Seite 223. den unteren Schichten versteht IP-Adressen nicht. Der Sender muss die

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1 Hilfsprotokolle IP dient nur zum Versenden von Paketen bei bekannten Adressen. Dabei bleiben einige Fragen offen, die durch Hilfsprotokolle gehandhabt werden: Address esoultion Protocol (AP) everse Address esoultion Protocol (AP) Internet Control Message Protocol (ICMP) Internet Group Management Protocol (IGMP) Seite 222 Address esolution Protocol AP equest AP equest esponse Suche die physikalische Adresse zur IP-Adresse Die Suche physikalische die physikalische Adresse Adresse zur IP-Adresse zur IP-Adresse ist ? 54 20? ? A 17 B 54 C 143 D97 E62 A B 20? C D 62 E AP esponse Die physikalische Adresse zur IP-Adresse ist A B C D E Die Maschine mit der angefragten Hardware-Adresse sendet eine Antwort Jeder Host speichert in einer Tabelle bekannte IP- und Hardware-Adressen Die Die Maschine Einträge mit verfallen der angefragten nach einer IP-Adresse gewissen Zeit, sendet um eine z.b. beim Antwort Austausch Jeder Netzwerk-Karte Host speichert in keine einer Irrläufer Tabelle zu bekannte verursachen IP- und Hardware-Adressen Die Einträge verfallen nach einer gewissen Zeit, um z.b. beim Austausch der Netzwerk-Karte keine Irrläufer zu verursachen Seite 224 Zustellung von IP-Paketen Address esolution Protocol (AP) Das Internet ist ein virtuelles Netz, das auf physikalischen Netzen aufsetzt. Daher bieten IP-Adressen nur einen logischen Adressraum. Die Hardware auf den unteren Schichten versteht IP-Adressen nicht. Der Sender muss die Hardware-Adresse des s kennen, bevor er ein IP-Paket im Zielnetz direkt verschicken kann. Die Hardware-Adresse ist z.b. bei Ethernet eine 48 Bit-Adresse, die der Hersteller auf der Netzwerkkarte eindeutig fest einprägt Mit Hilfe des AP werden IP- und Hardware-Adressen einander zugeordnet AP benutzt die lokale Broadcast-Adresse, um unter Angabe der gesuchten IP-Adresse die Hardware-Adresse dynamisch zu erfragen Eine AP-Anfrage ist nur im lokalen Netz gültig Seite 223 Address esolution Protocol Optimierung des Verfahrens: Jeder echner sendet von Zeit zu Zeit einen AP-equest (Broadcast) nach seiner eigenen IP-Adresse. AP equest A B C D E Jeder echner speichert dabei die Absender-IP und Absender-Hardware- Adresse in seinem AP-Cache Seite 225

2 AP - everse Address esolution Protocol Nicht bei allen Betriebssystemen wird einem echner beim Starten eine IP-Adresse zugewiesen. Wie erhält ein entsprechender echner nach dem Booten seine IP-Adresse? Mit Hilfe von everse AP werden bekannte Hardware-Adressen IP-Adressen zugeordnet. AP ermöglicht es, dass eine gebootete Maschine ihre Hardware- Adresse broadcastet und von einem AP-Server ihre entsprechende IP-Adresse mitgeteilt bekommt. AP equest Ich Die habe IP-Adresse die Hardware-Adresse ist A B C D E 20 Die IP-Adresse ist AP-Server Seite 226 ICMP - Internet Control Message Protocol ICMP ist ein Steuerprotokoll der Schicht 3, welches auf IP aufbaut! Dieses Protokoll wird z.b. von outern verwendet, wenn etwas Unerwartetes passiert. Beispiel 1: wenn ein outer ein Paket nicht weiterleiten kann, muss die Quelle darüber informiert werden. ICMP-Nachrichten sind insbesondere bei Fehlern im Netz hilfreich. Beispiel 2: ping (Frage nach einem Lebenszeichen einer Station) benutzt ICMP- Nachrichten. Host outer ICMP Message ICMP eply ICMP equest outer Host ICMP equest: Zustandsabfrage ICMP eply: Antwort darauf ICMP Message: Übermittlung von Zustandsinformationen und Kontrollnachrichten Seite 228 DHCP - Dynamic Host Configuration Protocol Problem mit AP: AP-equests werden von outern nicht weitergeleitet, daher muss in jedem Netz ein eigener AP-Server bereitgestellt werden. Abhilfe: DHCP. Ein echner sendet ein DHCP-DISCOVE-Paket. In jedem Teilnetz wird ein DHCP elay Agent stationiert, der solche Nachrichten an den DHCP-Server weiterleitet. Zusätzlich zur IP-Adresse werden auch Subnetzmaske, Domain-Namen,... übertragen Seite 227 ICMP - Header Also: ICMP versendet Fehler- und Kontrollnachrichten auf Netzebene. Diese Nachrichten werden in ein IP-Paket verpackt ICMP-Nachrichtenformat: IP Header... Type Code Checksum Identifier Sequence Number Optional Data Type/Code gibt die Art der Nachricht an, z.b.: 0 Destination unreachable (Paket kann nicht zugestellt werden) 3 Echo equest/eply (Zustandsabfrage, z.b. beim ping) 4 Source Quench (Choke-Paket, Bitte um eduktion der Datenrate) 11 Time exceeded for Datagram (TTL hat 0 erreicht, das Paket wird verworfen) 12 Parameter Problem on Datagram (Ein Header-Feld ist falsch ausgefüllt) 15/16 Information equest/eply 30 Traceroute (Der Netzwerkpfad wird nachverfolgt) Seite 229

3 Unicast und Broadcast 1. Übertragung Unicast Sender 2. Übertragung Unicast ist Ende-zu-Ende-Übertragung Mehrere Übertragungen müssen nacheinander erfolgen. Mehrfachbelastung des Übertragungswegs durch dieselbe Nachricht. Ineffiziente Nutzung von Zeiten und Kapazitäten. Problem bei Unicast und Broadcast: Wie kann man effizient eine Gruppe von echnern adressieren? Broadcast Sender Broadcast ist 'Einer-an-Alle'-Übertragung Ein Paket wird an viele geschickt, die es nicht interessiert Belastung durch Nutzung von Übertragungswegen, die eigentlich nicht benötigt werden Seite 230 IP-Multicast Wie lassen sich als Mittelding zwischen Unicast und Broadcast beschränkte Gruppen von echnern adressieren? Multicast Sender Sendung an n > 1 ausgewählte Stationen: Multicast Probleme: Unterstützung von Multicast ist nicht für alle Geräte zwingend vorgeschrieben effiziente Adressierung: wie schafft man es, genau die gewünschten echner zu erreichen? Vorgehen: Verwendung von Multicast-Adressen: Klasse-D-Adressen, von bis einige davon sind für bestimmte Zwecke reserviert (z.b alle Gateways im Subnet) Standard-IP-Protokoll um Funktionen des Internet-Group- Management-Protocol (IGMP) erweitern Seite 232 IP-Adressen für Broadcast IP-Adr. Klasse 32 Bits Broadcast-Klassen A,B Netzwerk Subnetz Subnet-Directed-Broadcast A,B,C A,B,C Netzwerk Netzwerk All Subnet-Directed-Broadcast Directed-Broadcast Limited Broadcast (an eigenes Netz) Adresse egeln für das outing von Broadcasts: Ein Broadcast darf nie auf das Netz gesendet werden, von dem der Broadcast empfangen wurde (würde zu Broadcast Storm führen). Kein Broadcast-outing, wenn der im lokalen Netz sitzt (denn in diesem Fall erreicht jede Nachricht sowieso alle ). Ein Broadcast an alle nicht-lokalen wird durch den outing- Mechanismus zum nächsten outer vermittelt. Seite 231 IGMP - Internet Group Management Protocol Gruppenmitglieder Multicast outer Zum Versand von Multicast-Nachrichten an Gruppenmitglieder, die sich in unterschiedlichen physikalischen Netzen befinden, benötigen outer Informationen über Gruppenzugehörigkeiten. Sind solche Gruppen nur temporär, müssen sich outer im Betrieb über Zugehörigkeiten informieren. mittels IGMP-Nachrichten (in IP-Pakete verkapselt) geben Hosts allen Hosts in ihrem Subnetz bekannt, zu welchen Gruppen sie gehören outer merken sich die Existenz der Gruppenmitglieder periodisch fragen die outer nach (Polling), welche Multicast-Gruppen noch präsent sind outer tauschen Informationen aus, um Multicast-outing-Bäume festzulegen Seite 233

4 Multicast Control Path Host outer IGMP-Nachrichten outing-information Die outer tauschen ihre outing-informationen aus Mittels IGMP-Nachrichten werden Gruppenzugehörigkeiten weitergegeben Die outer verwalten zu jeder Multicast-Adresse eine outing-information Sender Pruning Messages (schneiden nicht benötigte Äste weg) Kürzeste Wege finden Mindestens ein Teilnehmer Hier keine Teilnehmer Das outing-protokoll berechnet die kürzesten Wege zu allen echnern im Netz outer, die keine Teilnehmer im angeschlossenen Netz haben, schicken Pruning Messages zurück; das nächste Mal werden die Multicast-Pakete nicht mehr an diesen outer gesendet Seite 234 Multicast-outing Distance Vector Multicast outing Protocol (DVMP, FC 1075) Verwendet Class-D-Adressen, z.b gesamtes LAN alle outer des LANs alle OSPF-outer des LANs alle dedizierten OSPF-outer des LANs Verwaltung spezieller outing-tabellen, können getrennt von normalen outing- Tabellen gehalten werden Implementierung verfügbar als Public-Domain Software mrouted, derzeit die populärste Multicast-Protokoll-Implementierung Distance Vector Protocol Verwendet everse Path Forwarding (PF): ein Paket wird nur weitergeleitet, wenn es auf der kürzesten oute vom Sender eintrifft. Damit werden Schleifen im outing-baum vermieden. Seite 236 Beispiel Multicast-Gruppen (a) Netzwerk mit Interessenten für zwei Multicast-Gruppen (b) Sink-Tree für den linken outer (c)/(d) Multicast-outing-Bäume für die Gruppen 1 und 2 Seite 235 Multicast-Tunnel Problem: Nicht alle outer sind multicastfähig Lösung: IP-Tunneling: Multicast-outer verpacken IP-Multicast-Pakete in normale IP-Pakte und versenden sie direkt an die anderen Multicast-outer Internet Seite 237

5 Quality of Service im Internet Problem heute: IP ist paketvermittelnd, daher gibt es bei einer Übertragung keinerlei Granatien (Durchsatz, Übertragungsverzögerung,...): Das Internet überträgt Daten Best Effort Aber: viele Anwendungen benötigen eine gewisse Dienstgüte (Quality of Service, QoS), um vernünftig ausgeführt werden zu können: Anwendung Zuverlässigkeit Verzögerung Jitter Bandbreite hoch niedrig niedrig niedrig Dateitransfer hoch niedrig niedrig mittel Web-Zugriff hoch mittel niedrig mittel emote Login hoch mittel mittel niedrig Audio on Demand niedrig niedrig hoch mittel Video on Demand niedrig niedrig hoch hoch IP-Telefonie niedrig hoch hoch niedrig Videokonferenz niedrig hoch hoch hoch Seite 238 Einhaltung von QoS Mechanismus: betrachte einen Fluss von Datenpaketen als Strom, versuche, für diesen Strom Qualitätsanforderungen durchzusetzen. Traffic Shaping, z.b. Leaky Bucket und Token Bucket Overprovisioning: erhöhe outer-kapazitäten, Buffer und Bandbreite Buffering: speichere die Daten beim zwischen. Dadurch wird zwar die Verzögerung erhöht, aber der Jitter gesenkt (Audio/Video on Demand) Packet Scheduling (z.b. Weighted Fair Queuing) Seite 240 QoS-Parameter Durchsatz (Bytes/s) Welche minimale/maximale/durchschnittliche Datenrate ist nötig? Übertragungsverzögerung (ms) Welche maximale Verzögerung ist tolerierbar? Jitter (ms) Welche Schwankungen in der Übertragungsdauer sind tolerierbar? Verfügbarkeit (%) Mit welcher Wahrscheinlichkeit ist der Kommunikationsdienst dauerhaft verfügbar? Seite 239 Leaky-Bucket-Algorithmus Zulauf (kann variieren) Host Paket innender Eimer (Leaky Bucket) Unregulierter Fluss Wasser tropft in konstanter ate aus dem Loch Eimer nimmt Pakete auf egulierter Fluss Problem: Verkehrsspitzen werden nicht berücksichtigt. Daten können verloren gehen, auch wenn gerade genügend Kapazität im Netz verfügbar wäre. Netz Seite 241

6 Token-Bucket-Algorithmus vorher nachher Host Host Pro Zeiteinheit fließt ein Token in den Eimer Eimer nimmt Token auf Pro Token wird ein Paket gesendet Netz Netz Seite 242 Packet Scheduling ound obin Taste alle Warteschlangen der eihe nach ab und sende jeweils ein Paket aus jeder nicht-leeren Warteschlange Weighted Fair Queueing Verbinde ound obin mit Priorisierungen der einzelnen Warteschlangen Seite 244 Packet Scheduling Bestimme die eihenfolge, in der ein outer ankommende Pakete weiterleitet. FIFO (First In, First Out) Die Pakete werden der Ankunft nach übertragen; ist der Buffer voll, werden weitere Pakete verworfen. Priority Queueing Anhand eines Merkmals (Bit im Header, Zieladresse,...) wird einem Paket eine Priorität zugeordnet. Für jede Priorität existiert ein eigener Buffer. Es wird immer die höchst-priorisierte, nicht-leere Warteschlange abgearbeitet. Seite 243 Weighted Fair Queueing Verkehrsglättung im outer Ein outer verfügt über mehrere Warteschlangen für eine Ausgangsleitung. Die Warteschlangen werden zyklisch abgefragt, um senden zu dürfen. Es erfolgt eine Byte-Weise Abtastung der Warteschlangen; ist ein Paket vollständig erfasst, wird es gesendet. Weighted bedeutet, dass bestimmte Warteschlangen größere Portionen erhalten als andere. outer mit fünf Paketen, die für Leitung O anstehen Bereitstellungszeiten der fünf Pakete A B C 3 8 O D E Paket C B D E A Bereitstellungszeit Seite 245

7 esource eservation Problem mit all diesen Techniken: Pakete können unterschiedliche Wege nehmen Daher nötig: baue einen Pfad durch das Netz auf und reserviere festgelegte Kapazitäten von Bandbreite, Bufferspeicher und CPU-Zeit. Von der IEFT standardisiert als esource reservation Protocol, SVP SVP ist kein outing-protokoll, nur ein "Aufsatz" auf ein solches. Benötigt wird eine Beschreibung der Anforderungen des s in Form eine Flussspezifikation (Level des QoS). Kategorien sind 1.) Best Effort: mach es, so gut es geht 2.) ate-sensitive: eine garantierte Übertragungsrate ist nötig 3.) Delay-sensitive: eine garantierte Verzögerung ist nötig SVP kann für Unicast und für Multicast verwendet werden Seite 246 SVP bei Multicast (a) Aufbau eines Pfads von 3 zu Sender 1 (b) Aufbau eines zweiten Pfads, da beide Datenströme unabhängig sind (c) Bei Multicast können bereits bestehende eservierungen genutzt werden Seite 248 SVP Ablauf bei Verwendung von SVP: Der Sender schickt eine SVP Path Message zum. Hierdurch werden die Weginformationen der outer eingesammelt und dem mitgeteilt. (Es können auch direkt Flussspezifikationen für den mitgegeben werden.) Der schickt entlang dieses Pfads SVP eservation Messages, die seine Flussspezifikation enthalten. Jeder outer auf dem Weg reserviert entsprechend. Ist eine eservierung bei einem outer nicht möglich, wird eine Fehlernachricht zurückgeschickt. Sobald die SVP eservation Message den Sender erreicht, ist der komplette Weg reserviert, der Sender fängt an zu senden. Um veraltete eservierungen löschen zu können, werden Timeouts definiert. Frischt der seine eservierung nicht vor Ablauf des Timers auf, wird sie gelöscht. Seite 247 QoS im Internet: Integrated Services standardisiert durch die IETF als Architektur zur Übertragung von Multimedia-Strömen Integrated Services (IntServ) baut auf SVP zur Signalisierung von Flussspezifikationen und eservierungen auf und ermöglicht QoS für jeden Datenfluss einzeln Somit ähnelt das Prinzip dem Aufsetzen einer Verbindungsorientierung auf IP Seite 249

8 Integrated Services Klassen von QoS: Guaranteed: Bandbreite, Verzögerung und Zuverlässigkeit werden garantiert. Abweichungen kommen nicht vor, Pakete werden nicht verworfen. Controlled Load: "schwache" Garantien, Abweichungen sind in Maßen möglich. Prinzip: für Datenströme dieser Klasse erscheint das Netz als "schwach ausgelastet" Best Effort: so gut wie möglich, normaler Internet-Verkehr Probleme: Skalierbarkeit: für jeden Datenfluss muss ein outer eigene Flussspezifikationen überwachen Wie können eservierungswünsche authorisiert und priorisiert werden? Die QoS-Klassen reichen nicht aus, um vernünftig zwischen verschiedenen Datenstromarten zu unterscheiden. Möglich: setze IntServ nur "am and" großer Netze ein, wo es wenig Datenflüsse gibt Seite 250 Anwendung von DiffServ Nutzung des Type-of-Service-Felds bei IPv4 für die Klassifizierung (DSCP Differentiated Service CodePoint). Der DSCP-Eintrag definiert das per-hop- Verhalten des Pakets von einem outer zum nächsten. Type of Version IHL Total Length Service D M Identification Fragment Offset Time to Live Protocol Header Checksum F F Precedence D T frei Source Address Destination Address DSCP frei Der Code Point definiert eine Übertragungsklasse, die dem outer mitteilt, wie er das Paket bei der Versendung zu behandeln hat. Seite 252 QoS im Internet: Differentiated Services Klassen-basierter Ansatz (Differentiated Services, DiffServ): verzichte auf Garantien und verwalte nur aggregierte Datenströme Damit wird die Komplexität in die outer "am and" des Netzes verlagert, interne outer können einfacher gehalten werden. Teile das Netz in Domänen auf. Eine Domäne ist ein Teilbereich des gesamten Netzwerks, welcher DiffServ unterstützt. Sie besteht aus Zugangsroutern zur Domäne (Ingress-outer, gelb) und internen outern (Core-outer, blau). Die Domäne definiert Dienstklassen, in die jeder Datenfluss eingeordnet wird. Bei Eintritt in die Domäne (am Ingress-outer) wird jedes Paket einer Klasse zugeordnet und im Netz nur noch entsprechend weitergeleitet. Dadurch wird eine bessere Skalierbarkeit als bei IntServ erreicht. Seite 251 DSCP frei Für DiffServ sind momentan u.a. folgende Klassen (als Übertragungsverhalten) definiert: Default Forwarding realisiert die übliche Best-Effort-Übertragung Expedited Forwarding versucht eine gemietete Leitung zu emulieren Assured Forwarding verwendet Prioritäten und Verwurfswahrscheinlichkeiten, falls eine Überlastung des outers vorliegt Seite 253

9 Expedited Forwarding Idee bei Expedited Forwarding: es gibt "reguläre" und "eilige (expedited) Pakete. Eilige Pakete werden so weitergeleitet, als gäbe es keinen oder wenig weiteren Verkehr. Für sie wird eine minimale Übertragungsrate garantiert. outer können für diese beiden Gruppen getrennte Queues verwalten (Weighted Fair Queueing). ealisiert: geringe Verlustrate/Verzögerung/Jitter sowie eine garantierte Bandbreite Seite 254 Assured Forwarding p minth 3 minth 2 maxth 3 maxth 2 minth 1 maxth 1 1 p max2 p max1 p max3 0 s Füllstand des Buffers eines outers Drei Verwurfswahrscheinlichkeiten in Abhängigkeit von der Auslastung des outers Seite 256 Assured Forwarding Bessere Differenzierung: Definition von 4 (momentan; es sind auch mehr Klassen möglich) Prioritätsklassen mit eigenen essourcen Für jede Klasse sind drei Wahrscheinlichkeiten für das Verwerfen eines Paketes definiert: niedrig, mittel, hoch Damit: insgesamt 12 verschiedene Dienstklassen Arbeitsweise: Die Prioritätsklasse bestimmt den Anteil der Sendekapazität des outers Bei starker Belastung würden hierdurch Pakete niedrigerer Priorität ganz verworfen Fairness: jede Prioritätsklasse sollte Chancen haben, durchzukommen Daher Definition der Wahrscheinlichkeiten für jede Klasse. Durch geeignete Auswahl der Wahrscheinlichkeiten kann einem kleinen Teil der niedrigsten Prioritätsstufe immer noch eine Weiterleitung möglich sein, während schon Pakete höherer Prioritätsklassen verworfen werden. Seite 255 Assured Forwarding 1. Einordnung der Pakete in Dienstklassen 2. Entsprechende Wahl des DSCP-Tags 4. Weighted Fair Queueing gemäß Prioritätsklassen 3. "Shapen", d.h. In-Form-Bringen der Datenströme gemäß ihrer Flussspezifikation. Überschreiten der Spezifikationen führt zu Verwerfen von Daten. Falls danach immer noch zu viel Daten anfallen, Verwerfen der Pakete gemäß ihrer Wahrscheinlichkeit Seite 257

10 Label Switching: MPLS Während die IETF an IntServ und DiffServ arbeitete, dachten auch outerhersteller weiter: versehe jedes Paket mit einem Label, auf dessen Basis das outing geschieht (anstatt aufgrund des Zielhosts). esultat: MultiProtocol Label Switching, MPLS Das Label findet nirgendwo im IP-Header Platz, also setze es davor: Eigentliches Label Dienstklasse Zur Verwendung in hierarchischen Netzen Seite 258 MPLS Arbeitsweise: Das erste Paket eines Datenstroms bestimmt den Weg. Der outer speichert die Label-Information des Pakets und schickt alle weiteren Pakete mit diesem Label über die gleiche Leistung (logischer Kanal). Damit wird sozusagen eine Verbindungsorientierung geschaffen. Ein outer entscheidet anhand des Labels, auf welche Ausgangsleitung ein Paket gegeben wird. Gleichzeitig wird auch ein neues Label gesetzt, welches "den nächsten outer instruiert". Der outer kann wieder verschiedene Warteschlangen verwalten, die Zugehörigkeit eines Pakets wird durch das QoS-Feld bestimmt. Am Ende des Netzes kann das Label entfernt und die IP-Adresse als Weginformation verwendet werden. Unterschied zu verbindungsorientierten Netzen: es gibt keinen Verbindungsaufbau. In hierarchischen Netzen kann ein Paket mit mehreren Labeln hintereinander versehen sein. In diesem Fall ist das S-Bit gesetzt. Achtung: keiner der Ansätze zu QoS im Internet in weit verbreitet momentan ist alles noch im Experimentalstadium Seite 259