Verlässliche Verteilte Systeme 1 Angewandte IT-Robustheit und IT-Sicherheit Vorlesung im Wintersemester 2004/2005

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1 Verlässliche Verteilte Systeme 1 Angewandte IT-Robustheit und IT-Sicherheit Vorlesung im Wintersemester 2004/2005 Dipl. Inform. Martin Mink Lehr und Forschungsgebiet Informatik 4 Crashkurs TCP/IP Netzwerke (basierend auf der Vorlesung Datenkommunikation WS03/04) Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 1

2 Übersicht Kurze Geschichte des Internet TCP/IP Internet Protocol (IP) Transmission Control Protocol (TCP) User Datagram Protocol (UDP) Werbung Netzwerk Sniffen Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 2

3 ARPANET Vorläufer des Internet XDS 940 Stanford Research Institute (SRI) ARPANET (Dezember 1969) IBM 360/75 IMP University of California Santa Barbara (UCSB) IMP IMP IMP California DEC PDP 10 University of Utah Finanzierung durch ARPA (Advanced Research Project Agency, mit militärischen Interessen) XDS 1 7 University of California Los Angeles (UCLA) Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 3

4 Entwicklung des Internets derzeit sind etwas 200 Millionen Hosts an das Internet angeschlossen Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 4

5 TCP/IP und das OSI- Referenzmodell Anwendungsebene (Application Layer) Anwendungsebene Darstellungsebene (Presentation Layer) Sitzungsebene (Session Layer) Transportebene (Transport Layer) Netzwerkebene (Network Layer) Sicherungsebene (Data Link Layer) Bitebene (Physical Layer) Transportebene (TCP/UDP) Internetebene (IP) Host to Network Ebene ISO/OSI TCP/IP Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 5

6 Die TCP/IP Protocol Suite HTTP FTP Telnet SMTP DNS SNMP TFTP Application Layer Protokolle TCP UDP Transport Layer IGMP ICMP IP RAR ARP P Internet Layer Netze Ethernet Token Ring Token Bus Wireless LAN Host to network Layer Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 6

7 IP-Paket 32 Bits (4 Bytes) Versi on IHL Time to Live Identification Type of Service Protocol D F M F Total Length Fragment Offset Header Checksum IP Header, normalerweise 20 Bytes Source Address Destination Address Options (variable, 0 40 Byte) Paddin g DATA (variable) Header Data Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 7

8 Der IP-Header (Auswahl) Version: IP Versionsnummer (mehrere IP Versionen gleichzeitig einsetzbar) Type of Service: wird von Routern ignoriert Total Length: Länge des gesamten Datagramms (in Byte, = Bytes) Time to Live (TTL): Lebenszeit von Datagrammen begrenzen auf maximal 255 Hops (verhindert endloses Kreisen von Paketen im Netz). Der Zähler wird bei jedem Hop verringert, bei 0 wird das Datagramm verworfen. DF: Don't Fragment: Paket soll nicht fragmentiert werden (kann dann evtl. nicht jeden möglichen Weg im Netz nehmen). MF: More Fragments. "1" es folgen weitere Fragmente. "0" letztes Fragment eines Datagramms) Fragment Offset: Folgenummern der Fragmente eines Datagramms. Protocol: welches Transportprotokoll wird im Datenteil verwendet (UDP, TCP,...)? Header Checksum: Muss bei jedem Hop neu berechnet werden (da sich TTL ändert) Source Address / Destination Address: Netz und Hostnummern von sendendem und empfangenden Rechner. Diese Information benutzen die Router zur Wegebestimmung. Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 8

9 IP-Adressierung Eindeutige IP Adresse für jeden Host und für jeden Router. IP Adressen sind 32 Bit lang und werden im Source Address sowie im Destination Address Bereich von IP Paketen verwendet. Die IP Adresse ist hierarchisch strukturiert und netzbezogen, d.h. Maschinen mit Anschluss an mehrere Netze haben mehrere IP Adressen. Struktur der Adresse: Netzwerk Adresse für physikalisches Netz (z.b ) und Rechner Adresse für einen Host (z.b ) Class A B C D E 32 Bits 0 Network Host 10 Network Host 110 Network Host 1110 Multicast Adresse 1111 Für künftige Nutzung reserviert 126 Netze 2 24 Hosts adressierbar (ab ) Netze 2 16 Hosts (ab ) Netze (LANs) 256 Hosts (ab ) Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 9

10 IP-Subnetze Problem: Class C Netze sind sehr klein, Class B Netze oft aber schon wieder zu groß. Daher gibt es die Möglichkeit, ein durch die IP Adresse identifiziertes Netz in sogenannte Subnetze zu zerlegen. Beispiele für Subnetze: Subnetz Maske Ethernet A Rest des Internet Aller Verkehr für Router Ethernet A Host Ethernet B Ethernet A Host Ethernet A Host Ethernet B Host Ethernet B Host Ethernet B Host Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 10

11 IP-Subnetze mit einer IP Netzwerk Adresse können mehrere physikalische Netze adressiert werden einige Bits der Rechner Adresse werden als Netzwerk ID genutzt eine Subnetz Maske identifiziert die missbrauchten Bits Class B Adresse Network Host Subnetz Maske Network Subnet Host alle Hosts eines Netzes sollten die gleiche Subnetz Maske haben Router können durch Kombination einer IP Adresse und einer Subnetz Maske ermitteln, in welches Teilnetz ein Paket geschickt werden muss. Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 11

12 Classless Inter-Domain Routing Problem: starre Klasseneinteilung Abhilfe: Classless Inter Domain Routing (CIDR) Trennung von starrer Klasseneinteilung durch Ersetzen der festen Klassen durch Netzwerk Präfixe variabler Länge Beispiel: /17: Die ersten 17 Bit der IP Adresse werden für die Netzwerk Identifikation verwendet Einsatz in Verbindung mit Routing: Backbone Router, z.b. an Transatlantik Link, betrachtet z.b. nur die ersten 13 Bit; dadurch kleine Routing Tabellen, wenig Rechenaufwand Router eines ISP betrachtet z.b. nur die ersten 15 Bit Router in Firmennetz betrachtet z.b. nur die ersten 25 Bit Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 12

13 NAT Network Address Translation Nur Router, die an die Außenwelt angeschlossen sind, benötigen eine globale Adresse Vergabe einer einzigen (oder einiger weniger) IP Adressen an eine Firma Intern verwendet jeder Rechner eine eigene IP Adresse. Dazu sind 'private' Adressbereiche reserviert worden, die jeder innerhalb seiner eigenen Netze verwenden darf und die nie im Internet geroutet werden: Bei Verlassen des eigenen Netzes findet eine Adressumsetzung statt Problem: wie kann die Rückübersetzung in die interne IP Adresse stattfinden? Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 13

14 NAT Network Address Translation Protokoll Port (lokal) IP (lokal) Port (global) IP (global) IP (Ziel) Port (Ziel) TCP TCP Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 14

15 IP Version 6 Dramatisch anwachsender Bedarf für neue IP Adressen keine Unterstützung von Mobilität, Sicherheitsmechanismen, Echtzeitanwendungen Verbesserungend durch Ipv6 128 Bit Adressen (8 Gruppen zu je 4 Hexadezimal Zahlen) Anycast Address: Erreiche irgendeinen von mehreren Authentifizierung und Privacy Einfacher Header: keine Optionen, Protocol, Fragmentierung, Checksum Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 15

16 IPv6 Header Version: IP Version Nummer. Priority: 4 Bit für Priorität. 1 News, 4 FTP, 6 Telnet, 8 bis 15 Echtzeitverkehr. FlowLabel: virtuelle Verbindung mit bestimmten Merkmalen/Anforderungen PayloadLen: Paketlänge nach dem 40 Byte Header NextHeader: 8 Bit Selektor. Gibt den Typ des folgenden Erweiterungs Headers an (oder den Transport Header) HopLimit: Wird bei jedem Knoten dekrementiert. Bei Null wird das Paket verworfen SourceAddress: Die Adresse des ursprünglichen Senders des Pakets DestinationAddress: Die Adresse des Empfängers (nicht unbedingt das endgültige Ziel, wenn es einen Optional Routing Header gibt) Version (4) Priority (4) PayloadLen (16) SourceAddress (128) FlowLabel (24) DestinationAddress (128) NextHeader/Data NextHeader (8) HopLimit (8) Das Präfix einer Adresse charakterisiert geographische Bereiche, Provider, lokale interne Bereiche,... Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 16

17 Routing wichtigste Funktionalität auf Schicht 3 Jeder Router führt eine Tabelle, die angibt, welche Ausgangsleitung für ein bestimmtes Ziel gewählt werden muss Nach Ziel... Über Leitung... Die Routingtabellen können statisch vorgegeben sein; besser ist es jedoch, sie ständig an die aktuelle Netzsituation anzupassen. Bei verbindungsloser Kommunikation muss das Routing für jedes Paket durchgeführt werden. Dabei kann die Wegwahl von Paket zu Paket anders ausfallen. Bei virtuellen Verbindungen wird nur einmal geroutet, dafür sind die Routing Tabellen umfangreicher A B C D Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 17

18 Routing (2) Aufgabe: günstigsten Weg vom Sender zum Empfänger bestimmen kurze Antwortzeit hoher Durchsatz Vermeidung lokaler Überlastsituationen Sicherheitsanforderungen kürzester Weg immer Konflikt zwischen Fairness und Optimum Routingtabellen in den einzelnen Knoten eindimensional Entscheidung hängt nur vom Zielknoten ab zweidimensional Entscheidung hängt vom Sende und Zielknoten ab S E L A C/B Sender C A/B B Empfänger Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 18

19 Routing (3) Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 19

20 ICMP - Internet Control Message Protocol Steuerprotokoll der Ebene 3 für Fehler und Kontrollnachrichten. Type/Code gibt die Art der Nachricht an, z.b.: 0 Destination unreachable (Paket kann nicht zugestellt werden) 3 Echo Request/Reply (Zustandsabfrage, z.b. beim ping) 4 Source Quench (Choke Paket, Bitte um Reduktion der Datenrate) 11 Time exceeded for Datagram (TTL hat 0 erreicht, das Paket wird verworfen) 12 Parameter Problem on Datagram (Ein Header Feld ist falsch ausgefüllt) 15/16 Information Request/Reply 30 Traceroute (Der Netzwerkpfad wird nachverfolgt) Host Router ICMP Message ICMP Reply ICMP Request Host Router ICMP Request: Zustandsabfrage ICMP Reply: Antwort darauf ICMP Message: Übermittlung von Zustandsinformationen und Kontrollnachrichten Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 20

21 TCP und UDP - Die Transportschicht verbindungsorientiert verbindungslos HTTP FTP Telnet SMTP DNS SNMP TFTP Application Layer TCP UDP Transport Layer IGMP ICMP IP RAR ARP P Internet Layer Ethernet Token Ring Token Bus Wireless LAN Host to network Layer TCP (Transmission Control Protocol): Zuverlässig, verbindungsorientiert. UDP (User Datagram Protocol): best effort, verbindungslos. Stellen eine Kommunikation zwischen Anwendungsprozessen bereit. Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 21

22 Eigenschaften von TCP Verbindungsorientiert und zuverlässig (fehlerfrei, reihenfolgetreu, ohne Duplikate) Fehlerbehandlung, Quittierung, Flusskontrolle (Sliding Window Verfahren) Segmentierung (max. Segmentgröße 64 KByte) Adressierung der Applikation über Portnummern (16 Bit Adresse) File Transfer Virtual Terminal World Wide Web Routing Information Electronic Mail FTP telnet SMTP http BGP / well known (TCP) Ports RFC 1700 Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 22

23 Der TCP-Header 20 Byte Header zzgl. Optionen dann folgen bis zu Datenbytes Bit Position HL Source Port Res. Sequence Number Acknowledgement Number 6 Flags Destination Port Window Size Checksum Options Urgent Pointer Padding Data Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 23

24 Der TCP-Header (Auswahl) Source und Destination Port: Port Nummer von Sender bzw. Empfänger Sequence Number/Acknowledgement Number: Segmente haben eine eigene 32 Bit Sequenz und Bestätigungsnummer für den Fenstermechanismus zur Flusskontrolle (Sliding Window). Die Bestätigungsnummer gibt das nächste erwartete Byte an! HL: Wie bei IP verfügt auch der TCP Header über eine Angabe seiner Länge. Die Angabe erfolgt in 32 Bit Worten. Window Size: Größe des Pufferspeichers für die Verbindung. Zeigt an, wie viele Dateneinheiten der Empfänger gleichzeitig speichern kann. Hierdurch wird das Fenster der Flusskontrolle angepasst. Flags (u.a.): ACK: Bestätigungsfeld, für den Fall, dass eine Quittung mitgesendet wird. SYN: auf 1 gesetzt beim Aufbau einer Verbindung FIN: auf 1 gesetzt beim Abbau einer Verbindung Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 24

25 TCP: 3-Wege-Handshake Client SYN, SEQ=x SYN, SEQ=y, ACK=x+1 ACK=y+1, SEQ=x+1 Server Der Server wartet mittels LISTEN und ACCEPT auf eingehende Verbindungswünsche. Der Client startet unter Angabe von IP Adresse, Portnummer und maximal akzeptabler Segment Größe eine CONNECT Operation. CONNECT sendet ein SYN. Ist der Destination Port der CONNECT Anfrage identisch zu der Port Nummer, auf der der Server wartet, wird die Verbindung akzeptiert, andernfalls mit RST abgelehnt. Der Server schickt seinerseits das SYN zum Client und bestätigt zugleich den Erhalt des ersten SYN Segments. Der Client schickt eine Bestätigung des SYN Segments des Servers. Damit ist die Verbindung aufgebaut. Three Way Handshake Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 25

26 Flusskontrolle Sliding Window Sender sendet entsprechend der Fenstergröße (Bytes) Fenster wird um n Bytes versetzt, sobald ein ACK für n Bytes eingetroffen ist Ausnahme: Dringende Daten (URGENT Flag) werden sofort gesendet Besonderheit: die Fenstergröße kann während der Übertragungsphase geändert werden Initial window Segment 1, 2 und 3 acknowledged Window slides Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 26

27 TCP-Überlastalgorithmus Congestion Avoidance, Herantasten an die maximale Kapazität Überlast vermutet, reduziere den Datenverkehr Gehe vorsichtiger an den nächsten Versuch heran Slow Start, Schnelle Ausnutzung der freien Kapazität Beginne mit einem Segment Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 27

28 Prinzip: Keep it simple! 8 Byte Header Das User Datagram Protocol Wie IP: verbindungslos und unzuverlässig (UDP) geringe Zuverlässigkeit, aber schneller Austausch von Informationen keine Bestätigung der Pakete auf der UDP Schicht, fehlerhafte Pakete werden schlicht und einfach verworfen. Weiterhin sind Duplikation, Reihenfolgevertauschung, Paketverlust möglich. die Checksumme bietet die einzige Möglichkeit, die Pakete auf Übertragungsfehler zu testen Möglich: ACKs und Neuübertragungen werden von der Anwendung selbst übernommen. Nutzung für Multicast (nicht möglich bei TCP) Warum überhaupt UDP? Erst die Hinzunahme eines Ports zu einer Netzwerkadresse kennzeichnet eine Kommunikation eindeutig. Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 28

29 UDP-Header Bit Positon Source Port Message Length Destination Port Checksum Data Adressierung der Applikationen über Portnummern Message Length gibt die Gesamtlänge (Header + Daten) in 32 Bit Worten an Checksum (optional!) IP hat keine Checksumme für den Datenteil, daher kann sie hier eine sinnvolle Ergänzung sein. Ablauf der Berechnung wie bei TCP Daten werden bei Bedarf auf eine gerade Bytezahl aufgefüllt (da Message Length in 32 Bit Worten angegeben wird) Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 29

30 PenTesting Praktikum Planspiel professionelles Penetration Testing Kundenaquise ist erfolgt, wir machen: Vertragsgestaltung PenTest Bericht Paper Ab Januar 2005 bis ca. Ende April Hoher Zeitaufwand Bewerbungen bitte per an Subject PenTest, Deadline: , 10 Uhr Angabe von vorhandener Erfahrung Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 30

31 Netzwerk-Sniffen Daten vom Netzwerk lesen ist nicht schwer schlecht für unverschlüsselte Daten (z.b. Passwörter) Tools tcpdump (klassisch) (t)etherreal (neu) dsniff (Kollektion von Tools) Verlässliche Verteilte Systeme 1 TCP/IP-Netzwerke 31

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