ein Multicast- S Paket nur dann an alle seine Ausgangsschnitstellen weiter, wenn es über eine Eingangsschnittstelle A angekommen ist, die auf dem kürzesten Pfad zurück zum Sender liegt. Andere Multicast-Pakete werden B verworfen. Pruning: Multicast-Router ohne P D teilnehmende Multicast-Hosts sendet Prune-Nachricht an den Upstream-Host E P Zum Wiederankoppeln: G Grafting: Graft-Nachricht senden Pruning: Ausdünnung Timeout 56

51 DVMRP: Distance Vector Multicast Routing Protocol (RFC 1075) Quellenbasierte Bäume mit Reverse Path Forwarding MOSPF: Multicast t Open Shortest t Path First (RFC 1584) In AS mit OSPF-Protocoll für Unicast Quellenbasierte Bäume mit kürzestem Pfad CBT: Core-Based Trees (RFC 2201; RFC 2189) Gemeinsamer Gruppenbaum mit Kern (Zentrum) PIM: Protcol Independent Multicast (RFC 2362) Dense-Mode: Multicast-Gruppenmitglieder dicht beieinander RPF-Technik mit Fluten und Pruning (ähnlich DVMRP) Sparse-Mode: Multicast-Gruppenmitglieder gering zur Gesamtanzahl an Routern Zentrumsbasierter t Ansatz 57

52 Multicast- Globale Dezentrale Routing Algorithmen Algorithmen Gemeinsamer Gruppenbaum mit Multicast- Gruppenbaum minimalen Pfadkosten Gruppenbaum mit Zentrumsknoten CBT PIM (Sparse Mode) Quellenbasierte Bäume Multicast-Routing mit geringsten Pfadkosten MOSPF Reverse Path Forewarding (RPF) DVMRP PIM (Dense Mode) 58

53 59