Grundlagen Netzwerke und TCP/IP

Transkript

1 Grundlagen Netzwerke und TCP/IP Tobias Wolter mit Folien von Lars Weiler Chaos Computer Club Cologne e.v. U August 2009

2 Gliederung 1 Einführung 2 OSI-Modell 3 Netzwerkstruktur 4 TCP/IP-Referenzmodell

3 Outline 1 Einführung Meta Grundlagen 2 OSI-Modell 1: Physical (Bitübertragung) 2: Data Link (Sicherung) 3: Network (Vermittlung) 4: Transport (Transport) 5: Session (Sitzung) 6: Presentation (Darstellung) 7: Application (Anwendung) 3 Netzwerkstruktur Topologie Ethernet 4 TCP/IP-Referenzmodell Internet Protocol (IP)

4 Meta Konto-Nr.: Institut: Sparkasse Köln-Bonn BLZ: Verwendungszweck: U23 - <euer Name>

5 Grundlagen Man hat mehrere Rechner, die alle irgendwas tun. Was ist aber, wenn diese Rechner irgendwie Informationen austauschen sollen? Menschen können Daten übertragen, sind aber sehr ineffektiv und langsa. Daer vernetzt man Rechner direkt.

6 Grundlagen Früher wurden Computer meistens wie überdimensionierte Taschenrechner benutzt. Amerikanisches Verteidigungsministerium wollte Informationen zwischen Rechner austauschen. Die Strecken waren lang und die Information mehr, als Tippsen zuverlässig abtippen können. So kam das ARPANET - Advanced Research Projects Agency Network - zustande.

7 Grundlagen Früher was es teilweise ein ziemliche Akt, Netzwerke zu konfigurieren. Heute hingegen ist es ziemlich einfach, und geschieht meist automagisch. Wenn man es nur benutzen will muss man praktisch nichts mehr wissen.

8 Grundlagen Mehrere Rechner Eine Methode, sie zu vernetzen: Netzwerkkarten und Kabel, WLAN-Adapter, etc. Eventuell Zusatzgeräte wie Hubs/Switches, Repeater, und so weiter

9 Grundlagen Am Häufigsten: Ethernet über CAT.5-Kabel über die Luft GSM/UMTS über die Luft

10 Grundlagen Sonst noch: Glasfaser-Anbindungen an Backbones bis hin zu Häusern Laser-/richtfunkstrecken Bluetooth Infrarot Netzwerkstruktur in Hardware: PCI Express, USB, etc

11 Outline 1 Einführung Meta Grundlagen 2 OSI-Modell 1: Physical (Bitübertragung) 2: Data Link (Sicherung) 3: Network (Vermittlung) 4: Transport (Transport) 5: Session (Sitzung) 6: Presentation (Darstellung) 7: Application (Anwendung) 3 Netzwerkstruktur Topologie Ethernet 4 TCP/IP-Referenzmodell Internet Protocol (IP)

12 Die Grundlage: OSI-Modell Oder, ausgeschrieben: Open System Interconnection reference model 7 Application (Anwendung) 6 Presentation (Darstellung) 5 Session (Sitzung) 4 Transport (Transport) 3 Network (Vermittlung) 2 Data Link (Sicherung) 1 Physical (Bitübertragung)

13 1. Physical: Media, Signal und binäre Übertragung Elektrische und Physikalische Spezifikationen von Geräten Elektrische Signale, optische Signale, elektromagnetische Wellen, Schall Netzwerkkabel, Repeater, Antenne, Verstärker Leitungsgebunden oder leitungslos Definition von Bits zu den verwendeten Signalen

14 2. Data Link: Physikalische Adressierung Aufteilen des Bitdatenstroms in Blöcke Hinzufügen von Folgenummern und Prüfsummen Quittierungs- und Wiederholungsmechanismen Flusskontrolle Logical Link Control Media Access Control Ethernet, Token Ring, FDDI, HDLC Switch, Hub

15 3. Network: Pfadermittlung und logische Adressierung Routing Schalten von Verbindungen Weitervermittlung von Datenpaketen Flusskontrolle Aufbau und Aktualisierung von Routingtabellen IP, ICMP, X.25

16 4. Transport: End-zu-End-Kontrolle Segmentierung Stauvermeidung Fehlerkontrolle TCP, UDP

17 5. Session: Dialogkontrolle zwischen Computern Aufbau, Managen, und Terminieren von Sitzungen

18 6. Presentation: Repräsentation von Daten und Verschlüsselung MIME Komprimierung Verschlüsselung De-/Encodierung

19 7. Application: Netzwerkprozess zur Anwendung Telnet FTP SMTP HTTP

20 Einsatzgebiet Hauptsächlich in der öffentlichen Kommunikationstechnik Privat wird hauptsächlich das TCP/IP-Modell eingesetzt Grundlage für die Modellierung weiterer Protokollfamilien

21 Outline 1 Einführung Meta Grundlagen 2 OSI-Modell 1: Physical (Bitübertragung) 2: Data Link (Sicherung) 3: Network (Vermittlung) 4: Transport (Transport) 5: Session (Sitzung) 6: Presentation (Darstellung) 7: Application (Anwendung) 3 Netzwerkstruktur Topologie Ethernet 4 TCP/IP-Referenzmodell Internet Protocol (IP)

22 Topologie Unterscheidung Physische Topologie Aufbau der Netzverkabelung Logische Topologie Datenfluss zwischen Endgeräten

23 Topologie Stern-Topologie Vorteile Bei Ausfall eines Nodes keine Auswirkungen auf die anderen Hohe Übertragungsraten bei Switcheinsatz Leicht erweiterbar Leicht verständlich Leichte Fehlersuche Nachteile Viel Kabelmaterial / aufwändige Verkabelung Bei Verteilerausfall Komplettausfall Niedrige Übertragungsraten bei vielen Hosts Fast Ethernet (physisch) Token Ring (physisch) Telefonnetz

24 Topologie Ring-Topologie Vorteile Alle Stationen arbeiten als Repeater Keine Kollisionen Alle Rechner haben gleiche Zugriffsmöglichkeiten Garantierte Übertragungsbandbreite Deterministische Netzwerkkommunikation Nachteile Bei Ausfall einer Node fällt das gesamte Netz aus Teure Komponenten Token Ring (logisch) FDDI (physisch)

25 Topologie Bus-Topologie Vorteile Ausfallbegrenzung Geringe Kosten Einfache Verkabelung und Netzerweiterung Es werden keine zusätzlichen Komponenten benötigt Nachteile Ein einziges Kabel Sniffing Störung im Übertragungsmedium blockiert den gesamten Netzstrang Immer nur ein Sender Hohe Kollisionsgefahr Thick Ethernet (physisch) Thin Ethernet (physisch)

26 Topologie Baum-Topologie Vorteile Bei Ausfall eines Nodes keine Auswirkungen auf die anderen Strukturelle Erweiterbarkeit Große Entfernungen realisierbar Nachteile Bei Verteilerausfall ist der ganze Zweig betroffen Mehrere Stern-Netze

27 Topologie Vermaschtes Netz Vorteile Sicherste Variante eines Netzwerkes Bei Ausfall einer Node ist durch Umleitung die Datenkommunikation weiterhin möglich Sehr leistungsfähig Nachteile Viel Kabel notwendig Sehr hoher Energieverbrauch Vergleichsweise komplexes Routing nötig Internet (nicht voll vermascht)

28 Topologie Zell-Topologie Vorteile Keine Kabel nötig Keine Störung durch Ausfall von Endgeräten Nachteile Äußerst störanfällig Begrenzte Reichweite Sehr unsicher, da jeder von Außen darauf zugreifen kann IEEE (Wireless LAN) GSM

29 Ethernet Ethernet Meistverwendeter LAN-Standard Verdrängte Token Ring, FDDI und ARCNET Basis für Netzwerkprotokolle wie TCP/IP, AppleTalk und DECnet IEEE-Norm OSI-Layer 1 und 2 Jeder Teilnehmer hat einen globalen eindeutigen 48-bit-Schlüssel (MAC-Adresse)

30 Ethernet CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Regelt den Zugriff auf ein gemeinsam genutztes Medium Bei Kollision Übertragungsunterbrechung Neustart der Sendung nach kurzer, zufälliger Zeit Mindestlänge (64 Byte) von Datenframes notwendig

31 Ethernet Broadcast und Sicherheit Kommunikation auf derselben physikalischen Leitung Alle Daten sind an allen Nodes zu empfangen Vorteil Broadcast Nachteil (oder unser Vorteil) Sniffing Abhilfe durch Switching Aushebelung durch APR-Spoofing oder MAC-Flooding Wirksame Abhilfe Kryptographie

32 Ethernet Ethernet Medientypen I 10 Mbit/s Ethernet mit Koaxialkabel 10Base2 aka Thin Wire Ethernet, Thinnet, Cheapernet; 50Ω Wellenwiderstand; Segmentlänge max. 185m; max. 30 Teilnehmer; Gesamtlänge mit Repeater max. 925m (fünf Segmente); T-Stücke, Abschlusswiderstände und EAD-Kabel 10Base5 aka Thicknet, Yellow Cable; 10mm dickes Koaxialkabel; 50Ω Wellenwiderstand; Vampirklemme zum Anschluss; 10MBit/s; 500m Reichweite bei 100 Teilnehmern; sogar heute noch in Benutzung

33 Ethernet Ethernet Medientypen II 10 MBit/s Ethernet mit Twisted-Pair-Kabel StarLAN 10 Von AT&T, wurde zu 10Base-T weiter entwickelt 10Base-T IEEE 802.3i; zwei verdrillte Adernpaare eines CAT-3 oder CAT-5 Kabels; Hub oder Switch ist notwendig; 10MBit/s; Segmentlänge max. 100m; Steckertyp RJ MBit/s Ethernet mit Glasfaser-Kabeln FOIRL Fiber-optic inter-repeater link 10Base-F IEEE 802.3j; allgemeine Bezeichnung 10Base-FL Recht weit verbreitet 10Base-FB Für Backbones 10Base-FP Passives Sternförmiges Netzwerk

34 Ethernet Ethernet Medientypen III 10Base-SX 10/100 MBit/s Ethernet über Glasfaser Fast Ethernet 100Base-T Allgemeine Bezeichnung für die drei 100MBit/s-Ethernetstandards über Twisted-Pair-Kabel; Segmentlänge max. 100m; Steckertyp RJ Base-TX IEEE 802.3u; zwei verdrillte Adernpaare eines CAT-5 Kabels; 100MBit/s; heutige Standard-Ethernet-Implementation 100Base-T4 100MBit/s über alle vier Adernpaare eines CAT-3 Kabels; Halfduplex 100Base-T2 100MBit/s über zwei Adernpaare eines CAT-3 Kabels; Full-Duplex

35 Ethernet Ethernet Medientypen IV 100Base-FX 100MBit/s Ethernet über Glasfaser Gigabit Ethernet 10 Gigabit Ethernet Power over Ethernet IEEE 802.3af Ungenutzte Adern werden verwendet Oder Gleichstrom zum Datensignal aufmoduliert 48V bis zu 15,4W Wireless LAN IEEE Drahtlose Vernetzung Unterstützen das Ethernet-Datenblockformat

36 Ethernet IEEE Tagged MAC Frame Präambel Synchronisation durch alternierende Bitfolge ( )

37 Ethernet IEEE Tagged MAC Frame SFD Start Frame Delimiter Setzt die Präambel fort ( )

38 Ethernet IEEE Tagged MAC Frame Ziel- und Quell MAC-Adresse Sechs Byte / 48 Bit Länge

39 Ethernet IEEE Tagged MAC Frame VLAN-Tag 802.1q tag für VLANs

40 Ethernet IEEE Tagged MAC Frame Typ-Feld Verwendetes Protokoll in der nächsthöheren Schicht innerhalb der Payload

41 Ethernet IEEE Tagged MAC Frame Payload Zwischen 0 und 1500 Byte

42 Ethernet IEEE Tagged MAC Frame PAD Bringt den Ethernet-Frame auf die Minimalgröße von 64 Byte (ohne Präambel und SFD)

43 Ethernet IEEE Tagged MAC Frame FCS Frame Check Sequence 32-Bit-CRC-Prüfsumme ohne Präambel, SFD und FCS

44 Outline 1 Einführung Meta Grundlagen 2 OSI-Modell 1: Physical (Bitübertragung) 2: Data Link (Sicherung) 3: Network (Vermittlung) 4: Transport (Transport) 5: Session (Sitzung) 6: Presentation (Darstellung) 7: Application (Anwendung) 3 Netzwerkstruktur Topologie Ethernet 4 TCP/IP-Referenzmodell Internet Protocol (IP)

45 Vergleich OSI-Modell TCP/IP-Schicht OSI-Schicht Beispiel Anwendungsschicht 5-7 HTTP

46 Vergleich OSI-Modell TCP/IP-Schicht OSI-Schicht Beispiel Anwendungsschicht 5-7 HTTP Transportschicht 4 TCP

47 Vergleich OSI-Modell TCP/IP-Schicht OSI-Schicht Beispiel Anwendungsschicht 5-7 HTTP Transportschicht 4 TCP Internetschicht 3 IPv4, IPv6

48 Vergleich OSI-Modell TCP/IP-Schicht OSI-Schicht Beispiel Anwendungsschicht 5-7 HTTP Transportschicht 4 TCP Internetschicht 3 IPv4, IPv6 Netzzugangsschicht 1-2 Ethernet

49 Die TCP/IP-Schichten Anwendungsschicht Alle Protokolle, die mit Anwendungsprogrammen zusammenarbeiten und die Netzwerkinfrastruktur für den Austausch anwendungsspezifischer Daten nutzen Transportschicht Ende-zu-Ende-Verbindung; TCP (Transmission Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol) Internetschicht Forwarding und Routing; Internet Protocol (IP) Netzzugangsschicht Platzhalter für verschiedene Techniken der Datenübertragung; Ethernet, FDDI, PPP,

50 Internet Protocol (IP) IPv4 Vierte Version des Internet Protocol Erstes IP mit weltweiter Verbreitung Technische Grundlage des Internets Wird hauptsächlich auf Ethernet eingesetzt 32-Bit-Adressen, maximal Schreibweise in 8 Bit Blöcken Unterteilung in Netz- und Hostadresse

51 Internet Protocol (IP) Lokale/Private Netzwerkadressen /8; Adressen /12; Adressen /16; Adressen /16; Adressen; link local

52 Internet Protocol (IP) IP-Paket IP-Paket besteht aus Header und Daten Im Datenteil ist meist ein weiteres Protokoll wie TCP, UDP oder ICMP Maximale Länge: Bytes ( minimale Headerlänge) Bei Ethernet durch die MTU von 1500 (oder weniger) Bytes begrenzt Fragmentierung ist möglich

53 Internet Protocol (IP) IPv4-Header Version IHL TOS Total Length Identification Flags Fragment Offset TTL Protocol Header Checksum Source Address Destination Address Options and Padding Version IP-Version; z. Z. 4 und 6 möglich

54 Internet Protocol (IP) IPv4-Header Version IHL TOS Total Length Identification Flags Fragment Offset TTL Protocol Header Checksum Source Address Destination Address Options and Padding IHL IP Header Length Vielfaches von 32; Minimum 5 (20 Byte)

55 Internet Protocol (IP) IPv4-Header Version IHL TOS Total Length Identification Flags Fragment Offset TTL Protocol Header Checksum Source Address Destination Address Options and Padding TOS Type of Service Priorisierung von IP-Datenpakete; Quality of Service

56 Internet Protocol (IP) IPv4-Header Version IHL TOS Total Length Identification Flags Fragment Offset TTL Protocol Header Checksum Source Address Destination Address Options and Padding Total Length Länge des gesamten Pakets in Bytes; Maximale Länge sind Bytes (64kB)

57 Internet Protocol (IP) IPv4-Header Version IHL TOS Total Length Identification Flags Fragment Offset TTL Protocol Header Checksum Source Address Destination Address Options and Padding Identification Zur Identifizierung von fragmentierten Paketen

58 Internet Protocol (IP) IPv4-Header Version IHL TOS Total Length Identification Flags Fragment Offset TTL Protocol Header Checksum Source Address Destination Address Options and Padding Flags Kontrollschalter

59 Internet Protocol (IP) IPv4-Header Version IHL TOS Total Length Identification Flags Fragment Offset TTL Protocol Header Checksum Source Address Destination Address Options and Padding Fragment Offset Position innerhalb der Fragmente

60 Internet Protocol (IP) IPv4-Header Version IHL TOS Total Length Identification Flags Fragment Offset TTL Protocol Header Checksum Source Address Destination Address Options and Padding TTL Time to Live Lebensdauer des Pakets; Router verringern den Wert um eins; Verhindert, dass ein Paket ewig weiter geleitet wird

61 Internet Protocol (IP) IPv4-Header Version IHL TOS Total Length Identification Flags Fragment Offset TTL Protocol Header Checksum Source Address Destination Address Options and Padding Protocol Beinhaltet den Wert des Folgeprotokoll (z. B. TCP = 0x06)

62 Internet Protocol (IP) IPv4-Header Version IHL TOS Total Length Identification Flags Fragment Offset TTL Protocol Header Checksum Source Address Destination Address Options and Padding Header Checksum Prüfsumme für den Header, denn die Korrektheit der Payload in der Transportschicht sichergestellt; wird an jedem Router neu verifiziert und berechnet (wegen TTL);

63 Internet Protocol (IP) IPv4-Header Version IHL TOS Total Length Identification Flags Fragment Offset TTL Protocol Header Checksum Source Address Destination Address Options and Padding Source Address Quelladresse des IP-Pakets; in network byte order, also Big Endian (most significant Byte first)

64 Internet Protocol (IP) IPv4-Header Version IHL TOS Total Length Identification Flags Fragment Offset TTL Protocol Header Checksum Source Address Destination Address Options and Padding Destination Address Zieladresse des IP-Pakets; in networkn byte order, also Big Endian (most significant Byte first)

65 Internet Protocol (IP) IPv4-Header Version IHL TOS Total Length Identification Flags Fragment Offset TTL Protocol Header Checksum Source Address Destination Address Options and Padding Options and Padding Zusatzinformationen, die immer ein Vielfaches von 32 Bit groß sein müssen, ansonsten wird mit 0-Bytes aufgefüllt; maximal 40 Byte

66 Internet Protocol (IP) IPv6 Nachfolger von IPv4 Adressraumvergrößerung von 2 32 auf (etwa 340 Sextillionen) Adressen Autokonfiguration von Adressen Mobile IP Dienste wie IPSec, QoS und Multicast implementiert Einfachere Header Adressen in Hexadezimal, z. B. 2001:6f8:12f3:1:22b:2fff:fede:ad01

67 Transportprotokolle Transmission Control Protocol (TCP) Virtueller Kanal zwischen zwei Endpunkten Datenverluste werden erkannt und automatisch behoben Datenübertragung ist in beiden Richtungen möglich Netzwerküberlastung wird verhindert Fast ausschließliches Transportmedium für WWW, , P2P, usw. Eine TCP-Verbindung hat zwei Endpunkte, bestehend aus IP-Adresse und Port (Socket) Drei-Wege-Handshake (SYN SYN/ACK ACK bzw. (FIN ACK,FIN ACK) Max. Größe 1500 Byte - 20 Byte TCP-Header - 20 Byte IP-Header

68 Transportprotokolle User Datagram Protocol (UDP) Verbindunglos und minimal Keine sichere, aber dafür schnelle Übertragung

69 Transportprotokolle Ports Bestandteil der Transportprotokolle Zuordnung von Daten zum richtige Dienst 16 Bit Größe (65536 Ports) Port : Well Known Ports Port : Registered Ports Port : Dynamic/Private Ports Siehe /etc/services

70 Referenzen Hirnmasse... und zur Auffrischung IP-Referenzmodell Control_Protocol Protocol http: //de.wikipedia.org/wiki/port_(protokoll)