Grundlagen von TCP/IP

Transkript

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 WiN- und REVUE-Netz 2

3 Historie Situation der 70er Jahre Proprietäre Protokolle (z.b. DECNET, SNA) Ziele Offene Kommunikationsplattform Zuverlässige Datenkommunikation Entwicklung Entwickelt von Universität Stanford und Bolt, Beranek und Newman Unterstützt durch DARPA (Advanced Research Project Agency) Erster Einsatz im ARPANET 1982: Einsatz in 4.2BSD UNIX 1983: Alle rechner im ARPANET müssen Internet Protokolle verwenden Heute: ca. 2,5 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 IETF: Internet Engeneering Task Force - besteht aus Arbeitsgruppen, in denen die weitere Entwicklung der Internetprotokolle geplant wird. Teil des IAB. RFC: Internet Request for Comments - die Internet- Standards und Entwürfe. Weniger formal als ISO- 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, Flußsteuerung Application Layer: Abwicklung der speziellen Anwendung 6

7 Beispiel für die beteiligten Protokolle bei einer ftp-sitzung Rechner A Rechner B Application Anwendungsprotokoll ftp Transport Transportschichtprotokoll Router TCP Network IP-Protokoll Network IP-Protokoll IP Link IP-Protokoll Interface IP-Protokoll Ethernet-Treiber 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 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 9

10 IP (Internet Protocol) Aufbau von IP-Paketen IP-Adressen Subnetze ARP ICMP 10

11 Aufbau von IP-Paketen VERS HLEN Service Type Identification FGS Time To Live Protocol Source IP Address Destination IP Address IP Options (so vorhanden) Data Total Length Fragment Offset Header Checksum Padding 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 Protokol der übergeordneten Schicht (TCP=6, UDP=17) Header Checksum: Prrüfsumme für den Paketheader Source Ip Address: Absenderadresse Destination IP Address: Zieladresse IP Options: Optionen Data: Anwendungsdaten 11

12 Internet Datagram Wichtig: IP ist verbindungslog, 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 A Fragm. 2 Rechner B Paket 1 Fragm. 2 12

13 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 0 7 Bit Netzid 24 Bit Hostid Bit Netzid 16 Bit Hostid Class C Class D Class E Bit Netzid 8 Bit Hostid Bit Multicast Groupid 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. 13

14 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: 2 Broadcast: Rechner-IP-Adresse Subnetzmaske Netzwerk: Rechner: 1 Broadcast: Alle Bits auf 0 im Hostid-Teil einer IP-Adresse bestimmen die Netzadresse und alle Bits auf 1 im Hostid-Teil ergeben die Broadcast- Adresse. 14

15 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 15

16 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 16

17 ICMP 2 Code Values für Destination Unrechable Code Value Beschreibung Network unreachable Host unreachable Protocol unreachable Port unrechable 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 17

18 TCP (Transmission Control Protocol) Erstes Transportprotokoll auf IP Definiert Ende-zu-Ende-Verbindung Bietet gesichtere Übertragung Flußkontrolle mittels Van-Jacobson-Algorithmus Dominiert im Weitverkehrsbereich Stellt eine Datenstromschnittstelle zur Verfügung, die mittels Prozeduren von Applikationen genutzt werden kann 18

19 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 19

20 Beispiele für TCP-Anwendungen telnet: Ermöglicht den Zugriff auf entfernte Rechner. Eigener Rechner verhält sich wie ein angeschlossenes Terminal. Port 23. 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

21 Aufbau eines TCP-Pakets HLEN Source Port Reserved Checksum Sequence Number Acknowledge Number Code Bits Options Data Destination Port Window Urgent Pointer Padding 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 21

22 TCP - Geschichte einer Verbindung Receive SYN + ACK segment Rechner 1 Rechner 2 Send SYN seq=x 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 22

23 TCP Zustandsautomat Zustandsautomaten dienen zur Protkollspezifikation 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 close/fin SYN RECVD 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 23

24 UDP (User Datagram Protocol) Ungesichertes Transportprotokoll Effizienter als TCP im LAN-Bereich Einsatz für Multimedia-Anwendungen Basis für Client-Server-Lösungen Keine Flußkontrolle Anwendung muß Datenverluste selber behandeln Beispiele: NFS (Network File System), NIS (Network Information System), SNMP (Simple Network Management Protocol) 24

25 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 Client 1. Welche Adresse hat cssun? 2. cssun hat die ! Nameserver 3. Hallo ! cssun Neben den primary-nameservern gibt es noch secondary-nameserver (Ausfallsicherheit!) Die Nameserver aller Domains arbeiten weltweit zusammen, um global Adressen aufzulösen. Koordinierung über die root-nameserver. Für die Kommunikation auf physikalischer Ebene benötigt man Hardwareadressen. Die Umsetzung erfolgt über ARP. 25

26 Routing Was ist Routing? Router können aufgrund der Ziel-IP-Adresse im ankommenden Paket entscheiden, in welche Richtung das Paket weitervermittelt werden soll. Warum Routing? Logische (effiziente) Trennung von Subnetzen Verhinderung von Broadcast-Stürmen Optimierung der Netzwerkleistung durch automatische Leitungswahl (redundante Anbindung) Wie wird geroutet? Statisches Routing: Routingeinträge werden vom Adminstrator von Hand erstellt und verwaltet Dynamisches Routing: Die Router tauschen Routinginformationen über Routingprotokolle aus. 26

27 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 Näheres in Routing und Routing-Protokolle im FAU-Netz 27

28 IP-Routing-Algorithmus Route_IP_DATAGRAM (datagram, routing_table) extract destination IP address, I D, from datagram compute IP address of destination network, I N if IN matches any directly connected network address send datagram to destination over that network; (this involves resolving ID to a physical address (ARP), encapsulate datagram, and sending the frame) else if ID apears as a host specific route route datagram as specified in the table else if ID apears in routing table route datagram as specified in the table else if default route has been specified route datagram to default gateway else declare a routing error 28

29 Routing Tabelle Tabelle, in der vermerkt ist, welche Netze oder Rechner wie erreichbar sind. Destination Default Distance Route Direct Direct Rechner Router A Router B Router C Kann mittels Konfiguration statisch oder mittels Routingprotokollen (Protokolle zum Austausch von Erreichbarkeitsinformationen) dynamisch aufgebaut werden. 29

30 Routingprotokolle RIP (Routing Information Protocol) Alle 30 Sekunden werden Broadcasts zum Austausch der Routinginformation ausgelöst. Jeder Router bzw. jedes Endsystem erhält dadurch Informationen über seine direkten Nachbarn. Es wird eine Routingtabelle erzeugt, in der die Zieladresse mit einer Metrik versehen ist. Diese Metrik ist beim RIP der hopcount, also die Anzahl der Systeme, die ein Paket zu diesem Ziel durchlaufen muß. Der Vorteil von RIP ist seine Einfachheit und seine weite Verbreitung. Nachteile sind die langsame Konvergenz und eine Unflexibilität, da nur eine Netzmaske und eine Metrik unterstützt wird. 30

31 Routingprotokolle 2 OSPF (Open Shortest Path First) Jeder Knoten kennt den kompletten Aufbau des Netzwerks. Er prüft die Erreichbarkeit aller seiner direkten Nachbarn und sendet diese Informationen an alle Knoten im Netz. Aus den eigenen Informationen und denen von allen anderen Knoten findet er mittels des Shortest Path First -Algotithmus den kürzesten Weg. Die Vorteile von OSPF sind eine schnelle Konvergenz, die Unterstützung verschiedener Metriken (z.b. Geschwindigkeit der Leitung) und Netzmasken, sowie eine einfache Problemverfolgung als bei RIP. Ein Nachteil ist, daß es noch nicht so verbreitet ist, und daß Implementierungen z.t. noch fehlerhaft sind. 31

32 Deutsches Wissenschaftsnetz (B-WiN) Verbund der deutschen L&F-Gemeinde, Teil des Internet-Backbone Organisiert und betrieben vom DFN-Verein (Verein zur Förderung des deutschen Forschungsnetzes e.v.) Mehr als 400 Anschlüsse (128kBit/s, 2MBit/s, 34MBit/s, 155MBit/s), darunter auch ISPs wie XLink, Eunet, ECRC und Nacamar Netzprotokolle: ATM (PVC) und IP Anschluß der FAU: 155MBit/s 32

33 REVUE REchner Verbund Universität Erlangen Im Augenblick: In der Wissenschaft: 180 Netze mit 8164 Hosts In der Medizin: 64 Netze und 3048 Hosts 10 Sondernetze Umstrukturierung des Backbone fast abgeschlossen Backbone über ATM (622MBit/s und 155MBit/s) Anschlüsse der Institute via ATM, FastEthernet und GigabitEthernet 33

34 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. 34