konnten zunächst nicht miteinander verbunden werden und schon gar nicht Parallel zum ARPANET hatten sich noch weitere (kleinere) Netze entwickelt.

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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, 1969 (Vorläufer des heutigen Internet) Designziel von ARPANET Die Funktionsfähigkeit des Netzes sollte selbst nach einer größten anzunehmenden Katastrophe, z.b. einem Atomkrieg, erhalten bleiben, daher: hohe Vermaschung Paketvermittlung Netzrechner und rechner getrennt Kapitel 1: Grundlagen Seite 86 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) Kapitel 1: Grundlagen Seite 88 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 Netzebene (ohne allzu exakte Definition dieser Ebenen, insbesondere ohne genaues Abstimmen mit den entsprechenden OSI-Ebenen). Resultat: TCP/IP-Netze. Kapitel 1: Grundlagen Seite 87 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. Nutzbare Anwendungen waren im Wesentlichen (elektronische Post), Remote Login (Ausführung von Jobs auf fremden Rechenanlagen) und File Transfer (Austausch von Datenbeständen) 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. Kapitel 1: Grundlagen Seite 89

2 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, 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 Kapitel 1: Grundlagen Seite 90 Entwicklung des Internets Internet s Aug 81 Aug 82 Aug 83 Aug 84 Aug 85 Aug 86 Aug 87 Aug 88 Aug 89 Aug 90 Aug 91 Aug 92 Aug 93 Aug 94 Aug 95 Aug 96 Aug 97 Aug 98 Aug 99 Aug 00 Aug 01 Internet und Intranet Internet 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. lokale Betreiber kontrollieren und finanzieren globale Koordination durch einzelne Organisationen Internet-Provider ermöglichen den Zugang für Privatleute Intranet unternehmensinterne Kommunikation mit gleichen Protokollen und Anwendungen wie im Internet Rechner sind vom globalen Internet abgeschottet (Datensicherheit) heterogene Netzstrukturen aus verschiedenen Unternehmensbereichen lassen sich mit TCP/IP leicht integrieren Nutzung von Anwendungen wie dem WWW zum internen Datenaustausch Kapitel 1: Grundlagen Seite 92 Anfang (geschätzte) 150 Millionen s an das Internet angeschlossen Kapitel 1: Grundlagen Seite 91 Internet in Deutschland Der Verein zur Förderung eines Deutschen Forschungsnetzes e.v. (DFN) fördert die Kommunikation und den Informationsund Datenaustausch in nationalen und internationalen Netzen insbesondere von Einrichtungen und Personen aus Wissenschaft, Forschung, Bildung und Kultur Gigabit-Wissenschaftsnetz (G-WIN) paketvermittelnd Netzdienste Verbindung zu internationalen Netzen, z.b. in das Europäische Wissenschaftsnetz und in die USA, Russland oder China Kapitel 1: Grundlagen Seite 93

3 Deutsches G-Win Verbindungen z.b. in die USA Core Node 10 Gbit/s 2,4 Gbit/s 2,4 Gbit/s 622 Mbit/s Global Upstream St. Augustin Aachen Essen Oldenburg Bielefeld Frankfurt Hannover Marburg Kiel Hamburg Göttingen Ilmenau Würzburg Rostock Braunschweig Magdeburg Erlangen Leipzig Berlin Dresden Anschluss an das europäische Wissenschaftsnetz GEANT Kaiserslautern Heidelberg Karlsruhe Stuttgart Augsburg Regensburg Garching Kapitel 1: Grundlagen Seite 94 IP - Internet Protocol IP: verbindungslose, unzuverlässige Übertragung von Datagrammen bzw. Paketen ( Best effort ) Routing, Interoperabilität zwischen verschiedenen Netztypen IP-Adressierung (IPv4): stellt eine logische 32-Bit-Adresse zur Verfügung hierarchische Adressierung 3 Netzklassen 4 Adressenformate (inklusive Multicast) Maximale Paketgröße: 64 Kbyte (in der Praxis: 1500 Byte) Fragmentierung und Wiederherstellung von Paketen Derzeit flächendeckend eingesetzt: Version 4 des IP-Protokolls: IPv4 Kapitel 1: Grundlagen Seite 96 Die TCP/IP-Protokollfamilie HTTP FTP Telnet SMTP DNS TFTP Application Layer Protokolle TCP UDP Transport Layer IGMP ICMP IP ARP RARP Internet Layer Netze Token Ring Token Bus Wireless LAN -tonetwork Layer Kapitel 1: Grundlagen Seite 95 IP-Paket (IPv4) 32 Bits (4 Bytes) Version IHL Type of Service Total Length D M Identification Fragment Offset Time to Live Protocol Header Checksum F F IP Header, normalerweise 20 Bytes Options (variable, 0-40 Byte) Padding DATA (variable) Header Data Kapitel 1: Grundlagen Seite 97

4 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 der gewünschten Eigenschaften bei der Übertragung: 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. Kapitel 1: Grundlagen Seite 98 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: Prüfsumme über den Header. Muss bei jedem Hop neu berechnet werden (da sich TTL ändert). / : Netz- und adressen von sendendem und empfangenden Rechner. Diese Information benutzen die Router zur Wegebestimmung. Kapitel 1: Grundlagen Seite 100 Fragmentierung eine zu große oder zu kleine Paketlänge verhindert eine gute Performance. Zusätzlich gibt es oft Größenbeschränkungen (Puffer, Längenangaben bei Protokollen, Standards, Kanalbelegungsdauer,...). Daher kommt es vor, dass Router große Pakete vor der Übertragung fragmentieren. Die Datenlänge muss ein Vielfaches von 8 Byte sein. Ausnahme: das letzte Fragment, dort werden nur die restlichen Daten eingefügt. 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 Kapitel 1: Grundlagen Seite 99 Der IP-Header (3) Options: Spielraum für zukünftige Erweiterungen. Umfang: Vielfaches von 4 Byte, daher ist möglicherweise Padding notwendig, d.h. wenn kein Vielfaches von 4 Byte vorliegt, werden so viele zufällige Bits eingefügt, bis die Anzahl ein Vielfaches von 4 Byte darstellt. 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 z.b. durch Systemmanager 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. Kapitel 1: Grundlagen Seite 101

5 IP-Adressierung Eindeutige IP-Adresse für jeden und für jeden Router. IP-Adressen sind 32 Bit lang und werden im - 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 (z.b ) Class 32 Bits 127 Netze 2 24 s adressierbar (ab ) A B 0 Network 10 Network Netze 2 16 s (ab ) C 110 Network Netze (LANs) D 1110 Multicast-Adresse 256 s (ab ) E 1111 Für künftige Nutzung reserviert Kapitel 1: Grundlagen Seite 102 IP-Adressierung - Beispiele Die Darstellung der 32-Bit-Adresse erfolgt in 4 Teilstücken zu je 8 Bit: Class B-Adresse Class B-Adresse der RWTH Aachen Subnetz (Informatik 4) Terminal Shadow Besondere Adressen: Dieser in diesem Netz Broadcast im lokalen Netz Netz Broadcast im entfernten Netz 127 beliebig Schleife, keine Ausgabe auf das Netz Kapitel 1: Grundlagen Seite 104 IP-Adresse Router Binärformat Dotted Decimal Notation jeder hat (wenigstens) eine weltweit eindeutige IP-Adresse Router oder Gateways, die mehrere Netze miteinander verknüpfen, haben für jedes angeschlossene Netz eine IP-Adresse Kapitel 1: Grundlagen Seite 103 IP-Adressen werden knapp... Probleme Niemand hatte mit einem derart starken Wachstum des Internet gerechnet (sonst hätte man von Anfang an längere Adressen definiert). Allzu viele Class A-Adressen wurden in den ersten Internetjahren vergeben. Ineffiziente Nutzung des Adressraums. Beispiel: wenn 500 Geräte in einem Unternehmen angeschlossen werden sollen, braucht man eine Class B-Adresse, die unnötigerweise mehr als Rechneradressen blockiert. Lösungsversuch Erweiterung des Adressraums bei IPv6 gegenüber der aktuellen Version IPv4 IP Version 6 hat 128 Bit-Adressen 7 x IP-Adressen pro Quadratmeter der Erdoberfläche (incl. der Ozeane!) eine Adresse pro Molekül auf der Erdoberfläche! Aber: Der Erfolg von IPv6 ist keineswegs sicher! (Die flächendeckende Einführung von IPv6 ist ungeheuer schwierig: Interoperabilität, Kosten, Migrationsstrategien,...) Kapitel 1: Grundlagen Seite 105

6 IP-Subnetze Problem: Class C-Netze sind sehr klein, Class B-Netze oft aber schon wieder zu groß. Daher gibt es die Möglichkeit, ein durch die IP-Adresse identifiziertes Netz in sogenannte Subnetze zu zerlegen. Beispiele für Subnetze: Subnetz-Maske A Rest des Aller Verkehr für Router A A A Internet B B B B Kapitel 1: Grundlagen Seite 106 IP-Subnetze - Berechnung des Zielhosts Der Eingangs-Router der RWTH, der das IP-Paket empfängt, weiß nicht, wo sich der befindet AND IP-Adresse Subnetz-Maske Netzwerk des bezeichneten s Der Router berechnet das Subnetz und sendet das Paket an den Router, der dieses Teilnetz anschließt. Kapitel 1: Grundlagen Seite 108 IP-Subnetze mit einer IP-Netzwerk-Adresse können mehrere physikalische Netze adressiert werden, indem einige Bits der IP-Rechner-Adresse als Netzwerk-ID genutzt werden eine Subnetz-Maske identifiziert die missbrauchten Bits Class B- Adresse Network Subnetz- Maske Network Subnet alle s eines Netzes sollten die gleiche Subnetz-Maske haben Router können durch Kombination einer IP-Adresse und einer Subnetz- Maske ermitteln, in welches Teilnetz ein Paket geschickt werden muss. Kapitel 1: Grundlagen Seite 107 IP-Subnetze - Berechnung des Zielhosts Keine Aufteilung in Subnetze, es liegt ein großes Class-B-Netz vor: AND IP-Adresse Subnetz-Maske Netzwerk des bezeichneten s Der Router weiß nun, dass die beiden letzten Byte den Zielrechner direkt bezeichnen. Kapitel 1: Grundlagen Seite 109

7 Das neue IP - IPv6 IPv6 (Dezember 1995) 1. Veröffentlichung des Standards (Januar 1995) Spezifikation für IPng (Dezember 1994) 1. Anforderungen für IPng (Dezember 1993). einfachere Struktur der Header mehr Automatismus einfachere Konfiguration bessere Performance Migrationstrategien mehr Sicherheit größerer Adressraum IPv4 (September 1981) Kapitel 1: Grundlagen Seite 110 IPv6 - Eigenschaften Adressgröße 128-Bit-Adressen (8 Gruppen zu je 4 Hexadezimal-Zahlen) Verbesserter Optionsmechanismus Vereinfacht und beschleunigt die Verarbeitung von IPv6-Paketen für Router Autokonfiguration von Adressen Dynamische Zuordnung von IPv6-Adressen Verbesserung der Adressflexibilität Anycast Address: Erreiche irgendeinen von mehreren Unterstützung der Reservierung von Ressourcen Markieren von Paketen für speziellen Verkehr Sicherheitsmaßnahmen Authentifizierung und Privacy Einfacher Header: IHL: überflüssig, keine Optionen mehr Protocol, Fragmentierung: überflüssig, wird durch Optionen mit abgedeckt Checksum: Handhabung durch Schicht 2 und 4 Kapitel 1: Grundlagen Seite 112 IPv6 Warum ein Wechsel, wenn IPv4 gut funktioniert? Dramatisch anwachsender Bedarf für neue IP-Adressen Bessere Unterstützung der Echtzeitanwendungen Sicherheitsmechanismen (Authentifikation und Datenschutz) Mehr Gewicht für Dienstarten, insbesondere für Echtzeitanwendungen Unterstützung von Mobilität (s können ohne Adressänderung auf Reisen gehen) Vereinfachung des Protokolls, um eine schnellere Abarbeitung zu gewährleisten Reduzierung des Umfangs der Routingtabellen Möglichkeiten zur Fortentwicklung des Protokolls Kapitel 1: Grundlagen Seite 111 IPv6 Haupt-Header Version: 4 Bit IP-Versionsnummer. Priority: 4 Bit für Priorität. 1 - News, 4 - FTP, 6 - Telnet, 8 bis 15 - Echtzeitverkehr. FlowLabel: virtuelle Verbindung mit bestimmten Merkmalen/Anforderungen PayloadLen: 16 Bit, Paketlänge nach dem 40-Byte-Header. NextHeader: 8 Bit Selektor, gibt den Typ des folgenden Erweiterungs-Headers an (oder, falls kein Erweiterungsheader verwendet wird, den Transport-Prozess, der die Daten entgegennimmt). HopLimit: 8 Bit, dekrementiert bei jedem Knoten. Bei Null wird das Paket verworfen. SourceAddress: 128 Bit, die Adresse des ursprünglichen Senders des Pakets. DestinationAddress: 128 Bit, die Adresse des Empfängers Version Priority (4) FlowLabel (24) (4) PayloadLen NextHeader HopLimit SourceAddress DestinationAddress Next header/data Das Präfix einer Adresse charakterisiert geographische Bereiche, Provider, lokale interne Bereiche,... Kapitel 1: Grundlagen Seite 113

8 IPv6 Erweiterungs-Header Optionale Angaben folgen in Erweiterungs-Headern. Davon sind 6 definiert: Hop-by-Hop (Informationen für Teilstrecken) Alle Router müssen dieses Feld prüfen. Momentan definiert ist nur die Unterstützung von Jumbogrammen, d.h. Paketen mit Überlänge (Hierbei wird eine Längenangabe eingetragen). Routing (Definition einer vollen oder teilweise festgelegten Route) Fragmentierung (Verwaltung von Fragmenten) Unterschied zu IPv4: Nur die Quelle kann eine Fragmentierung vornehmen. Router, für die ein Paket zu groß ist, schicken eine Fehlermeldung an die Quelle. Authentifikation (des Senders) Verschlüsselte Sicherheitsdaten (Informationen zur Verschlüsselung der Daten) Zieloptionen (Zusatzinformationen für das Ziel) Kapitel 1: Grundlagen Seite 114 IPv4 vs. IPv6: Header Priority Version Time to Live Type of IHL Total Length Service Identification Fragment Offset Protocol Header Checksum Version PayloadLen Flow Label Next Header Hop Limit Options (variable) / Padding DATA Der IPv6-Header ist zwar länger, doch dies liegt nur an den längeren Adressen. Ansonsten ist er besser sortiert und im Router einfacher abzuarbeiten. NextHeader / DATA Kapitel 1: Grundlagen Seite 115