Kommunikationssysteme und das Internet Teil I

Transkript

1 Kommunikationssysteme und das Internet Teil I Vorlesung vom 24. April 2017 Birger Krägelin

2 Inhalt OSI-Schichten-Modell Verkabelung Ethernet TCP/IP - Protokollfamilie

3 Grundlagen der Rechnerkommunikation Damit Rechner miteinander kommunizieren können, müssen verschiedene Festlegungen getroffen werden: Technische Eigenschaften Darstellung von Informationen Kommunikationsverhalten (wer darf wann?) Verhalten im Fehlerfall Die Festlegungen bezeichnet man als Protokolle.

4 Grundlagen der Rechnerkommunikation Für unterschiedliche Anforderungen gibt es jeweils angepasste Festlegungen. Um die Festlegungen einfach und übersichtlich zu machen, werden die Aufgaben in Schichten definiert, die aufeinander aufsetzen. In jeder Schicht gibt es verschiedene Varianten, die gegeneinander austauschbar sind. Technik: WLAN, UMTS, DSL verbindungsorientiert (Telefonie) verbindungslos (Daten)

5 OSI-Schichtenmodell

6 OSI-Schichtenmodell

7 Physical Layer Bitübertragung Aufgaben Festlegen der Eigenschaften des Übertragungsmediums (Kupfer, Glasfaser, Funk) Übertragungsgeschwindigkeit Bit-Codierung Modulationsverfahren

8 Link Layer - Sicherung Aufgaben Bilden von Datenpaketen Sicherung der Übertragung durch Redundanz- Codes (CRC) Zugriffssteuerung Datenflusskontrolle

9 Network Layer - Vermittlung Aufgaben Ende-zu-Ende-Adressierung Ende-zu-Ende Datenvermittlung Wegesuche Datenpaket-Fragmentierung (Anpassung an Link-Layer-Eigenschaften)

10 Transport Layer - Datentransport Aufgaben Daten-Segmentierung (Paket-Bildung) Paket-Sortierung und Re-Assembly Fehler-Sicherung und Fehler-Behebung Stau-Vermeidung

11 Session Layer Kommunikationssteuerung Aufgaben Prozess-zu-Prozess-Kommunikation Verbindungs-Aufbau und Abbau Synchronisierter Datenaustausch Fehlerbehebung, Wiederaufsetzpunkte

12 Presentation Layer - Darstellung Aufgaben Systemabhängige Daten-Darstellung Zeichencode-Wandlung Datenkompression Daten-Verschlüsselung

13 Application Layer - Anwendung Aufgaben Client-/Server-Verbindungen Normierte Anwendungs-Protokolle Web Dateitransfer Verzeichnisdienste Login Datei-Ablage Druck-Dienste

14 Physical Layer im Detail Bitübertragungsschicht - Aufgaben Festlegen der Eigenschaften des Übertragungsmediums (Kupfer, Glasfaser, Funk) Übertragungsgeschwindigkeit Bit-Codierung Modulationsverfahren

15 Strukturierte Verkabelung Es werden drei Verkabelungs-Bereiche unterschieden: Primärverkabelung Verbindung von Gebäuden auf einem Gelände Glasfaser oder Telefon-Kabel Sekundärverkabelung Verbindung von Stockwerken untereinander bzw. mit Gebäudeverteiler (Backbone) Glasfaser Tertiärverkabelung Verbindung von Büros auf einem Stockwerk mit Verteilerschrank Twisted-Pair-Kabel

16 Twisted Pair Kabel 8 Adern, paarweise verdrillt (twisted) UTP unshielded twisted pair billigste Variante STP shielded twisted pair paarweise mit Schirm (Folie oder Geflecht) S/UTP screened UTP Folienschirm um alle Paare heutiges Standard-Kabel

17 Twisted Pair Kabel Verschiedene Normen Category 5 / 5e Standard-Kabel bis 100 MHz, ausreichend für GBit-Ethernet Category 6 bis 250 MHz, bei Neuverkabelungen verwendet mit anderen Steckern für 10GE geeignet Category 7 bis 600 MHz bisher keine Anwendung dafür

18 Glasfaser-Kabel Multimode-Kabel 62,5/125 μ 50/125 μ Moden-Dispersion Monomode-Kabel 9/125 μ chromatische Dispersion

19 Serielle Datenübertragung Daten werden bitweise nacheinander übertragen. Billige Verkabelung mit wenigen Adern Wenig Störungen (keine parallelen Kabel) Nur serielle Übertragungen können moduliert werden. Ausnahme: Mit modernen Modulationsverfahren werden mehrere Bits pro Schritt übertragen.

20 Serielle Datenübertragung Bytes müssen auf der Sendeseite in Bitfolgen gewandelt werden und auf der Empfängerseite wieder zurückgewandelt werden. Welches Bit kommt als erstes? MSB - most significant bit first LSB - least significant bit first Wie erkenne ich, wann das erste Bit kommt? Wie trenne ich die Bytes?

21 Byteweise Übertragung Üblicherweise wird LSB-Übertragung verwendet. Ruhezustand auf der Leitung Mark - logisch 1 Startbit zeigt Beginn der Übertragung an Startbit - logisch 0 Datenbits in LSB-Reihenfolge Stopbit zeigt Byte-Ende an Stopbit - logisch 1

22 Fehlererkennung Bei der Übertragung können Störungen auftreten. Bei der ASCII-Übertragung werden Parity-Bits eingefügt. even parity - gerade Anzahl 1 Odd parity - ungerade Anzahl 1 7E1-7 Datenbits + parity even 7O1-7 Datenbits + parity odd 8N1-8 Datenbits no parity

23 Byteweise Übertragung Aufgabe: Zeichnen Sie ein Diagramm für die Übertragung des Zeichens h (0x68) in 8N1

24 Link Layer im Detail Sicherungsschicht - Aufgaben Bilden von Datenpaketen Sicherung der Übertragung durch Redundanz- Codes (CRC) Zugriffssteuerung Datenflusskontrolle

25 Ethernet: Entwicklung Anfang der 70er Jahre am Xerox PARC von Robert Metcalfe entwickelt. Thickwire / Yellow cable Thinwire / Cheapernet

26 Adressen Ethernet verwendet weltweit eindeutige Adressen: 48 Bit, Schreibweise hexadezimal 00:14:51:ee:6e:da Adressen werden vom Hersteller des Adapters vergeben Hersteller-Codes (erste drei Bytes) von IEEE vergeben Broadcast-Adresse "alle Stationen" ff:ff:ff:ff:ff:ff

27 Datenpakete Ethernet-Pakete sind variabel lang, min. 64 Byte, max Byte. Destination-Adresse, Source-Adresse jeweils 6 Byte Typ-Feld (höheres Protokoll) 2 Byte Nutzdaten Byte CRC-32 (frame check sequence) 4 Byte

28 Datenpakete

29 Zugriffsverfahren: CSMA-CD Carrier Sense Stationen erkennen, ob das Kabel elektrisch in Ordnung ist. Multiple Access Stationen dürfen unabhängig (gleichzeitig) auf das Netz zugreifen. Collision Detect Stationen erkennen, ob ein Datenpaket zerstört wurde.

30 Geschwindigkeiten Ethernet hat eine lange Entwicklung hinter sich. 10 MBit/sec ursprüngliches Ethernet, auf Koax-Kabel 100 MBit/sec Fast-Ethernet, heute am meisten verbreitet 1 GBit/sec Gigabit-Ethernet, Standard für Stationen 10 GBit/sec 10GE, im Backbone, für Hochleistungs-Server 100 GBit/Sec 100GE, derzeit in Entwicklung und Normung

31 WLAN - Standards Drahtlose Netze sind unter den Bezeichnungen ihres Standards bekannt: b (1999) 11 MBit/sec 2,4 GHz a (1999) h (Europa 2002) 54 MBit/sec 5 GHz g (2003) 54 MBit/sec 2,4 GHz n (2009) Draft-N (Vorabversion) bis 600 MBit/sec 2,4 GHz und 5GHz

32 Zugriffsverfahren CSMA-CA Carrier Sense Stationen lauschen, ob ein Datentransfer stattfindet Multiple Access Stationen dürfen unabhängig (gleichzeitig) auf das Netz zugreifen. Collision Avoidance Station sendet zuerst ein RTS (request to send) an Access-Point Access-Point genehmigt die Übertragung und antwortet mit CTS (clear to send)

33 Frequenzen und Kanäle Der Frequenzbereich ist in mehrere Kanäle aufgeteilt. 13 Kanäle Breite Abstand 25 MHz 5 MHz Kanäle überlappen sich Störungen

34 MIMO-Techniken n nutzt zur Steigerung der Geschwindigkeit die Überlagerung von mehreren gleichzeitigen Übertragungen. Mehrere Antennen für Senden und Empfangen Reflexionen und Laufzeitunterschiede Schnelle Signalprozessoren rekonstruieren die gesendeten Signale.

35 Verschlüsselungsverfahren Im Funknetz kann jeder mithören oder gefälschte Daten verschicken. Verschlüsselung der Daten zwischen Station und Access-Point ergibt Sicherheit einer kabelgebundenen Verbindung. WEP-Verfahren (wired equivalent privacy) ist wegen Design-Fehlern gebrochen. WPA mit TKIP (temporal key integrity protocol) ist ebenfalls unsicher. WPA2 verwendet AES zur Verschlüsselung (advanced encryption standard)

36 WPA2 Wi-Fi Protected Access Stufe 2 implementiert mehrere Sicherheitsverfahren: Verschlüsselung mit AES Passwort-Authentifikation mit Preshared Key mit 63 Zeichen Länge Username/Passwort-Authentifikation in Unternehmensnetzen (benötigt einen RADIUS-Server)

37 Network Layer im Detail Vermittlungsschicht - Aufgaben Ende-zu-Ende-Adressierung Ende-zu-Ende Datenvermittlung Wegesuche Datenpaket-Fragmentierung (Anpassung an Link-Layer-Eigenschaften)

38 Die Protokolle des Internet

39 Historie des Internet 1969 Start des ARPANET als Forschungsnetz (US-Verteidigunsministerium) 1982 Netzwerk-Protoll TCP/IP 1989 Anschluss Deutschlands an das Internet 1989 Entwicklung der Hyperlinks (Tim Berners-Lee am CERN, Genf) 1993 Beginn des WWW (World Wide Web) 1. grafischer Browser Mosaic (entwickelt am NCSA, Illinois USA)

40 Normen des Internet Die Community selbst arbeitet an den Normen des Internet, es gibt keine offizielle Standardisierungs-Organisation. Die Normen des Internet werden als RFC veröffentlicht. (request for comment) Ein RFC wird zur Norm wenn das Beschriebene relevant ist wenn die Community zustimmt wenn es mehrere Implementierungen gibt RFCs sind für Alle verbindlich und werden eingehalten.

41 Einige ausgewählte RFCs RFC 791 internet protocol RFC 793 transmission control protocol RFC 1035 domain names RFC 5322 internet message format Nachfolger für RFC 822/2822/4021 RFC 1149 internet datagrams on avian carriers (Datenpaketbeförderung mit Brieftauben) RFC 2100 naming of hosts ( is difficult) RFC 2410 the NULL encryption algorithm

42 IP-Adressen IP verwendet weltweit eindeutige Adressen: 32 Bit, Schreibweise dezimal Adressen werden von einer Registrierstelle oder vom Internet Service Provider vergeben IP-Adressen bestehen aus Netzwerknummer und Host-Adresse Broadcast-Adresse "alle Stationen" bei Hostadresse alle Bits 1

43 Klassen Früher wurden die Adressen in Klassen eingeteilt: Klasse A Netzwerknummer 8 Bit ( ) Hostadresse 24 Bit Klasse B Netzwerknummer 16 Bit ( ) Hostadresse 16 Bit Klasse C Netzwerknummer 24 Bit ( Hostadresse 8 Bit )

44 Subnetze / Netzmasken Heute wird für Adressen immer eine Netzmaske angegeben: Klasse A /8 Fa. Cisco Klasse B /16 Universität Karlsruhe Klasse C /24 Duale Hochschule Karlsruhe Mit Netzmasken sind auch andere Netzwerkgrößen möglich: /15 Fraunhofer-Gesellschaft /29 teamx.leute.server.de

45 Netzmasken Eine Folge von 1-Bits legt den Bereich der Netzwerknummer fest, die folgenden 0-Bits den Bereich der Host-Adresse. Netzmaske / Von den resultierenden Hostnummern sind zwei reserviert: Alle Bit 0 Netzwerknummer Alle Bit 1 Broadcast-Adresse

46 IP - Datenpaket

47 IP - Datenpaket Kopf des Paketes besteht aus: Länge des Kopfes Länge des Datenpaketes Time to Live Feld verhindert endlos kreisende Pakete Typ höheres Protokoll IP-Adressen (Sender, Empfänger)

48 Typfeld höhere Protokolle Protokolle der Transportschicht: TCP transmission control protocol realisiert eine verlässliche Verbindung UDP user datagram protocol ungesicherte Verbindung Reaktion auf Datenverlust durch Anwendung

49 Routing Routing ist die Suche eines Weges zur Zielstation und die Vermittlung der Datenpakete: Zielstation im gleichen Netzwerk Versenden als Ethernet-Paket an Host Zielstation in anderem Netzwerk Bestimmen des nächstgelegenen Routers Versenden als Ethernet-Paket an Router

50 Routing-Tabellen Informationen über Netze und next hop sind in umfangreichen Tabellen gespeichert. Normaler Host hat nur wenige Einträge Normaler Router kennt das vollständige Unternehmensnetzwerk Router bei Internet Service Provider kennt das ganze Internet

51 Default-Routing Jeder Host kennt seinen Default-Router. Über diesen Router sind der Rest des Unternehmens und das Internet erreichbar. Default-Router ist im eigenen Netzwerk. Wird vom Administrator konfiguriert oder dynamisch zugewiesen.

52 Video

53 Transport Layer im Detail Datentransportschicht - Aufgaben Daten-Segmentierung (Paket-Bildung) Paket-Sortierung und Re-Assembly Fehler-Sicherung und Fehler-Behebung Stau-Vermeidung

54 Variante 1: Das Protokoll TCP Transmission Control Protocol Dient zum zuverlässigen Datentransfer für Anwendungsprotokolle verbindungsorientiert Ende-zu-Ende Verbindung Voll-Duplex (gleichzeitig bidirektional) behandelt Paketreihenfolge behandelt Paket-Verlust

55 TCP-Datenpaket

56 TCP-Datenpaket Kopf des Paketes besteht aus: Port-Nummern (Sender, Empfänger) Sequenznummer Acknowledge-Nummer diverse Flags

57 Ports und höhere Protokolle Ports dienen zur Identifikation der höheren Protokolle (der Anwendungen). Client-seitig sind die Ports dynamisch. Port 25 SMTP simple mail transfer Port 80 HTTP hypertext transfer Port 110 POP3 post office Port 139 NETBIOS windows network Port 445 Microsoft active directory

58 Variante 2: Das Protokoll UDP User Datagram Protocol Dient zum (nicht zuverlässigen) Datentransfer für Anwendungsprotokolle verbindungslos Paketverlust und Paketreihenfolge müssen von Anwendung behandelt werden Kaum Overhead Hohe Datenraten im LAN

59 UDP-Datenpaket

60 UDP-Datenpaket Kopf des Paketes besteht aus: Port-Nummern Länge (Sender, Empfänger) (Header + Daten) Checksumme

61 Ports und höhere Protokolle Ports dienen zur Identifikation der höheren Protokolle (der Anwendungen). Client-seitig sind die Ports dynamisch. Port 53 DNS domain name service Port 69 TFTP trivial file transfer Port 137 NETBIOS name service Port 445 Microsoft file sharing

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