Grundzüge der Datenkommunikation Grundlagen von TCP/IP

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1 Falko Dressler Regionales Rechenzentrum 1

2 Überblick Historie Architektur von TCP/IP Link Layer IP (Internet Protocol) IP-Adressen Subnetze ARP (Address Resolution Protocol) ICMP (Internet Control Message Protocol) TCP (Transmission Control Protocol) UDP (User Datagram Protocol) DNS (Domain Name Service) Routing (Grundlagen) 2

3 Historie Situation der 70er Jahre Proprietäre Protokolle (z.b. DECNET, SNA) Ziele Offene Kommunikationsplattform Zuverlässige Datenkommunikation Entwicklung 1968 Beginn der Entwicklung eines Paket-Vermittlungssystems durch die DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) gleichzeitig Entwicklungen im Xerox Palo Alto Research Center (PARC) 1972: ARPANET wird vorgestellt, unterstützt durch die DARPA Erster Einsatz im ARPANET 1983: Alle Rechner im ARPANET müssen TCP/IP verwenden 1984: 4.2BSD und UNIX System V mit TCP/IP-Unterstützung Heute: ca. 20 Mio Endgeräte via Internet miteinander verbunden 3

4 Historie 2 Mittel der Standardisierung IAB: Internet Activities Board - plant und koordiniert die Entwicklung des Internet und der Internet-Protokolle. Gliedert sich in: IETF: Internet Engineering Task Force IRTF: Internet Research Task Force beide bestehen aus Arbeitsgruppen, in denen die weitere Entwicklung der Internetprotokolle vorangetrieben wird RFC: Internet Request for Comments - die Internet-Standards 4

5 Architektur von TCP/IP 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 5

6 Architektur von TCP/IP 2 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 und Flußsteuerung Application Layer Abwicklung der speziellen Anwendung 6

7 Beispiel für die beteiligten Protokolle bei einer ftp-sitzung Rechner A Application Transport Anwendungsprotokoll Transportschichtprotokoll Router Rechner B ftp TCP Network IP-Protokoll Network IP-Protokoll IP Link Link-Protokoll Link Link-Protokoll Ethernet Netzwerk 1 Netzwerk 2 (Ethernet) 7

8 TCP/IP Protokollsammlung TCP/IP wird durch mehrere Teilprotokolle realisiert. Man spricht deshalb von einer Protokollsammlung oder einer Protocol-Suite. Anwender- Prozeß Anwender- Prozeß Application TCP UDP Transport ICMP IP ARP RARP Network Hardware-Schnittstelle Link 8

9 Link Layer IP ist auf einer Vielzahl von Medien (mittels RFC) definiert: Ethernet (FastEthernet, GigabitEthernet) FDDI (Fiber Distributed Data Interface) Asynchron SLIP (Serial Line IP) PPP (Point-to-Point Protocol) Token Ring ATM (Asynchronous Transfer Mode) Classical IP over ATM LAN Emulation 9

10 Link Layer 2 Preambel Rahmenbegrenzer Zieladresse Quelladresse Typenfeld Daten Aufbau eines Ethernet V.2 Frames Beispiele für den Typ: IP 0x0800 ARP 0x0806 IPX 0x8137 Prüfsumme 10

11 IPv4 (Internet Protocol Version 4) Aufbau von IP-Paketen IP-Adressen Subnetze ARP ICMP 11

12 Aufbau von IP-Paketen 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 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 12

13 Internet Datagram Wichtig: IP ist verbindungslos, d.h. jedes Paket wandert unabhängig von seinem Vorgänger und Nachfolger durch das Netz (Routing). Dabei kann es vorkommen, daß ein Paket in mehrere zerlegt (fragmentiert) und wieder zusammengesetzt werden muß. Weiterhin kann sich die Reihenfolge der Pakete ändern. Rechner B Fragm. 2 Rechner A Paket 1 Fragm. 1 13

14 IP-Adressen Ziel: Jede Rechnerschnittstelle muß eindeutig identifizierbar sein. IP-Adressen sind 4 Byte lang und werden in einen Netzwerk- und einen Rechneranteil gegliedert. Unterschiedliche Netzklassen: Class A Class B Class C Class D Class E 0 7 Bit Netz-Id 24 Bit Host-Id Bit Netz-Id 16 Bit Host-Id Bit Netz-Id 8 Bit Host-Id Bit Multicast Group-Id Reserviert für spätere Verwendung Die Universität hat zwei Klasse-B-Netze ( für die Wissenschaft und für die Medizin sowie mehrere Klasse- C-Netze. Für die Wähleingänge wird das nicht nach außen routbare Netz verwendet. 14

15 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. Beispiel 1 Beispiel Netzwerk: Rechner: 258 Broadcast: Rechner-IP-Adresse Subnetzmaske Netzwerk: Rechner: 1 Broadcast: 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. 15

16 ARP (Address Resolution Protocol) 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. Der Ausgangsrechner schickt einen Broadcast mit der gesuchten IP-Adresse los. Der Zielrechner antwortet mit seiner Hardware-Adresse. Wichtig: ARP baut nicht auf IP auf! 1. Wer ist ? Zielrechner IP: MAC: 8:0:20:97:1f:60 Ausgangsrechner Zielrechner IP: MAC: 8:0:20:97:1f:60 2. Ich bin mit 8:0:20:97:1f:60! Ausgangsrechner 16

17 ICMP (Internet Control Message Protocol) 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. ICMP-Pakete enthalten ein Typ-Feld und ein Code-Feld, das die Fehlermeldung genauer spezifiziert. Type Field Beschreibung Echo Reply Destination Unreachable Source Quench Redirect Echo Request Time Exceeded Parameter Problem Timestamp Request Timestamp Reply Address Mask Request Address Mask Reply 17

18 ICMP 2 Code Values für Destination Unreachable Code Value Beschreibung Network unreachable Host unreachable Protocol unreachable Port Unreachable Fragmentation needed, DF set Source route failed Destination network unknown Destination host unknown Source host isolated Communication with destination network prohibited Communication with destination host prohibited Network unreachable for type of service Host unreachable for type of service 18

19 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 19

20 TCP 2 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} Beispiel: {tcp; ; 1022; ; 22} lisa$ netstat -an grep ESTABLISHED ESTABLISHED 20

21 Beispiele für TCP-Anwendungen ssh (Secure Shell): Ermöglicht den Zugriff auf entfernte Rechner. Eigener Rechner verhält sich wie ein angeschlossenes Terminal. Port 22. ftp (File Transfer Protocol): Datenübertragung von/zu einem entfernten Rechner. Es werden zwei Verbindungen (für Kommandos und Datenübertragung) aufgebaut. Port 20 (Daten) und 21 (Kommandos). smtp (Simple Mail Transfer Protocol): Elektronische Post. Port 25. http (Hypertext Transfer Protocol): Übertragung von WWW-Daten. Port

22 Aufbau eines TCP-Pakets HLEN Source Port Destination Port Sequence Number Acknowledge Number Reserved Code Bits Window Checksum Urgent Pointer Options Padding Data 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 22

23 TCP - Geschichte einer Verbindung Send SYN seq=x Receive SYN + ACK segment Rechner 1 Rechner 2 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 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 23

24 TCP Zustandsautomat Zustandsautomaten dienen zur Protokollspezifikation Die Beschriftungen an den Übergängen bezeichnen das empfangene / gesendete Paket begin closed passive open close active open/syn syn/syn+ack reset listen send/syn SYN RECVD close/fin ack close/fin established syn/syn+ack fin/ack CLOSE WAIT SYN SEND close/ timeout/ reset FIN WAIT-1 ack fin/ack fin/ack ack closing ack LAST ACK close/fin ack FIN WAIT-2 fin/ack TIMED WAIT timeout nach 2 segment lifetimes 24

25 UDP (User Datagram Protocol) ungesichertes Transportprotokoll effizienter als TCP im LAN-Bereich keine Flußkontrolle Anwendung muß Datenverluste selber behandeln Einsatz für Multimedia-Anwendungen 25

26 Beispiele für UDP-Anwendungen NFS (Network File System) NIS (Network Information System) SNMP (Simple Network Management Protocol) RTP (Realtime Transport Protocol, für Multimedia over IP Anwendungen) 26

27 DNS (Domain Name Service) Problem: IP-Adressen sind schwer zu merken Idee: Einführung symbolischer Namen Erfordern Umsetzungstabellen Einführung von Nameservern, die alle Adressen einer Domain auflösen können Für die Kommunikation auf physikalischer Ebene benötigt man Hardwareadressen. Die Umsetzung erfolgt über ARP. Client 1. Welche Adresse hat cssun? 2. cssun hat die ! Nameserver 3. Hallo ! cssun 27

28 DNS 2 Aufteilung der Welt in Zonen. Zonen weiter unterteilt: Top-level-Zonen: z.b. de für Deutschland oder uk für GB Second-level-Zonen: z.b. uni-erlangen.de oder bhn.de weitere Unterteilung möglich Die Nameserver aller Domains arbeiten weltweit zusammen, um global Adressen aufzulösen. Koordinierung über die root-nameserver. Neben den primary-nameservern (verantwortlich für einzelne Zonen) gibt es noch secondary-nameserver (Ausfallsicherheit!) 28

29 Routing Was ist Routing? Kommunikation der Rechner via IP nur im lokalen Subnetz Spezialrechner (Router) als Gateways zwischen diesen Subnetzen Router entscheiden anhand der Ziel-IP-Adresse im ankommenden Paket, wie dieses Paket weitervermittelt werden soll. (1), (2) (3) (5) (4) Host A Router Host B 1. Host A stellt fest, daß Host B nicht im selben Netz 2. Host A ermittelt next-hop über seine Routing-Tabelle 3. Host A schickt Paket an next-hop, also an den Router 4. Router stellt fest, daß Host B im selben Netz 5. Router liefert Paket an Host B aus Fall (4) nicht zutreffen würde, würde der Router bei (2) fortfahren 29

30 Warum Routing? Routing 2 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. 30

31 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 31

32 Literatur Douglas E. Comer: Internetworking with TCP/IP. Prentice-Hall International. Walter Richard Stevens: TCP/IP Illustrated Volume 1, The Protocols. Addison-Wesley. Walter Richard Stevens: TCP/IP Illustrated Volume 2, The Implementation. Addison-Wesley. Walter Richard Stevens: TCP/IP Illustrated Volume 3, TCP for Transactions, HTTP, NNTP, and the UNIX Domain Protocols. Addison-Wesley. 32

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