Internet Deutschland - Struktur und Aufbau -

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1 Internet Deutschland - Struktur und Aufbau - Stefan Dierichs stefan.dierichs@internet-sicherheit.de Prof. Dr. Norbert Pohlmann norbert.pohlmann@informatik.fh-gelsenkirchen.de Institut für Internet-Sicherheit Fachhochschule Gelsenkirchen Neidenburger Str. 43, D Gelsenkirchen Einleitung Wir entwickeln uns zunehmend zu einer vernetzten Wissens- und Informationsgesellschaft, in der das Internet mit seinen Diensten eine besondere Rolle spielt. Aus diesem Grund sollten wir genau wissen, wie der Aufbau und die Struktur des Internets aussehen soll, sowie wer die wichtigsten Player sind und welche Bedeutung sie im Internet haben. Mit der stetig anwachsenden Bedeutung des Internets steigt gleichzeitig auch die Größe und Komplexität des Internets. Das Internet besteht heute aus einer riesigen Anzahl unterschiedlicher unabhängiger Netze, die über eine Vielzahl von Verbindungen (Links) über Router miteinander verbunden sind. Die ansteigende Größe und Komplexität des Internets wird daran ersichtlich, dass die Anzahl der Netze (Autonome Systeme) kontinuierlich ansteigt. Ein Autonomes System (AS) ist ein Verbund von Routern und Teil-Netzen, die einer einzigen administrativen Instanz unterstehen. Jedem Autonomen System (AS) wird dabei eine eindeutige AS-Nummer (ASN) zugewiesen. Der Zusammenschluss aller dieser Autonomen Systeme bildet das globale Internet. Die stetig zunehmende Anzahl der Autonomen Systeme liegt unter anderem daran, dass mehr und mehr Unternehmen die Verfügbarkeit des Internets mit seinen Diensten als unternehmenskritisch ansehen. Um flexiblen und redundanten Anschluss an das Internet zu ermöglichen, nutzen immer mehr Unternehmen die Möglichkeit des multihomings, d.h. eine redundante Anbindung an mehrere Provider, um die Zuverlässigkeit des Zugangs zum Internet zu verbessern. Dazu ist es notwendig, ein eigenes Autonomes System zu betreiben, um eigene Regeln für ihr Routing festlegen zu können. Auch ist es im Sinne der Quality-of- Service, die Anzahl der Hops zwischen Quelle und Ziel möglichst gering zu halten. Seite 1

2 Abbildung 1: Zahl der Autonomen Systeme/Netze im Internet (Quelle: bgp.potaroo.net) Die Umstände, dass die Anzahl der Autonomen Systeme im Internet stetig zunimmt und damit auch die Komplexität sowie die Tatsache, dass für immer mehr Unternehmen die Bedeutung des Internets größer wird, machen es notwendig, das Internet als komplexes Gebilde näher zu durchleuchten. Um die Erreichbarkeit des Internets auch im Fehlerfall zu gewährleisten, haben große Autonome Systeme viele Verbindungen untereinander. Dabei nutzen kleinere Autonome Systeme die Dienste größerer Autonomer Systeme. Will man die Internet-Infrastruktur genauer erfassen, so spielen genau diese Verbindungen eine wichtige Rolle. Die große Bedeutung dieser Informationsinfrastruktur wurde erst kürzlich durch den Nationalen Plan zum Schutz der Informationsinfrastruktur (NPSI) des Bundesministeriums des Innern verdeutlicht. Seite 2

3 Zahlen und Fakten des Internets Die Verwaltung der Autonomen Systeme bzw. der eindeutigen ASNs wird von der zentralen IANA (Internet Assigned Numbers Authority) an die jeweiligen regionalen RIR (Regional Internet Registries) weitergegeben. Die Anzahl der Autonomen Systeme im Internet muss differenziert betrachtet werden. Im Juli 2005 befanden sich ASN im Pool, d.h. noch zu vergebene ASN der IANA, während ASN bereits an die Regional Internet Registries weitergegeben wurden. Zum selben Zeitpunkt waren Autonome Systeme aktiv in der Routing-Tabelle und damit aktiv im Internet vorhanden. Da jeder BGP-Router über Routen- Informationen von anderen, insbesondere der benachbarten BGP-Routern verfügt, baut sich jeder BGP-Router eine Datenbank für die Routen zu allen erreichbaren Autonomen Systemen auf. Die aktuelle Größe der Tabelle mit den Routen-Informationen liegt bei ca Einträgen [GHP05]. Dies unterstreicht die Komplexität und Größe des Internets, anhand der Anzahl von möglichen Routen. Die für Europa zuständige Regional Internet Registry ist RIPE (Reseaux IP Europeens). RIPE verwaltet momentan ASN von denen tatsächlich in der globalen Routing- Tabelle auftauchen. Die Differenz sind ASN, die noch im Pool der RIPE als Reserve liegen und ASN, die von den Providern intern genutzt oder reserviert werden. Die IP-Adressen bzw. Adressebereiche (Prefixe) im Internet werden immer einem Autonomen System zugeordnet. Auch hier gibt es Zahlen über aktuell verwendete, veröffentlichte und reservierte Prefixe. Von den 2 32 theoretisch möglichen Adressen im Internet sind nach dem Stand August tatsächlich im Internet veröffentlicht, d.h. die Adressen tauchen in den veröffentlichen Prefixen der Autonomen Systeme in der globalen Routing-Tabelle auf. Ein Großteil der IP-Adressen ist zwar den einzelnen Autonomen Systemen zugeordnet, davon werden aber Adressen nur für den internen Gebrauch genutzt oder dienen den jeweiligen Autonomen Systemen als Reserve. So kommt es dass nur ca. 32% der möglichen 2 32 IP-Adressen momentan im Internet veröffentlicht werden. Inwieweit der Umstieg auf IPv6 die Handhabung der ASN und das Routing zwischen den Autonomen Systemen beeinflussen wird, ist schwer abzuschätzen. Ein einschneidender Punkt wird sein, dass es keine PI-Adressen (Provider Independent Adressen) mehr geben wird, was das Multihoming für Endkunden erschweren wird. Außerdem bleibt abzuwarten, ob Mechanismen wie die IPv6-Autokonfiguration, z.b. beim Provider-Wechsel, den erhofften Erfolg bringen werden. Bei den Zahlen für die vergebenen Domains ergeben sich für Monat August 2005 für Deutschland folgende Zahlen: Am 20. August 2005 ging bei der DENIC (Deutsches Network Information Center) der Auftrag für die 9-millionste.de-Domain ein, aktuell verwaltet die DENIC de-Domains (Stand 26.August 2005). Eine Übersicht über die zehn größten Top Level Domains (TLD) ist in Abb. 2 dargestellt. Die Zahlen basieren auf den Angaben der jeweiligen Registrierungsstellen. Seite 3

4 Abbildung 2: Top Level Domains, Stand Juli 2005 (Quelle: Hierarchie der Autonomen Systeme Die Anordnung der Autonomen Systeme im Gesamtverbund des Internets lässt erkennen, dass eine gewisse Rollenverteilung und Hierarchie existiert, und dass unterschiedliche Autonome Systeme eine größere Bedeutung als andere erfahren. Die genaue Hierarchie ist allerdings wenig bekannt: Zum einen, da keine zentrale Stelle existiert, bei der alle Autonomen Systeme ihre Beziehungen untereinander registrieren und zum anderen, da Informationen über die Beziehungen eines Autonomen Systems im Internet oft von den Betreibern der Netze aus geschäftstaktischen Gründen vertraulich behandelt werden. Für die Hierarchie der Autonomen Systeme im Internet sind die Beziehungen zwischen den jeweiligen Autonomen Systemen ein entscheidender Faktor. Daneben gibt es aber noch weitere Merkmale, an denen die Bedeutung und Größe des jeweiligen Autonomen Systems fest gemacht werden kann. Einen Ansatz, die Autonomen Systeme in einem Ranking zu ordnen, bietet das Projekt AS- Rank [ASR05]. Hier werden die Anzahl der direkte verbundenen Nachbarn und die Anzahl der veröffentlichten Prefixe gewertet, um die Autonomen Systeme in ein Ranking zu stellen. Abbildung 3: Darstellung der Wichtigkeit von Autonomen Systemen ( Seite 4

5 Die erforderlichen BGP-Daten (BGP: Border Gateway Protocol) stammen dabei vom Routeviews-Projekt der University in Oregon [ROV05]. Die Routing-Informationen vom Router des Routeviews-Projekts der Oregon University dienen vielen anderen Routing-Analysen im Internet als Grundlage, garantieren aber keine vollständige Abdeckung aller existierenden Routen im Internet. In der Abb. 3 ist das aktuelle Ranking der wichtigsten Autonomen Systeme zu sehen. Auf den Routing-Informationen des BGP-Protokolls basieren einige weitere Algorithmen, um die Vielzahl der Autonomen Systeme hierarchisch zu ordnen. Ein anderer Ansatz, den das Institut für Internet-Sicherheit (ifis) verwendet, ist der Algorithmus nach Lixin Gao [GAO01] zur Charakterisierung von Verbindungen zwischen Autonomen Systemen. Dabei werden im Wesentlichen zwei Typen von Verbindungen unterschieden: Provider Customer: Dabei ist der Customer meist ein kleineres Autonomes System, das den Provider für die Verbindung zum Rest des Internets (Upstream) bezahlt. Der Provider kann auch selbst wieder Customer eines größeren Autonomen System sein Peer Peer (oder auch Peering genannt): Zwei Autonome Systeme vereinbaren, den Datenverkehr untereinander und ihrer jeweiligen Kunden kostenneutral auszutauschen. Abbildung 4: Logische Struktur des Internets nach der Art der Verbindung Anhand der Typen der Verbindungen können Autonome Systeme entsprechend eingestuft werden. Autonome Systeme, die keine Customer mehr unter sich haben, sind sogenannte edgenetworks, d.h. Autonome Systeme, die keinen Transit mehr an weitere Autonome Systeme verkaufen. Damit sind sie Verbraucher-Netze (Business Customer) in der Gesamtstruktur der Autonomen Systeme. Ein weiterer Ansatz ist die einfache Unterteilung des Internets in Schichten (Tiers). Die bereits erwähnten edge-networks bilden dabei die unterste Schicht (Tier3), die großen Autonomen Systeme die keinen Upstream hinzukaufen müssen, bilden die oberste Schicht (Tier1), alle anderen Autonomen Systeme bilden die mittlere Schicht (Tier2). Seite 5

6 Abbildung 5: Logische Struktur des Internets nach Schichten (Tiers) Rollenverteilung in Deutschland Für eine genauere Betrachtung und eine richtige Einschätzung der Bedeutung von einzelnen Autonomen Systemen des Internet-Deutschlands ist es wichtig zu untersuchen, welche Rolle das jeweilige Autonome System im Zusammenspiel des Internet-Verbunds einnimmt. Das Institut für Internet-Sicherheit hat bei der Einstufung der Autonomen Systeme, speziell für Deutschland, einen erweiterten Ansatz gewählt. Dabei wurden die Aufgabe und die Bedeutung der Systeme speziell für den deutschen Raum genauer analysiert. Bei dieser Betrachtung spielen zusätzliche Faktoren eine entscheidende Rolle. Informationen über Größe und Ausdehnung der Systeme wurden aus oben genannten Quellen [GHP05], [ASR05], [ROV05] und [GAO00] recherchiert. Des Weiteren wurden Kundenzahlen von Internet-Service-Providern (ISP), Anzahl von gehosteten Webseiten oder die Anzahl der Visits der Online-Portale berücksichtigt. Auch spielte die Größe und wirtschaftliche Bedeutung des Unternehmens, zu dem das Autonome System gehört, eine Rolle für deren Bedeutung. Folgende fünf Typen von Autonomen Systemen wurden nach Bewertung der genannten Faktoren dabei definiert: Global Tier One Provider: Global Tier One Provider sind die größten weltweiten IP-Carrier, die für Deutschland eine entscheidende Rolle einnehmen. Dies sind z.b. MCI, AT&T, Sprint, Level3, Qwest, Cogent, Global Crossing, C&W. Transit Provider: Transit Provider sind Provider, die in Deutschland wenig bis keine privaten DSL-Kunden haben. Sie bieten Upstream für Eyeball ISPs und Business Customer und betreiben zumeist Peerings mit anderen Transit Providern und haben einen Upstream zu den großen Global Tier One Providern. Transit Provider, die für Deutschland eine besondere Rolle spielen, sind z.b. T-COM (Telekom), LambdaNet, KPN-Eurorings (NL), Telia (Schweden), TDC (Dänemark), Colt (NL), Telefonica (ES). Seite 6

7 Eyeball Internet Service Provider (ISP): Eyeball ISPs sind die größten deutschen DSL-Provider. Millionen von DSL-Usern sorgen hier für riesige Datenmengen. Eyeball ISPs sind z.b., T-Online (Telekom), 1&1 (United Internet), AOL, Freenet (Mobilcom), Arcor, HanseNet (Telecom Italia), NetCologne, GelsenNET. Eyeball ISP Kunden(in Mio.) T-Online 3,71 United Internet 1,34 AOL 0,9 Arcor 0,71 Freenet 0,52 Tiscali 0,38 HanseNet 0,34 Versatel 0,17 Netcologne 0,14 Abbildung 6: DSL-Kundenzahlen in Deutschland im Juni 2005 (Quelle: Content Provider: Content Provider stellen Webinhalte bereit, sei es durch das Hosten von vielen privaten Webseiten oder durch das Betreiben eines stark frequentierten Online-Portals. Content Provider sind z.b., Microsoft, Google, T-Online (Telekom), ebay, United Internet, Hosteurope, IP-Exchange. Online-Portale in Deutschland Microsoft Google T-Online ebay United Internet 0 2,5 5 7, , , ,5 Mio. Nutzer, Januar 2005 Abbildung 7: Online-Portale in Deutschland (Quelle: Focus, Ausgabe 12/2005) Business Customer: Business Customer sind große deutsche Unternehmen, die ein eigenes Autonomes System betreiben. Hier geht es mehr um die ökonomische Bedeutung der Verbindungen als um das Datenvolumen. Business Customer sind z.b. Deutsche Bank, Lufthansa, Allianz, BASF, Siemens, DATEV, Volkswagen, Metro, RWE. Eine strikte Einordnung in die fünf Kategorien ist nicht immer möglich. So gehört zum Beispiel das Autonome System hinter dem Namen Schlund dem Unternehmen United Internet an. Dieses Autonome System ist sowohl als Content-Provider als auch als DSL-Provider aktiv, wobei der DSL-Zugang größtenteils über den Backbone der Deutschen Telekom abgewickelt wird. Seite 7

8 Eine weitere Rolle spielen bei dieser Betrachtung die so genannten Internet Exchange Points (IXP), sie dienen als Austauschknoten für den Datenverkehr zwischen den Autonomen Systemen. Sie werden typischerweise genutzt um die Abhängigkeit von Upstream-Providern zu reduzieren sowie die Effizienz und Fehlertoleranz zu steigern. Größter deutscher CIX (Commercial Internet Exchange) ist der DECIX (Deutscher CIX) in Frankfurt am Main. Laut Statistiken fließen in Spitzenzeiten bis zu 40 Gbit/s durch diesen Knoten. Daneben existieren noch weitere regionale Internet-Knoten in Deutschland. Seite 8

9 Internet-Infrastruktur Auf der Basis der gewonnenen Informationen basiert nun die Analyse der Internet- Infrastruktur in Deutschland. Dabei werden die Verbindungen zwischen den beteiligten Autonomen Systemen in Deutschland analysiert und dargestellt. Das Ergebnis der Analyse ist eine Internet-Karte, vergleichbar mit einer Straßenkarte, die die wichtigsten Datenautobahnen für Deutschland darstellt. Ein entscheidender Faktor bei der Erstellung der Internet-Karte über die Infrastruktur des Internets in Deutschland ist die Auswahl der Autonomen Systeme und die Kategorisierung in die oben beschriebenen fünf Kategorien. Dabei haben wir uns auf die, aus unserer Sicht, wichtigsten Autonomen Systeme konzentriert. Die anschließende Recherche der Verbindungen erfolgte anhand der Routing-Informationen des Routeviews-Projekts und anderer Recherchemöglichkeiten, wie der RIPE oder den Looking-Glass Services der Provider, ein Werkzeug, um im Internet Informationen über Übertragungswege zu erhalten. Die Verbindungen werden dabei auf der logischen Ebene dargestellt, d.h. mit welcher Bandbreite und an welchen Orten die jeweiligen Systeme verbunden sind, geht aus der Darstellung nicht hervor. Im Institut für Internet-Sicherheit können wir mit dieser Internet-Karte für Deutschland die Wichtigkeit von Verbindungen und die Abschätzung der Kommunikationsdaten (private Nutzer, Business-Nutzer, usw.) für das Projekt Internet-Analyse-System [Pohl05] zur Bewertung heranziehen. Die Visualisierung des komplexen Gebildes von Autonomen Systemen und deren Verbindungen erfolgt in Anlehnung an andere bereits existierende Visualisierungsprojekte, wie das opte-projekt [OPT05] oder die Maps der Caida [CAI05]. Bei der Visualisierung der Internet-Karte wurde hierzu die Grafik-Engine Graphviz [GRA05] genutzt, sie ermöglicht eine automatisierte Erzeugung von gerichteten und ungerichteten Graphen anhand einer Konfigurations-Datei. In dieser Datei werden alle Systeme und deren Verbindungen eingetragen - so können Grafiken mit unterschiedlichen Parametern in unterschiedlicher Form generiert werden. In Abb. 8 wird eine spezielle Ausprägung der Internet-Karte für Deutschland dargestellt. Abbildung 8: Internet-Infrastruktur in Deutschland (Poster DINA1) Seite 9

10 Hinweis: Die Internet-Karte für Deutschland kann im Institut für Internet-Sicherheit als Plakat erworben werden. Schlußbetrachtung und Ausblick Die Internet-Infrastruktur unterliegt einer hohen Fluktuation und sie wird durch viele Faktoren beeinflusst. Die Anzahl der Autonomen Systeme nimmt weiter zu, die Komplexität der Verbindungen steigt zunehmend und die deutschen DSL-Provider streben für das Jahresende die 10 Millionen Grenze an DSL-Kunden an. All dies sind Faktoren, die das komplexe Gebilde der Autonomen Systeme, das Internet, in Zukunft wachsen und verändern lassen. Somit ist die Analyse der Internet-Infrastruktur in Deutschland ein kontinuierlicher Prozess, bei dem auch die Analysemöglichkeiten weiterentwickelt werden müssen. Zudem kann der Informationsgehalt der Internet-Karte gesteigert werden, indem mehr und mehr Informationen über die Art der Verbindungen (Peering/Transit) und über die Bandbreiten mit aufgenommen werden. Ein weiterer interessanter Punkt ist auch der physikalische Verlauf der Verbindungen innerhalb und zwischen den Autonomen Systemen. Viele Glasfaserleitungen verlaufen gemeinsam in ehemaligen Gasleitungs-Trassen [HOB05], so dass auch geographisch Datenautobahnen existieren. Das Projekt ermöglicht viele Sichtweisen auf das Internet, und stellt damit ein gutes Instrument für strategische Entscheidungen dar. Quellen [GHP05] Exploring Autonomes System Numbers, [ASR05] AS-Ranking, [ROV05] University of Oregon Route Views Project, [GAO00] On Inferring Autonomous System Relationships in the Internet, [OPT05] The Opte Project, [CAI05] The Caida Web Site, AS internet graph, [GRA05] Graphviz Graph Vizualization software, [HOB05] Bosse der Fasern, Holger Bleich, [Pohl05] N. Pohlmann: Internetstatistik, Proceedings of CIP Europe 2005, Hrsg.: B.M. Hämmerli, S.D. Wolthusen; Gesellschaft für Informatik, Bonn weitere Informationen: NPSI Nationaler Plan zum Schutz der Informationsinfrastruktur Routing Internet Routing Architectures, Sam Halabi, Danny McPherson DENIC Deutsches Network Information Center, IANA Internet Assigned Numbers Authority, RIPE Reseaux IP Europeens, Institut für Internet-Sicherheit, Seite 10