Rechnernetze 1. Einführung

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1 Rechnernetze 1. Einführung Kommunikation freshpeel.com (c) Peter Sturm, Universität Trier 1

2 Lange Tradition Vielfältige Formen in Flora und Fauna Gespräch zwischen zwei oder mehr Menschen Telefon (c) Peter Sturm, Universität Trier 2

3 Walkie Talkie Funk (c) Peter Sturm, Universität Trier 3

4 Briefe und Pakete Telegramm (c) Peter Sturm, Universität Trier 4

5 Einschreiben RECHNERNETZE (c) Peter Sturm, Universität Trier 5

6 Grundstruktur Sender Empfänger Kommunikations- Empfänger system Systemsoftware Hardware Systemsoftware Hardware Netzwerk Ziele Kommunikation zwischen Rechnern durch Austausch von Nachrichten über Speicher (NUMA- Architekturen) Datenrate maximieren Latenz minimieren Physik definiert harte untere Schranken Isochronen Verkehr Audio- und Videomaterial (c) Peter Sturm, Universität Trier 6

7 Funktionale Eigenschaften Senden Empfängeradresse Nachricht Nachrichtenlänge Empfangen Senderadresse (Rückgabe) Nachrichtenpuffer Länge der Nachricht (Rückgabe) Nicht- Funktionale Eigenschaften Paketgröße Übertragungsbandbreite Einheit Byte/s Dominanz Medium Latenz Einheit s Signalgeschwindigkeit und Entfernung Nachrichtenverlust Vertauschungen Verfälschungen Multicast und Broadcast (c) Peter Sturm, Universität Trier 7

8 Quality of Service (QoS) Garantierte Eigenschaften Bandbreite, Frequenz, Jitter, Verlustrate,... Reservierungsverfahren Anmelden des Bedarfs Verhandlungen bei mehreren Möglichkeiten Optimierungskriterien Kosten Qualität Ausdehnung Bandbreite nimmt zu Fehler/Verluste nehmen zu Latenz nimmt zu IN LAN MAN WAN Gehäuse Gebäude Stadt Land Kontinent Planet Interconnection Network (IN): Praktisch Speicherbandbreite Local Area Network (LAN): 10 MBit/s bis 10 GBit/s Metropolitan Area Network (MAN) Wide Area Network (WAN) (c) Peter Sturm, Universität Trier 8

9 Typische Topologien Bus Zugangsverfahren Kollisionsfreier Zugang Kollisionserkennung Multicast- und Broadcast- fähig Eigenschaftsgarantien hängen vom Zugangsverfahren ab Bekannte Verfahren Ethernet Dedizierte Leitungen Kollisionsfreie Kommunikation zwischen zwei Knoten Routing bei entfernten Knoten Dienstleistungen unbeteiligter Dritter notwendig Keine unmittelbare Multicast- und Broadcast- Fähigkeit Eigenschaftsgarantien hängen u.a. von der Topologie ab OSI- REFERENZMODELL (c) Peter Sturm, Universität Trier 9

10 Protokollebenen Protokollebene i Protokollebene i- 1 Protokoll der Ebene i Protokollebene i Protokollebene i- 1 Protokollstack Logisches Protokoll auf jeder Ebene Protokollebene 0 Protokollebene 0 Protokollebenen Hierarchische Verfeinerung Wo sind die Ebenen? Laufzeitbibliothek Betriebssystem Spezielle Server (paralleler Protokollstack) Nachteile Effizienzprobleme Anordnung der Ebenen Jede Ebene braucht Header X- Layer- Problematik (c) Peter Sturm, Universität Trier 10

11 ISO- Referenzmodell OSI- Modell = Reference Model for Open Systems Interconnection Referenzmodell! Realisierung Ebene 1-3: Hardware (Firmware) Netzwerk- Controller Ebene 4-7: Software (Verteilte) Anwendungen 7. Application Layer 6. Presentation Layer 5. Session Layer 4. Transport Layer 3. Network Layer 2. Link Layer 1. Physical Layer Kommunikationsnetzwerk Anwendungsorientierung Netzwerkorientierung Ebene 1: Physical Layer TD = Transmit Data RD = Receive Data RTS = Request to Send CTS = Clear to Send DSR = Data Set Ready GND = Signalmasse DCD = Data Carrier Detect DTR = Data Terminal Ready RI = Ring Indicator DSRD = Data Signal Rate Detector Steckerbelegung Definition der (elektrischen, optischen) Schnittstelle Spannungen, Ströme Frequenzen Maximale Längen, Abstände... Beispiele V.24 oder RS- 232 o.ä. Parallelschnittstelle (Centronix) Busse (PCI, SCSI, USB,...) Koaxkabel, BNC,... Twisted Pair (UP- 5 o.ä.)... (c) Peter Sturm, Universität Trier 11

12 Diverse Anschlußbeispiele Ebene 2: Link Layer Fehlerfreier Kanal zwischen 2 Knoten Synchronisation Fehlererkennung (CRC) Wiederholungen Transparente Übertragung Bidirektionale Verbindung Halb- und Voll- Duplex Beispiele CSMA/CD HDLC Header Nutzdaten CRC (c) Peter Sturm, Universität Trier 12

13 Ebene 3: Network Layer 7. Application Layer 6. Presentation Layer 5. Session Layer 4. Transport Layer zwischen Netzen 3. Network Layer innerhalb eines Netzes 2. Link Layer 1. Physical Layer Rechner- zu- Rechner- Protokoll Netzwerkebene geteilt Management- Funktionen Behandlung von Ausfällen Ermittlung von Adressen Austausch von Routing- information Ebene 4: Transport Layer Ende- zu- Ende- Protokoll Angabe des Empfangsrechners Meist zwei Protokolle: Verbindungslos (Datagramm) Verbindung (Reliable Stream) Aufgaben Quittungsbetrieb Sequenznummern Eliminierung von Duplikaten Flußkontrolle Ausnutzung der Speicher- kapazität des Mediums... (c) Peter Sturm, Universität Trier 13

14 Speicherfähigkeit des Mediums Abstand zur Erde (April 2013): Millionen Kilometer Roundtrip- Zeit: 34h, 13min, 48s Raumsonde Voyager 2 Annahme 100 Mbit pro Sekunde: 1.4 Tbyte Speicherkapazität Ebene 5: Session Layer Kommunikationssitzungen Sicherungspunkte Recovery Wachsende Bedeutung (c) Peter Sturm, Universität Trier 14

15 Ebene 6: Presentation Layer Umwandlung von Datenformaten Offene Systeme Heterogenität Beispiele XDR (SUN- RPC), ASN.1, SOAP Verschlüsselung Ebene 7: Application Layer Spezifische Anwendungsprotokolle Beispiele FTP - File Transfer Protocol rlogin - Remote Login NFS - Network File System NIS - Network Information System SMTP - Simple Mail Transfer Protocol X.400, POP.3,... - Ebenfalls Mail- Protokolle HTTP - Hypertext Transfer Protocol... (c) Peter Sturm, Universität Trier 15

16 Aupau einer Ebene 7- Nachricht??????? Nutzdaten? Router Muß ein Router vollständig durchlässig sein? Was kann spezifisch unterbunden werden? Knoten A Router Knoten B (c) Peter Sturm, Universität Trier 16

17 Gateway Knoten A Gateway Knoten B Was kann ein Gateway spezifisch unterbunden? INHALTE (c) Peter Sturm, Universität Trier 17

18 Vorlesungsgegenstand (Verteilte) Anwendungen 7. Application Layer 6. Presentation Layer 5. Session Layer Anwendungsorientierung Ebenen 1 bis 4 des Modells Betonung der TCP/IP- Protokollfamilie 4. Transport Layer 3. Network Layer 2. Link Layer 1. Physical Layer Kommunikationsnetzwerk Netzwerkorientierung Gängige technische Umsetzungen (OSI 1, 2, 3 Unten) Ethernet Mobile Netze Hochgeschwindigkeitsnetze Protokolle (OSI 3 Oben und 4) Beschränkung auf TCP/IP- Protokollfamilie IP- Protokoll (Ebene 3) UDP TCP Übersicht (c) Peter Sturm, Universität Trier 18

19 Literatur Charles M. Kozierok The TCP/IP Guide No Starch Press, 2005 James F. Kurose, K. W. Ross Computernetzwerke Pearson, 2008 (c) Peter Sturm, Universität Trier 19

20 Rechnernetze 2. Grundlagen Typische Topologien Dedizierte Leitungen Bus Zugangsverfahren Kollisionsfreier Zugang Kollisionserkennung Multicast & Broadcast Eigenschaftsgarantien Zugangsverfahren Ethernet Direkte Kommunikation zwischen zwei Knoten Routing Multicast/Broadcast? Eigenschaftsgarantien Topologie (c) Peter Sturm, Universität Trier 1

21 Busse Problem Paralleler Zugriff Kollision Signalüberlagerung Nachricht unlesbar (c) Peter Sturm, Universität Trier 2

22 Zugangsverfahren für Busse Kollisionen prinzipiell ausschließen Trennung trotz gemeinsamen Mediums Arbitrierung Kollisionen auflösen Optimistischer Ansatz Keine Fairness Trennungsverfahren FDMA Frequency Division Multiple Access Frequenzzuordnung z.b. in einer Initialisierungsphase Ausgangspunkt für viele mobile Netze (Mobilfunk, WLAN, ) TDMA Time Division Multiple Access Synchron, z.b. Bluetooth Asynchron (Kontrolliert) Token- basierte Verfahren auf Bussen CDMA Code Division Multiple Access Spread- Spectrum Signalmodulation basierend auf Folge von Pseudozufallszahlen Beispiel UMTS (c) Peter Sturm, Universität Trier 3

23 CSMA Listen before talk Medium wird vor dem Senden abgehört Reaktion auf belegtes Medium Nonpersistent: Zufallszeit warten und erneut probieren 1- persistent: Abhören bis Medium frei, dann senden P- persistent Abhören bis Medium frei Mit Wahrscheinlichkeit p sofort senden Mit Wahrscheinlichkeit (1- p) Zufallszeit warten CSMA/CD Listen while talk Auch während Senden Medium beobachten Bei Fehler sofortiger Abbruch (siehe Menschen) Erfordert gleichzeitige Sende- und Empfangsmöglichkeit In funkbasierten Systemen häufig nicht gegeben (c) Peter Sturm, Universität Trier 4

24 Dedizierte Leitungen Möglichkeiten Rechnernetz = Graph Knoten = Rechner Kanten = Kommunikationsverbindungen zwischen Rechnern Exklusive Nutzung des Links Gleichzeitig in beide Richtungen (Voll- Duplex) Jeweils in eine Richtung (Halb- Duplex) Routing Weiterleitung einer Nachricht zum Ziel Mehrere Zwischenhops (c) Peter Sturm, Universität Trier 5

25 Ordnung und Chaos Irregulär Beliebige Graphen Regulär Ring Stern Baum Hypercubes Einfach Inkrementell erweiterbar Knotenausfälle? Multicast- und Broadcast- fähig Obere Schranken für Nachrichtenlaufzeit garantierte Bandbreite Bekannte Vertreter Token- Ring Slotted- Ring FDDI Ringe (c) Peter Sturm, Universität Trier 6

26 Einfache Struktur Zentrale Leistungsengpaß und SPOF Eigenschaften? Multicast, Broadcast, Laufzeit,... Geswitchte Ethernet- LANs Ethernet- Switching Kreuzverschaltung von n Ports Crossbar- Switch Ab 1 GBit Ethernet zwingend notwendig Port = Einzelne Station Segment Weitergabe von Frames Store- and- Foreward Cut- Through P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 (c) Peter Sturm, Universität Trier 7

27 Gitter, Würfel, Torus, Baum... Reguläre Strukturen Günstige Eigenschaften Redundante Wege Nachrichtenlaufzeiten Multicast und Broadcast Meist in IN und LAN Beispiel Hypercube Typische Struktur im Bereich Parallelrechner Beispiel Hypercube Reguläre Struktur = Deterministisch Routing Einfaches Schema bei geeigneter Wahl der Rechneradressen Obere Schranke für die Hop- Anzahl Zuverlässigkeit Redundante Wege Einfacher Auoau Logarithmische Kantenanzahl pro Knoten (c) Peter Sturm, Universität Trier 8

28 Routing innerhalb eines Netzes 00 X- 10 Beispiel Hypercube Geeignete Wahl der Knotenadressen Routing Vergleich der binären Adressen Anzahl ungleicher Bits reduzieren Redundante Wege X X 01 X X- X- - - X X X- - - X X- 011 X (c) Peter Sturm, Universität Trier 9

29 Rechnernetze 3. UDP Aller Anfang ist... (c) Peter Sturm, Universität Trier 1

30 Send und Receive Nachricht = Folge von Bytes Zeiger auf den Anfang der Nachricht im Speicher Länge (Anzahl Bytes) Send Nachricht Empfängeradresse Receive Puffer für Nachricht Senderadresse Adresse Netzwerkspezifisch Internet IPv4 DNS- Name oder IP- Adresse Portnummer (c) Peter Sturm, Universität Trier 2

31 https://github.com/asysob/pingpong_udp_java.git Java (c) Peter Sturm, Universität Trier 3

32 Server Client (c) Peter Sturm, Universität Trier 4

33 https://github.com/asysob/pingpong_udp_csharp.git C# (.NET) Server (c) Peter Sturm, Universität Trier 5

34 Client GetIPAddress (c) Peter Sturm, Universität Trier 6

35 Rechnernetze 4. TCP Reliable Streams (c) Peter Sturm, Universität Trier 1

36 Features Reliable Behandlung transienter Fehler Keine Nachrichtenverluste Stream Reihenfolge- erhaltend First- In First- Out (FIFO) Sendegranulat geht verloren Symmetrisch? Geht nicht! Erst verbinden, dann senden! (c) Peter Sturm, Universität Trier 2

37 Asymmetrisch Passiver Part Wartet auf Verbindungswünsche Server Aktiver Part Initiiert eine Verbindung Client Server Client (c) Peter Sturm, Universität Trier 3

38 Ansatz Passive Seite (Server): 1. Socket erzeugen 2. Socket an Portnummer binden 3. Initialisierung der Verbindungsannahme (listen) 4. Auf Verbindungswunsch warten (accept) Aktive Seite (Client): 1. Socket erzeugen 2. Server ermitteln (IP- Adresse, Portnummer) 3. Verbindung autauen (connect) Client Client Client Server Server Server Apparat 2 Listen, Accept und Connect Server- Seite Initialisierung des passiven Wartens: retcode = listen ( int socket, int queue_length ) Socket wird passiv Auf Verbindungswünsche warten: retcode = accept ( int socket, sockaddr_in *client, int *client_len ) Client- Seite Verbindungswunsch herstellen: retcode = connect ( int socket, sockaddr_in *server, int server_len ) (c) Peter Sturm, Universität Trier 4

39 Ablauf eines VerbindungsauTaus (1) Sockets erzeugen Client cs Server as as = socket(...,sock_stream,0); cs = socket(...,sock_stream,0); Ablauf eines VerbindungsauTaus (2) Server- Adresse (Portnummer) festlegen Server Client cs as as = socket(...,sock_stream,0); bind(as,server_port); cs = socket(...,sock_stream,0); (c) Peter Sturm, Universität Trier 5

40 Ablauf eines VerbindungsauTaus (3) Server- Socket wird passiv Server Client cs as as = socket(...,sock_stream,0); bind(as,server_port); cs = socket(...,sock_stream,0); listen(as,4); Ablauf eines VerbindungsauTaus (4) Verbindungswunsch des Clients Server Client cs as as = socket(...,sock_stream,0); bind(as,server_port); cs = socket(...,sock_stream,0); listen(as,4); connect(cs,server(host,port)); (c) Peter Sturm, Universität Trier 6

41 Ablauf eines VerbindungsauTaus (5) Server akzeptiert Verbindungswunsch Server s Client cs as cs = socket(...,sock_stream,0); as = socket(...,sock_stream,0); bind(as,server_port); listen(as,4); connect(cs,server(host,port)); s = accept(as,...); Ablauf eines VerbindungsauTaus (6) Datenübertragung Server ns Client cs as cs = socket(...,sock_stream,0); as = socket(...,sock_stream,0); bind(as,server_port); listen(as,4); connect(cs,server(host,port)); ns = accept(ss,...); write(cs,...); write(cs,...); read(ns,...); (c) Peter Sturm, Universität Trier 7

42 Programmierung Server (C) (c) Peter Sturm, Universität Trier 8

43 Client (C) (c) Peter Sturm, Universität Trier 9

44 Server (C#) Client (C#) (c) Peter Sturm, Universität Trier 10

45 Tools Tools Statistiken netstat, ntop, Abfragen traceroute, nslookup, Sniffer ethereal, tcpdump, (c) Peter Sturm, Universität Trier 11

46 netstat Tool: ethereal (jetzt WireShark) Packet Sniffer Capture Offline Analyse Mehrere Detailstufen (c) Peter Sturm, Universität Trier 12

47 Kommandozeilen- Sniffer Tool: tcpdump Konfiguration des Beobachtungsmodus Beschränken auf bestimmte Netze, Hosts, Ports Richtung (src oder dest) Protokoll Ethernet Gateway (Netzempfänger ungleich Empfänger) Broadcast, Multicast Ausgabe ist z.b. über Perl- Skripte auswertbar (c) Peter Sturm, Universität Trier 13

48 Tool: nmap Port Scanner UDP TCP u.u. lange Laufzeit Vorsicht! nmap: TCP- Scan (c) Peter Sturm, Universität Trier 14

49 nmap: UDP- Scan Tool: ntop Netzwerk- Top Zwei Modi HTTP Interaktiv (c) Peter Sturm, Universität Trier 15

50 Rechnernetze 5. Internetzwerke Rekursiver Au+au Vernetzung von Netzen über dedizierte Leitungen Router oder Gateway Vermitteln von Nachrichten 2 Netzanschlüsse (Multi- homed host) Schutzfunktionen Beste Wege Probleme Adressierung Routing Maximale Nachrichtengröße Bekannter Vertreter Internet Netz 1 Gateway Netz 2 (c) Peter Sturm, Universität Trier 1

51 Routing im Internetzwerk Zwei Aspekte Innerhalb eines Netzes Zwischen Netzen Ziel Nachricht findet Weg zum Ziel Bei mehreren Alternativen? Metriken Latenz Übertragungsbandbreite Hops Kosten All Pairs Shortest Paths Floyd- Warshall- Algorithmus O(n 3 ) Skizze (c) Peter Sturm, Universität Trier 2

52 Dreiecksungleichung A 5 B 13 A kennt Weg nach C mit Kosten 20 A kennt Weg nach B mit Kosten 5 20 C A erfährt: B kennt Weg nach C mit Kosten 13 Routing Wahl des richtigen Weges zu einem Empfänger Mehrere Alternativen vorhanden Speicherung der Alternativen Speicherung der aktuell besten Route zum Ziel Kosten meist Hop- Count (c) Peter Sturm, Universität Trier 3

53 Routingtabelle Ziel Via Kosten Device Lifeness Knoten C B 20 eth0 3 min Knoten B - 5 eth1 2 min Netzwerk XYZ Q 42 eth1 3 d Zielknoten, Zielnetz Kosten (Kostentabelle) Lifeness- Informationen Periodischer Abgleich der Routing- Information Große Netze Routingtabelle kann nicht alle Ziele speichern Default- Router In allen Zweifelsfällen Ziel Kosten Via Device Lifeness Knoten C 20 B eth0 3 min Knoten B 5 - eth1 2 min Netzwerk XYZ 42 - eth1 3 d * r eth0 (c) Peter Sturm, Universität Trier 4

54 IP Einordnung in OSI- Modell Internet- Protokolle: FTP, TELNET, SMTP, DNS, NSP, NTP, HTTP,... Ebene 4-7 RPC- Protokolle PVM, MPI, Corba,... UDP TCP Ebene 3 IP / ICMP / ARP / RARP / (Routingprotokolle) Ebene 1-2 IEEE 802.X X.25 (c) Peter Sturm, Universität Trier 5

55 IP- Adressen (IPv4) Class A: Netze mit jeweils bis zu Rechnern 0 netid(7) hostid(24) Class B: Netze mit jeweils bis zu Rechnern 1 0 netid(14) hostid(16) Class C: Netze mit jeweils bis zu Rechnern netid(21) hostid(8) Bit Bit 32 IP- Adressen (cont.) Schreibweise: Dotted Decimal = Ist ein Class X- Netz? Netzanteil? Hostanteil? Symbolische Namen = balvenie.uni- trier.de Über verteilte Datenbank (DNS, NSP, LADP,...) IP- Netadresse Hostanteil ist 0 (c) Peter Sturm, Universität Trier 6

56 Class A - Netze Historisch die ersten Mitglieder des Internets Militärische Einrichtungen? Amerikanische Universitäten Multicast- und Broadcast- Adressen Multicast Multicast address(28) Bit Direkte Abbildung bei Multicast- fähigen Netzen Flooding- Algorithmen sonst Beispiel: Mbone Tunneln bei Unicast- Strecken Verwaltung der Multicast- Gruppen IGMP = Internet Group Management Protocol Broadcast Nur innerhalb eines Netzes Hostanteil alles 1 Bit 32 (c) Peter Sturm, Universität Trier 7

57 Subnetze Maximale Rechnernanzahl in Class- A- und Class- B- Netzen für ein Netz (z.b. Ethernet) zu groß Class A: Rechner Class B: Rechner Unterteilung in Unternetze 1 0 netid(14) hostid(16) 1 0 netid(14) subnetid(8) hostid(8) Bit Bit 32 Netzmaske definiert Grenze zwischen Subnetz und Hostanteil ARP und RARP Host A ARP Q (IA B ) ARP R (IA B,NA B ) Host B ARP = Address Resolution Protocol Ermittlung einer Netzwerkadresse im gleichem Netz Gegeben IA Gesucht NA Voraussetzung Broadcast- fähiges Netz Bei dedizierten Leitungen Konfigurationssache RARP = Reverse ARP Gegeben NA, Gesucht IA Diskless Clients (c) Peter Sturm, Universität Trier 8

58 20 Byte Header IP- Protokoll (IPv4) v hl tos Total Length identification f Fragment offset(13) Time to live protocol Header checksum source address destination address Maximale Größe IP- Datagramm 64 Kbyte inkl. Header Version Header Length Type of service IP- Protokoll (IPv4) Type of Service (tos) Hohe Zuverlässigkeit, Hoher Durchsatz, Geringe Latenz, Prioritäten Fragmentierung Identifikation zusammengehörender Fragmente Offset des Fragments im IP- Datagramm Time- to- live Hop- Count; wird von Routern dekrementiert (c) Peter Sturm, Universität Trier 9

59 Aufgaben der IP- Netzwerkebene Übertragung von IP- Datagrammen Routing Fragmentierung und Assembly TCP Application Layer IP / ICMP Ebene 4-7 Netzverwaltung und Ebene 3 Melden von Fehlern ICMP IEEE 802.X Ebene 1-2 X.25 UDP IP Routing (Prinzip) Normale Rechner Empfänger im selben Netz ARP falls notwendig Direkt Senden Empfänger in anderem Netz Nachricht an Default Router Router Routingtabelle durchsuchen Host- Match Network- Match Default Router Weiterleiten Routingtabelle Host Forward- NA Netz Forward- NA sonst Forward- NA (c) Peter Sturm, Universität Trier 10

60 IP: Fragmentierung und Assembly Intranet- Fragmentierung An jedem Hop Assembly und Fragmentierung Vorteil: Nutzung volle MTU Nachteil: Zusätzliche Kosten Problem: Fragmentverluste Internet- Fragmentierung Nur Fragmentierung bei kleiner werdender MTU Vor- und Nachteile? Netz 1 MTU- Path- Discovery Kleinste MTU auf dem Weg zum Empfänger bestimmen und entsprechend fragmentieren Wann sinnvoll? F3 F2 F1 Router Netz 2 ICMP (c) Peter Sturm, Universität Trier 11

61 Internet Control Message Protocol Erfüllen administrative Aufgaben im IP- Netz Fehlermeldungen Informative Meldungen ICMP- Nachrichten werden per IP übertragen Empfänger ist immer der ursprüngliche Sender ICMP Type Code Checksum Zusätzliche Daten (abhängig vom Typ) Byte ICMPv4 Errors Type Name Bedeutung 3 Destination Unreachable 4 Source Quench 5 Redirect 11 Time Exceeded 12 Parameter Problem IP- Datagramm konnte aus irgendwelchen Gründen (siehe Code) nicht ausgeliefert werden Überlastetes IP- Gerät bittet Sender, die Paketrate zu reduzieren Router informiert Sender über eine bessere Route Informiert einen Sender, wenn das TTL- Feld eines IP- Datagramms abgelaufen ist Code gibt Aufschluß über ein allgemeines Problem bei der Auslieferung eines Datagramms (c) Peter Sturm, Universität Trier 12

62 ICMPv4 Information Type Name Bedeutung 8 Echo Request Erreichbarkeitstest auf IP- Ebene 0 Echo Reply Antwort auf Echo- Request 9 Router Advertisment Router informieren Rechner über Existenz und Fähigkeiten 10 Router Solicitation Geräte bitten zuhörende Router um ein Advertisment 13 Timestamp (Request) Anfrage für einen Zeitstempel 14 Timestamp (Reply) Antwort zu Address Mask Request Gerät erfragt Subnetzmaske 18 Address Mask Reply Antwort zu Traceroute Verbesserung des Traceroute- Verfahrens (experimentell) Destination Unreachable Paketauslieferung fehlgeschlagen Selbst IP- Paket (also best Effort) 3 (Type) Code Checksum Anfang des auslösenden IP- Pakets (Header und ersten 8 Byte Daten) Byte (c) Peter Sturm, Universität Trier 13

63 Destination Unreachable (1) Code Message Subtype Beschreibung 0 Network Unreachable Angegebenes Netzwerk konnte nicht erreicht werdem 1 Host Unreachable 2 Protocol Unreachable 3 Port Unreachable 4 Fragmentation Needed 5 Source Route Failed 6 7 Destination Network Unknown Destination Host Unknown Angegebenes Netzwerk wurde erreicht, aber die Nachricht konnte an den spezifizierten Rechner nicht ausgeliefert werden Im IP- Header definiertes Protokoll wurde vom empfangenden Host nicht verstanden Der angesprochene Rechner hat für den angegebenen UDP- oder TCP- Port keinen Emfpangsprozeß eingetragen Nachricht wurde mit dem Don t Fragment - Flag versendet, müßte aber wegen kleinerer MTU zum Ziel fragmentiert werden (wird z.b. bei der MTU Path Discovery verwendet) Sender hat explizite Route angegeben, die es einem Router unmöglich macht, die Nachricht sinnvoll weiterzuleiten Unbenutzt (stattdessen wird Code 0 verwendet) Der angegebene Rechner ist im Zielnetz unbekannt Destination Unreachable (2) Code Message Subtype Beschreibung 8 Source Host Isolated Veraltet Communication with Destination Network Administratively Prohibited Communication with Destination Host Administratively Prohibited Destination Network Unreachable for ToS Destination Host Unreachable for ToS Communication Administratively Prohibited Sender hat keine Befugnis mit Rechnern im angegebenem Netzwerk zu kommunizieren Sender hat keine Befugnis mit angegebenem Empfänger zu kommunizieren Angegebener Type of Service wird vom Zielnetz nicht verstanden Angegebener Type of Service wird vom Zielrechner nicht verstanden Nachricht wurde aufgrund einer Inhaltsfilterung geblockt (c) Peter Sturm, Universität Trier 14

64 Source Quench Empfangsrechner bzw. Router wird überlastet Pufferspeicher voll Hauptgrund für Verlust eines IP- Pakets Gründe IP- Datagramme von vielen Sendern an ein Ziel Gewollt oder DDoS Schnellerer Rechner A kommuniziert mit Rechner B Von schnellem Link auf langsamen Link Datagramm- Verarbeitung behindert (z.b. HW- Fehler) Ungenutzt Time Exceeded Pakete leben nicht ewig Pragmatischer Ausschluß von Router- Loops Empfangsrechner erhält nicht alle Fragmente Ursprünglich Zeitbezug wegen mangelnder Uhrensynchronisation wenig sinnvoll Heute Beschränkung der Hops (c) Peter Sturm, Universität Trier 15

65 traceroute Weg im Internet vom Sender zum Empfänger Strategie Nachricht mit wachsendem TTL- Feld Auswertung der ICMP- Rückantwort Inkonsistente Sichten möglich aber eher unwahrscheinlich Graphische Varianten Geographische Position einiger Router / Gatways bekannt E S Beispiel (Sommer 2005) Von Konz nach Trier über DFN: gateway:~ # traceroute tamdhu.uni- trier.de traceroute to tamdhu.uni- trier.de ( ), 30 hops max, 40 byte packets 1 ffm2- d1-2.mcbone.net ( ) 148 ms 149 ms 150 ms 2 G ffm4- gsr.mcbone.net ( ) 149 ms 160 ms 150 ms 3 ir- frankfurt2.g- win.dfn.de ( ) 159 ms 150 ms 150 ms 4 cr- frankfurt1.g- win.dfn.de ( ) 159 ms 150 ms 150 ms 5 cr- muenchen1.g- win.dfn.de ( ) 169 ms 169 ms 170 ms 6 cr- stuttgart1.g- win.dfn.de ( ) 169 ms 160 ms 160 ms 7 ar- kaiserslautern1.g- win.dfn.de ( ) 159 ms 160 ms 160 ms 8 ar- kaiserslautern2.g- win.dfn.de ( ) 159 ms 160 ms 160 ms 9 vxr- serial1-0.uni- trier.de ( ) 169 ms 160 ms 160 ms 10 sw3rsm- extern.uni- trier.de ( ) 169 ms 170 ms 170 ms 11 cisco- 224.uni- trier.de ( ) 169 ms 170 ms 170 ms 12 tamdhu.uni- trier.de ( ) 169 ms 169 ms 170 ms (c) Peter Sturm, Universität Trier 16

66 Beispiel (November 2006) Von Konz nach Trier über Landesnetz: 1 p54a62d29.dip0.t- ipconnect.de ( ) ms ms ms 2 * * * ( ) ms ms ms 4 f- ea3.f.de.net.dtag.de ( ) ms ms ms ( ) ms ms ms 6 sl- gw20- fra- 1-1.sprintlink.net ( ) ms ms ms 7 sle- interroute- 1-0.sprintlink.net ( ) ms ms ms 8 gi1-0.fra core- 1.interoute.net ( ) ms ms ms 9 po6-0.fra access- 1.interoute.net ( ) ms ms ms ( ) ms ms ms 11 g- hbf- mz- 1.rlp- net.net ( ) ms ms ms 12 g- hbf- ko- 1.rlp- net.net ( ) ms ms ms 13 g- hbf- tr- 1.rlp- net.net ( ) ms ms ms 14 g- uni- tr- 1.rlp- net.net ( ) ms ms ms 15 uni- tr- gate.rlp- net.net ( ) ms ms ms 16 cisco- 224.uni- trier.de ( ) ms ms ms 17 tamdhu.uni- trier.de ( ) ms ms ms Von Konz nach Trier über Landesnetz: Beispiel (Juni 2013) ( ) ms ms ms isp.superkabel.de ( ) ms ms ms isp.superkabel.de ( ) ms ms ms dynip.superkabel.de ( ) ms ms ms dynip.superkabel.de ( ) ms ms ms dynip.superkabel.de ( ) ms ms ms dynip.superkabel.de ( ) ms ms ms dynip.superkabel.de ( ) ms ms ms dynip.superkabel.de ( ) ms ms ms 10 g- decix- 1.rlp- net.net ( ) ms ms ms 11 g- hbf- mz- 1.rlp- net.net ( ) ms ms ms 12 g- hbf- ko- 1.rlp- net.net ( ) ms ms ms 13 g- hbf- tr- 1.rlp- net.net ( ) ms ms ms 14 g- uni- tr- 1.rlp- net.net ( ) ms ms ms 15 uni- tr- gate.rlp- net.net ( ) ms ms ms 16 cisco- 224.uni- trier.de ( ) ms ms ms (c) Peter Sturm, Universität Trier 17

67 Rechnernetze 6. Routing in Internetzwerken Routing im Internetzwerk Zwei Aspekte Innerhalb eines Netzes Zwischen Netzen Ziel Nachricht findet Weg zum Ziel Bei mehreren Alternativen? Metriken Latenz Übertragungsbandbreite Hops Kosten (c) Peter Sturm, Universität Trier 1

68 Quo Vadis? Idee Jedes beteiligte Gerät (Rechner, Router) leitet Nachricht über einen dem Ziel näherbringenden Link weiter Probleme Identifikation des geeigneten Links Begrenzung der notwendigen Zustandsinformation Dynamik Dezentrale Steuerung (c) Peter Sturm, Universität Trier 2

69 Distanz- basiert Distanz- Vektor Bellman- Ford- Algorithmus Router speichern Distanzen zu bekannten Netzen Periodischer Abgleich der Tabellen Eingeschränkte Sicht auf Netz Link- basiert Link- State Router speichern aktuelle Karte des Netzes Wahl des kürzesten Pfads zum Ziel Periodischer Abgleich der Karten Vollständige Sicht auf Netz (wenn auch veraltet) (c) Peter Sturm, Universität Trier 3

70 Hybride Ansätze Überschau- und kontrollierbare, statische Netze Link- basiert Vorzugsweise im Backbone Zuhause Distanz- basiert sonst Bessere Dynamikeigenschaften Routing im Internet (c) Peter Sturm, Universität Trier 4

71 Routing in TCP/IP Zentraler Bestandteil von Ebene 3 (IP) AS 2 Autonome Systeme (AS) Logische Partitionierung des Internets Routing innerhalb AS Interior Routing Protocols Routing zwischen AS Exterior Routing Protocols AS 1 Border Router Inner Router Hierachie Routingprotokolle Regeln die Verteilung von Routinginformation Hierarchische Nachrichtenvermittlung Internet Backbone Core Router Redundante Infrastruktur Netz 3 CR Netz 1 Netz 2 (c) Peter Sturm, Universität Trier 5

72 Verwaltung der AS Internet Assigned Number authority (IANA) delegiert an Regional Internet Registry (RIRs) RIRs vergeben ASN ARIN RIPE NCC LACNIC ARIN AfriNIC Nordamerika APNIC RIPE NCC Europa, Mittlerer Osten, Zentralasien AfriNIC Afrika LACNIC Lateinamerika und Teile der Karibik APNIC Asien und Pazifikregion AS Number Pool (c) Peter Sturm, Universität Trier 6

73 Gängige Protokolle Interior Routing Protocols Distanz- Basiert Routing Information Protocol (RIP) RIP- 2 RIPNG Interior Gateway Routing Protocol (IGRP, Cisco) Enhanced Interior Gateway Routing Protocol (EIGRP, Cisco) Link- Basiert Open Shortest Path First (OSPF) Border Routing Protocols Hybrid Border Gatway Protocol (BGP) RIP und RIP- 2 (c) Peter Sturm, Universität Trier 7

74 Historisches Xerox PARC Network System Protokollfamilie (XNS) Universal Protocol (PUP) Gateway Information Protocol (GWINFO), später umbenannt zu RIP Ebene 4 7 Protokolle für Ethernet- Netzwerke Integration von RIP in BSD UNIX (1982) routed ( route- dee ) Industriestandard Nachträglich von der IETF fixiert Distanzvektor Netzwerk / Host Netzwerk / Host Distanz Distanz Network Adapter NA Netzwerk / Host Distanz NA Periodischer Austausch des Vektors (über UDP) Aktualisierung auf Basis der Dreiecksungleichung Beschränkung auf maximal 15 Hops Problematisch in sehr großen AS (c) Peter Sturm, Universität Trier 8

Vorwort... 5. Vorwort zur deutschen Übersetzung... 11

Vorwort... 5. Vorwort zur deutschen Übersetzung... 11 Vorwort.................................................... 5 Vorwort zur deutschen Übersetzung........................... 11 1 Einführung................................................ 23 1.1 Einführung................................................

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