Seite 102. Netzrechner und Hostrechner getrennt. Kapitel 2: Kommunikationsprotokolle. Seite 101

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1 Auf dem Weg zum heutigen Internet Ziel: Zusammenschaltung von Rechnern und Rechnernetzen unter Verwendung von einheitlichen Protokollen. Eine besonders wichtige Initiative dazu ging aus von der ARPA (Advanced Research Project Agency, mit militärischen Interessen). Die Beteiligung des Militärs war die einzige Möglichkeit, ein außerordentlich anspruchsvolles und überaus teures Vorhaben sinnvoll angehen zu können. Die OSI-Spezifikation war noch lange nicht so weit. Ergebnis: ARPANET (Vorläufer des heutigen Internet) Seite 101 ARPANET Ein Subnetz besteht aus: Interface Message Prozessoren (IMP), die durch gemietete Übertragungsstrecken miteinander verbunden sind. Hohe Vermaschung (Zur Sicherstellung der geforderten Ausfallsicherheit) Host-IMP Protocol Host-Host Protocol Source IMP to destination IMP protocol Subnet Host IMP Seite 103 ARPANET Designziel von ARPANET Die Funktionsfähigkeit des Netzes sollte selbst nach einer größten anzunehmenden Katastrophe, z.b. einem Atomkrieg, erhalten bleiben, daher hohe Vermaschung und Paketvermittlung Netzrechner und Hostrechner getrennt Subnet ARPA Advanced Research Projects Agency ARPANET 1969 Seite 102 IMP-IMP Protocol Ein Knoten besteht aus einem IMP einem Host Mehrere Protokolle für die Kommunikationsformen IMP-IMP, Host-IMP,... Der Anfang von ARPANET XDS 940 Stanford Research Institute (SRI) IMP IBM 360/75 IMP University of California Santa Barbara (UCSB) XDS 1-7 IMP IMP California University of California Los Angeles (UCLA) DEC PDP-10 University of Utah ARPANET (Dezember 1969) Seite 104

2 Ausbau von ARPANET Sehr schneller Ausbau von ARPANET innerhalb kürzester Zeit: SRI Utah Illinois MIT SRI Utah Illinois Stanford Harvard Aberdeen UCSB USC MIT UCSB USC CMU UCLA UCLA Harvard ARPANET im April 1972 ARPANET im September 1972 Seite 105 TCP/IP Entwickelt 1974: Transmission Control Protocol / Internet Protocol (TCP/IP) Anforderungen: Fehlertoleranz Maximal mögliche Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit Flexibilität (d.h. soll sich für Anwendungen mit sehr unterschiedlichen Anforderungen eignen) Das Ergebnis: Netzwerkprotokoll IP; (Internet Protocol; verbindungslos) Ende-zu-Ende-Protokolle TCP (Transmission Control Protocol; verbindungsorientiert) bzw. UDP (User Datagram Protocol; verbindungslos) Seite 107 Interworking Problem: Interworking! Parallel zum ARPANET hatten sich noch weitere (kleinere) Netze entwickelt. All die LANs, MANs, WANs hatten unterschiedliche Protokolle, Medien,... konnten zunächst nicht miteinander verbunden werden und schon gar nicht miteinander kommunizieren. Deshalb: Entwicklung einheitlicher Protokolle auf Transport- und Netzwerkebene (ohne allzu exakte Definition dieser Ebenen, insbesondere ohne genaues Abstimmen mit den entsprechenden OSI-Ebenen). Resultat: TCP/IP-Netze. Seite 106 TCP/IP und das OSI-Referenzmodell Anwendungsebene (Application Layer) Darstellungsebene (Presentation Layer) Sitzungsebene (Session Layer) Transportebene (Transport Layer) Netzwerkebene (Network Layer) Sicherungsebene (Data Link Layer) Bitebene (Physical Layer) Anwendungsebene Transportebene (TCP/UDP) Internetebene (IP) Host-to-Network-Ebene ISO/OSI TCP/IP Seite 108

3 TCP/IP vs. OSI Beide Modelle basieren auf hierarchischen Protokoll-Suites OSI: TCP/IP: Klare Abgrenzung zwischen: Keine vergleichbar klare Trennung: 1. Diensten 2. Schnittstellen 3. Protokollen Das OSI-Referenzmodell entstand früher als OSI-Protokolle und Produkte Protokolldesigner hatten häufig nicht allzu viel Erfahrung. Das Modell war nicht auf OSI- Protokolle beschränkt, sondern sehr allgemein verwendbar. Protokolländerungen sind schwierig und manchmal fast unmöglich Die Protokolle kamen früher als das Modell. Das Modell war wenig mehr als eine (nicht immer zureichende) Beschreibung des Systemverhaltens. Die Protokolle passten gut zum Modell. Das Modell war auf andere Protokoll- Suites praktisch nicht übertragbar. Seite 109 Internet Was heißt ein Rechner ist am Internet? - Verwendung der TCP/IP-Protokollfamilie - Erreichbarkeit über eine IP-Adresse - Fähigkeit, IP-Pakete zu versenden In seiner Frühzeit war das Internet im wesentlichen auf folgende Anwendungen beschränkt: Elektronische Post (u.a. deshalb, weil die US-Post wenig zuverlässig war und weil die unterschiedlichen Zeitzonen die telefonische Erreichbarkeit des Gesprächspartners erschwerten) Remote Login Ausführen von Jobs auf fremden Rechenanlagen File Transfer Austausch von Datenbeständen Seite 111 Vom ARPANET zum Internet 1983 wurde TCP/IP offizielles Protokoll von ARPANET. ARPANET wurde mit vielen anderen USA-Netzen verbunden. Interkontinentale Anbindung von Netzen in Europa, Asien, Pazifik. Das so entstandene Gesamtnetz wurde zunehmend als weltweit verfügbares Netz (als Internet ) aufgefasst und verlor allmählich seinen frühen militärisch dominierten Charakter. Kein festes, zentral verwaltetes Netzwerk, sondern ein weltweiter Zusammenschluss aus vielen einzelnen, verschiedenartigen Netzwerken unter lokaler Kontrolle (und Finanzierung) 1990 bestand das Internet aus 3,000 Netzen mit 200,000 Rechnern. Das war aber erst der Anfang einer rasanten Entwicklung. Seite 110 Entwicklung des Internets Bis 1990: Internet vergleichsweise klein, nach außen kaum sichtbar. Wenig mehr als Spielwiese für Universitäten und Forschungseinrichtungen. Ab 1990: Das WWW (World Wide Web) - zunächst entwickelt vom CERN zur Vereinfachung der Kommunikation im Bereich der Hochenergiephysik - wurde, zusammen mit HTML und Netscape-Browsern, die von wohl niemandem vorhergesehene Killer Application ; das war der Durchbruch für die Akzeptanz des Internets. Aufkommen sogenannter Internet Service Provider (ISP), d.h. Firmen, die ihre Rechner als Einwahlkonten in das Internet zur Verfügung stellen. Millionen neuer, vorwiegend nichtakademischer Nutzer! Neue Anwendungen, z.b. E-Commerce 1995: Backbones, Zehntausende LANs, Millionen angeschlossener Rechner, exponentiell steigende Nutzerzahlen 1998: Die Zahl angeschlossener Rechner verdoppelt sich ca. alle 6 Monate. 1999: Das übertragene Datenvolumen verdoppelt sich in weniger als 4 Monaten Seite 112

4 lokale Betreiber kontrollieren und finanzieren globale Koordination durch einzelne Organisationen Internet-Provider ermöglichen den Zugang für Privatleute Nutzung von Anwendungen wie dem WWW zum internen Datenaustausch Seite 115 heterogene Netzstrukturen aus verschiedenen Unternehmensbereichen lassen sich mit TCP/IP leicht integrieren Rechner sind vom globalen Internet abgeschottet (Datensicherheit) unternehmensinterne Kommunikation mit gleichen Protokollen und Anwendungen wie im Internet Intranet Kommunikation über das TCP/IP-Protokoll: ein Rechner ist am Internet, wenn er die TCP/IP-Protokolle verwendet, über eine IP-Adresse erreichbar ist und IP-Pakete versenden kann. Internet Verbindung zu internationalen Netzen, z.b. in das Europäische Wissenschaftsnetz und in die USA, Russland oder China Netzdienste Paketvermittelnd, auf Basis von SDH Gigabit-Wissenschaftsnetz (G-WIN) insbesondere von Einrichtungen und Personen aus Wissenschaft, Forschung, Bildung und Kultur in nationalen und internationalen Netzen fördert die Kommunikation und den Informationsund Datenaustausch Der Verein zur Förderung eines Deutschen Forschungsnetzes e.v. (DFN) Gigabit-Wissenschaftsnetz Internet und Intranet Seite 113 Entwicklung in Europa Anfang (geschätzte) 171 Millionen Hosts an das Internet angeschlossen Entwicklung des Internets Seite 116 Seite 114

5 Ethernet IGMP TCP Telnet Token Ring ICMP FTP Netze Protokolle HTTP Die TCP/IP Protocol Suite Token Bus IP SMTP ARP RARP Wireless LAN UDP Seite 119 Host-tonetwork Layer Internet Layer Transport Layer Application Layer Seite 117 Verbindet mehr als 30 Länder 2.5 Gbit/s Backbone, Upgrade nach 10 Gbit/s (2003) europäisches Forschungsnetz seit 2001 (Vorgänger: TEN-155) Routingtabellen Routingprotkolle Grobe Aufteilung in drei Aufgabenbereiche: Datentransfer über ein globales Netz Wegwahl an den Zwischenknoten Kontrolle über den Netz- oder Sendezustand Internet-Layer TFTP Augsburg Dresden Regensburg Garching Erlangen Leipzig Berlin SNMP Stuttgart Würzburg Ilmenau Göttingen Magdeburg Braunschweig Europäisches Wissenschaftsnetz GÉANT DNS Karlsruhe Heidelberg Frankfurt Marburg Bielefeld Hannover Oldenburg Essen Kaiserslautern GEANT Aachen St. Augustin Global Upstream Rostock Kiel Hamburg Anschluss des G-WIN an Deutsche Telekom AG / T-Online (34 MBit) DE-CIX, zentraler Austauschpunkt der deutschen Internet-Provider (1 GBit) US-Amerikanisches Internet (2x 622 MBit) Europäisches Wissenschaftsnetz GÉANT (2,5 / 10 GBit) 10 Gbit/s 2,4 Gbit/s 2,4 Gbit/s 622 Mbit/s Core Node GÉANT Deutsches G-Win Kontrollprotokolle: ICMP, ARP Transferprotokolle: IPv4, IPv6 Seite 120 Seite 118

6 IP Internet Protocol IP: verbindungslose, unzuverlässige Übertragung von Datagrammen bzw. Paketen ( Best effort ) Transparente Ende-zu-Ende-Kommunikation zwischen Rechnern Routing, Interoperabilität zwischen verschiedenen Netztypen IP-Adressierung (IPv4): stellt eine logische 32-Bit-Adresse zur Verfügung hierarchische Adressierung 3 Netzklassen 4 Adressenformate (inklusive Multicast) Fragmentierung und Wiederherstellung der Pakete Maximale Paketgröße: 64 KByte (in der Praxis: 1500 Byte) Derzeit flächendeckend eingesetzt: Version 4 des IP-Protokolls: IPv4 Seite 121 Der IP-Header (1) Version: IP-Versionsnummer (mehrere IP-Versionen gleichzeitig einsetzbar) IHL: IP-Header-Length (in 32 Bit-Worten; zwischen 5 und 15, je nach Optionen) Type of Service: Angabe des gewünschten Dienstes: Kombination aus Zuverlässigkeit (z.b. Dateitransfer) und Geschwindigkeit (z.b. Audio) 3 Bit Priorität (0 = normales Datagramm, 7 = Steuerungspaket) Precedence Delay D T R frei Throughput Reliability Total Length: Länge des gesamten Datagramms (in Byte, = Bytes) Identification: eindeutige Kennzeichnung eines Datagramms Time-to-Live (TTL): Lebenszeit von Datagrammen begrenzen auf maximal 255 Hops (verhindert endloses Kreisen von Paketen im Netz). Prinzipiell soll auch noch die Verweilzeit in Routern berücksichtigt werden, was allerdings in der Praxis nicht geschieht. Der Zähler wird bei jedem Hop verringert, bei 0 wird das Datagramm verworfen und ein Warnpaket an den Quellhost gesendet. Seite 123 IP-Paket 32 Bits (4 Bytes) Version IHL Type of Service Total Length Identification Fragment Offset Time to Live Protocol Header Checksum D F M F IP Header, normalerweise 20 Bytes Source Address Destination Address Options (variable, 0-40 Byte) Padding DATA (variable) Header Data Seite 122 Der IP-Header (2) DF: Don't Fragment. Alle Router müssen Pakete bis zu einer Größe von 576 Byte bearbeiten, alles darüber hinaus ist optional. Größere Pakete mit gesetztem DF-Bit können daher nicht jeden möglichen Weg im Netz nehmen. MF: More Fragments. "1" - es folgen weitere Fragmente. "0" - letztes Fragment eines Datagramms) Fragment Offset: Folgenummern der Fragmente eines Datagramms (2 13 = 8192 mögliche Fragmente). Der Offset sagt aus, an welche Stelle eines Pakets (gerechnet in 8 Byte-Stücken) ein Fragment gehört. Daraus ergibt sich für ein Paket eine Maximallänge von 8192 * 8 Byte = Byte. Protocol: welches Transportprotokoll wird im Datenteil verwendet (UDP, TCP,...)? An welchen Transportprozess ist das Paket daher weiterzugeben? Header Checksum: Komplement der Summe der 16-Bit-Halbwörter des Headers. Muss bei jedem Hop neu berechnet werden (da sich TTL ändert) Source Address / Destination Address: Netz- und Hostnummern von sendendem und empfangenden Rechner. Diese Information benutzen die Router zur Wegebestimmung. Seite 124

7 Fragmentierung eine zu große oder zu kleine Paketlänge verhindert eine gute Performance. Zusätzlich gibt es oft Größenbeschränkungen (Puffer, Längenangaben bei Protokollen, Standards, Kanalbelegungsdauer,...) Die Datenlänge muss ein Vielfaches von 8 Byte sein. Ausnahme: das letzte Fragment, dort werden nur die restlichen Daten eingefügt, es erfolgt aber kein Padding auf 8-Byte-Einheiten. wenn das Don`t Fragment -Bit gesetzt ist, wird die Fragmentierung verhindert. Ident. Flags Offset Data 777 x Bytes IP-Header 777 x x x Seite 125 IP-Adressierung Eindeutige IP-Adresse für jeden Host und für jeden Router. IP-Adressen sind 32 Bit lang und werden im Source Address- sowie im Destination Address-Bereich von IP-Paketen verwendet. Die IP-Adresse ist hierarchisch strukturiert und netzbezogen, d.h. Maschinen mit Anschluss an mehrere Netze haben mehrere IP-Adressen. Struktur der Adresse: Netzwerk-Adresse für physikalisches Netz (z.b ) und Rechner-Adresse für einen Host (z.b ) Class 32 Bits 127 Netze 2 24 Hosts adressierbar (ab ) A B 0 Network Host 10 Network Host Netze 2 16 Hosts (ab ) C 110 Network Host Netze (LANs) D 1110 Multicast-Adresse 256 Hosts (ab ) E 1111 Für künftige Nutzung reserviert Seite 127 Der IP-Header (3) Options: Spielraum für zukünftige Erweiterungen. Umfang: Vielfaches von 4 Byte, daher ist möglicherweise Padding notwendig. Derzeit sind 5 Optionen zwar definiert, werden aber von keinem Router unterstützt: Security: wie geheim sind die transportierten Informationen? (Anwendung z.b. im Militär: Umgehung bestimmter Länder/Netze.) Strict Source Routing: Vollständiger Pfad vom Quell- zum Zielhost, definiert durch die IP-Adressen der zu passierenden Router. (Verwendung durch Systemmanager bei beschädigten Routingtabellen oder für Zeitmessungen) Loose Source Routing: die mitgeführte Liste von Routern muss in angegebener Reihenfolge durchlaufen werden. Zusätzliche Router sind erlaubt.) Record Route: Aufzeichnung der IP-Adressen der durchlaufenen Router. (Maximal 9 IP-Adressen möglich, heutzutage zu wenig.) Time Stamp: Record Route (je 32 Bit) sowie Zeitstempel für jeden Router (je 32 Bit). Anwendung z.b. im Fehlermanagement. Seite 126 IP-Adresse Router Binärformat Dotted Decimal Notation jeder Host hat (wenigstens) eine weltweit eindeutige IP-Adresse Router oder Gateways, die mehrere Netze miteinander verknüpfen, haben für jedes angeschlossene Netz eine IP-Adresse Seite 128

8 IP-Adressierung - Beispiele Die Darstellung der 32-Bit-Adresse erfolgt in 4 Teilstücken zu je 8 Bit: Class B-Adresse Besondere Adressen: Class B-Adresse der RWTH Aachen Subnetz (Informatik 4) Dieser Host Terminal Shadow Host Host in diesem Netz Broadcast im lokalen Netz Netz Broadcast im entfernten Netz 127 beliebig Schleife, keine Ausgabe auf das Netz Seite 129 Adressraum 6,25% 50,00% 6,25% 12,50% 25,00% Klasse A Klasse B Klasse C Klasse D Klasse E Seite 130