Algorithmische Grundlagen des Internets

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1 Vrlesung Smmersemester 2002 Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik Algrithmische Grundlagen des Internets Universität Paderbrn Fakultät für Elektrtechnik, Infrmatik und Mathematik Institut für Infrmatik AG Theretische Infrmatik Algrithmen, Kmplexitätstherie, Paralleles Rechnen Algrithm. Grundlagen des Internets 1

2 Mtivatin und Ziel Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik Algrithmen und Prbleme des Internets Die Struktur des Internets ist histrisch gewachsen Vn kleinen Anfängen zum glbalen umfassenden Rechnernetzerk Das Internet vernetzt viele hetergene lkale Netzwerke (LAN) Ständig verändernde Nutzung Unterschiedliche Absichten der Nutzer Interessante algrithmische Prblemstellungen und entsprechend riginelle Lösungen. Ziel dieser Veranstaltung Theretische Hintergründe hinter beispielhaften Prblemstellungen und algrithmischen Lösungen vrstellen und diskutieren. Algrithm. Grundlagen des Internets 2

3 Inhalte Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik 2. Kurzübersicht TCP/IP 4. IP: Der Kampf gegen DS-Angriffe (denial f service) 6. TCP: Verteilte faire und effiziente Durchsatzptimierung 8. Der Webgraph: Struktur und Aufbau Suchalgrithmen für das Internet 9. P2P (Peer t Peer-Netzwerke): Effizientes File-sharing 11.Web-Caching: Surfen hne Engpässe Algrithm. Grundlagen des Internets 3

4 Organisatin Termine Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik Vrlesungsbegleitende Web-Seite: Mit Skript, Flien und Übungsaufgaben Termine: Vrlesung (V2) M F0.530 Übung (Ü1) Start heute: 28. April Gruppe: M 16:00-16:45, F Gruppe: M 17:00 17:45, F0.530 Prüfung (zwei Termine) 2./3. Wche nach Vrlesungszeit ein bis zwei Wchen vr Vrlesungszeit Abschlussveranstaltung am Algrithm. Grundlagen des Internets 4

5 Organisatin Vrlesung Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik Vrlesungsbetrieb Pwerpint-Flien nach der Vrlesung im Web verfügbar Tafelanschrieb und Flieninhalt durch Skript abgedeckt Zwischenfragen erwünscht Ausrichtung: Mdelle und Algrithmen (MuA) D.h. keine Implementatinsdetails, sndern Algrithmen Analyse vn Algrithmen Untere Schranken Wahrscheinlichkeitstheretische Analysen (nicht zu knapp) Fragestellungen sind mtiviert durch das Internet & WWW Algrithm. Grundlagen des Internets 5

6 Organisatin Übung Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik Kmbinierter Betrieb Wchenübungen Erhältlich vr der Übung vn Mntag bis Dnnerstag per WWW nach der Übung im WWW Dnnerstags Abgabe (freiwillig) Besprechung in Mntagsübung Präsenzübung Alternativveranstaltung zu Wchenübungsblatt Angepasste Aufgabenstellungen Wird zu Beginn der Übung verteilt In Gruppenarbeit gelöst Ergebnisse werden in der Übung diskutiert Algrithm. Grundlagen des Internets 6

7 Organisatin Literatur/Prüfung/Sprechstunde Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik Literatur: (ergänzend) wird während der Veranstaltung bekanntgegeben W. Richard Stevens, TCP/IP Illustrated, Vlume I, Addisn- Wesley, 1996 (ergänzend) Prüfung (DPO 4) Bentete 30-minütige mündliche Prüfung im Anschluß an die Veranstaltung Mögliche Prüfungsfragen werden am Ende der Veranstaltung veröffentlicht sind Übungsaufgaben (Öffentliche) Testprüfung auf Anfrage Sprechstunde: nach Vereinbarung Mail: Tel: Algrithm. Grundlagen des Internets 7

8 Eine Kurzeinführung vn TCP/IP Das Internet-Schichtenmdell Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik Das Internet (vn wrldwide inter-netwrking) ist das weltweite, ffene WAN (wide area netwrk) verbindet LANs (lcal area netwrks) ist systemunabhängig Anwendung z.b. Telnet, FTP, HTTP, Transprt Netzwerk Link TCP (transmissin cntrl prtcl) UDP (user datagramm prtcl) IP (internet prtcl) + ICMP (internet cntrl message prtcl) + IGMP (internet grup management prtcl) LAN (z.b. Ethernet, Tken Ring etc.) Algrithm. Grundlagen des Internets 8

9 Überblick Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik Algrithm. Grundlagen des Internets 9

10 Anwendungsschicht (applicatin layer) Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik Anwendungen (z.b WWW, , Telnet, FTP) erzeugen Kmmunikatinsverbindungen zwischen zwei Rechnern im Netzwerk Anfrderungen an Kmmunikatin: Verbindungen sind bidirektinal (ftmals Client-Server) Datenmenge kann variieren Die gegenläufigen Datenströme sind meist abhängig Fehlerfreie Übermittlung der Datenströme wird vrausgesetzt Kein Abbruch bei Verbindungspausen Kmmunikatin wird auf Transprtschicht delegiert Algrithm. Grundlagen des Internets 10

11 Transprtschicht (transprt layer) Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik TCP (transmissin cntrl prtcl) Erzeugt zuverlässigen Datenfluß zwischen zwei Rechnern Unterteilt Datenströme aus Anwendungsschicht in Pakete Gegenseite schickt Empfangsbestätigungen (Acknwledgments) UDP (user datagram prtcl) Einfacher unzuverlässiger Dienst zum Versand vn einzelnen Päckchen Wandelt Eingabe in ein Datagramm um Anwendungsschicht bestimmt Paketgröße Versand durch Netzwerkschicht Kein Ruting: End-t-End-Prtklle Algrithm. Grundlagen des Internets 11

12 TCP (I) Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik TCP ist ein verbindungsrientierter, zuverlässiger Dienst für bidirektinale Byteströme TCP ist verbindungsrientiert Zwei Parteien identifiziert durch Scket: IP-Adresse und Prt (TCP-Verbindung eindeutig identifiziert durch Scketpaar) Kein Bradcast der Multicast Verbindungsaufbau und Ende ntwendig Slange Verbindung nicht (rdentlich) beendet, ist Verbindung nch aktiv Algrithm. Grundlagen des Internets 12

13 TCP (II) Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik TCP ist ein verbindungsrientierter, zuverlässiger Dienst für bidirektinale Byteströme TCP ist zuverlässig Jedes Datenpaket wird bestätigt (acknwledgment) Erneutes Senden vn unbestätigten Datenpakete Checksum für TCP-Header und Daten TCP nummeriert Pakete und srtiert beim Empfänger Löscht duplizierte Pakete Algrithm. Grundlagen des Internets 13

14 TCP (III) Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik TCP ist ein verbindungsrientierter, zuverlässiger Dienst für bidirektinale Byteströme TCP ist ein Dienst für bidirektinale Byteströme Daten sind zwei gegenläufige Flgen aus einzelnen Bytes (=8 Bits) Inhalt wird nicht interpretiert Zeitverhalten der Datenflgen kann verändert werden Versucht zeitnahe Auslieferung jedes einzelnen Datenbytes Versucht Übertragungsmedium effizient zu nutzen = wenig Pakete Algrithm. Grundlagen des Internets 14

15 Netzwerkschicht (I) (netwrk layer) Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik IP (Internet Prtcl) + Hilfsprtklle ICMP (Internet Cntrl Management Prtcl) IGMP (Internet Grup Management Prtcl) Ermöglicht Verbund vn (lkalen) Netzwerken IP ist ein unzuverlässiger verbindungslser Datagrammauslieferungsdienst Datagramm besteht aus Anwendungsdaten und Header: Absender, Zieladresse TOS-Feld (type f service) TTL-Feld (time t live)... (z.b. Paketlänge, Checksum für Header) Algrithm. Grundlagen des Internets 15

16 Netzwerkschicht (II) (netwrk layer) Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik IP ist ein Datagrammauslieferungsdienst Sweit möglich direkte Übergabe vn Sender zu Empfänger Snst: Hp-Ruting über Ruter IP ist unzuverlässig Fehlerbehandlung: Falls Prblem beim Ruting: - Lösche Datagramm - Schicke Fehlermeldung durch ICMP an Absender Falls Prblem beim Ruting vn ICMP-Fehlermeldung - Lösche Fehlermeldungspaket Keine Redundanz vrgesehen TTL-Feld begrenzt Anzahl der Hps eines Datagramms Algrithm. Grundlagen des Internets 16

17 IP-Adressen und Dmain Name System (DNS) Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik IP-Adressen Jedes Interface in einem Netzwerk hat weltweit eindeutige IP- Adresse 32 Bits unterteilt in Net-ID und Hst-ID Net-ID vergeben durch Internet Netwrk Infrmatin Center Hst-ID durch lkale Netzwerkadministratin Dmain Name System (DNS) Ersetzt IP-Adressen wie z.b durch Namen wie z.b. stargate.uni-paderbrn.de und umgekehrt Verteilte rbuste Datenbank Algrithm. Grundlagen des Internets 17

18 Ruting im Internet durch IP Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik Ruting-Prinzip für Datagramm im Ruter: Falls Ziel = eigene ID, dann Übergabe an Transprtschicht Ansnsten falls Ziel-Netz = lkales Netz, dann verschicke Datagramm direkt an Zielrechner Ansnsten suche gemäß Ziel-IP-Adresse den nächsten Ruter aus lkaler Rutingtabelle und sende Datagramm zum nächsten Ruter Unterhalt vn Rutingtabellen manuell (LAN) der autmatisch durch RIP (Ruting Infrmatin Prtcl), OSPF (Open Shrtest Path First)... Algrithm. Grundlagen des Internets 18

19 Verbindungsschicht (link layer) Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik Schnittstelle zu lkalem Netzwerk wie z.b. Ethernet, der Tken Ring Umwandlung vn IP-Adressen in lkale Netzwerkadressen durch ARP (Address Reslutin Prtcl) RARP (Reverse Address Reslutin Prtcl) Evtl. Unterteilung der Datagramme in nch kleinere Pakete Algrithm. Grundlagen des Internets 19

20 Beispiel zum Zusammenspiel Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik Algrithm. Grundlagen des Internets 20

21 Datenkapselung Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik Algrithm. Grundlagen des Internets 21

22 IP-Header (RFC 791) Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik Versin IHL Type f Service Ttal Length Identificatin Flags Fragment Offset Time t Live Prtcl Header Checksum Surce Address Destinatin Address Optins Padding Versin: 4 = IPv4 IHL: Headerlänge in 32 Bit-Wörter (>5) Type f Service Optimiere delay, thrughput, reliability, mnetary cst Checksum (nur für IP-Header) Time t Live: maximale Anzahl Hps Prtcl, identifiziert passendes Prtkll Z.B. TCP, UDP, ICMP, IGMP Surce and destinatin IP-address Algrithm. Grundlagen des Internets 22

23 TCP-Header (I) Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik Prüfsumme Algrithm. Grundlagen des Internets Surce Prt Destinatin Prt Sequence Number Acknwledgment Number Data U A P R S F Offset Reserved R C S S Y I Windw G K H T N N Checksum Urgent Pinter Optins Padding Sequenznummer Für Header und Daten Headerlänge (data ffset) Absender-Prt + Ziel-Prt-Nr. Erlaubt mehrere TCP- Verbindungen pr IP-Adresse 23 = Nummer des ersten Bytes im Segment Jedes Datenbyte ist nummeriert mdul Bestätigungsnummer Nummer des nächsten nch nicht bearbeiteten Datenbytes = letzte Sequenznummer + letzte Datenmenge

24 TCP-Verbindungsaufbau Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik In der Regel Client-Server-Verbindungen Dann Aufbau mit drei TCP-Pakete (=Segmente) Mit ersten SYN-Segment auch Übermittlung der MSS (maximum segment size) Algrithm. Grundlagen des Internets 24

25 TCP-Verbindungssende Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik Half-Clse Sender kündigt Ende mit FIN- Segment an und wartet auf Bestätigung In Gegenrichtung kann weitergesendet werden 2 Half-Clse beenden TCP- Verbindung Algrithm. Grundlagen des Internets 25

26 TCP-Bestätigungen Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik Huckepack-Technik Bestätigungen reiten auf den Datenpaket der Gegenrichtung Hell! Seq.nr. 17 bla bla Seq.nr. 91 ACK: 17+6=23 Wrld Seq.nr. 23 ACK: 91+7=98 Eine Bestätigungssegment kann viele Segmente bestätigen Liegen keine Daten an, werden Acks verzögert Das Seq.nr. 154 ist Seq.nr. 157 es Seq.nr. 160 ACK: 162 Algrithm. Grundlagen des Internets 26

27 TCP - Algrithmus vn Nagle (typische Internetlösung) Universität Paderbrn EIM Institut für Infrmatik Wie kann man sicherstellen, dass kleine Pakete zeitnah ausgeliefert werden? Algrithmus vn Nagle Kleine Pakete werden nicht versendet, slange Bestätigungen nch ausstehen. Trifft die Bestätigung des zuvr gesendeten Pakets ein, s wird das nächste verschickt. Beispiel: Telnet versus ftp Selbsttaktend: Schnelle Verbindung = viele kleine Pakete Paket ist klein, wenn Datenlänge < MSS Algrithm. Grundlagen des Internets 27