Übersicht. Geschichte des Internets Internet-Protokoll (IP) Transportprotokolle TCP und UDP. Netzwerke WS 2013/14 - Teil 7/TCP-IP I

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1 Übersicht Geschichte des Internets Internet-Protokoll (IP) Transportprotokolle TCP und UDP 2

2 Geschichte des Internets (Auszug) I Hosts 1971 ARPANET 1972 Telnet 1973 FTP (File Transfer Protocol) 1974 TCP (Transmission Control Protocol) 1980 Weltweite Ausdehnung 1981 IP (Netzwerkschicht) 1982 TCP/IP-Protokollstack/Suite 1983 Abspaltung des MILNET 1984 DNS (Domain Name Service) 1991 EBONE Europäisches Backbone 1992 Weltweiter Durchbruch durch Web 3 Geschichte des Internets (Auszug) II Aus 4

3 Ziele des Internets Weltweite Verbindung zwischen Netzen (Inter-Net) Möglichst unabhängig von Herstellern Möglichst freie eigene Definition der Protokolle und Dienste Offenheit und Flexibilität Jeder darf Zugang (zu allen Informationen) haben Basis der Kommunikation zwischen allen Menschen Diese Ziele stehen im Gegensatz zu Netzen von Firmen. Ursprünglich für militärische Anwendungen gedacht wurde das Internet während der ersten Hälfte seiner Geschichte nur in der Wissenschaft benutzt. Die Kommerzialisierung erfolgte erst ab Mitte der 90er Jahre. 5 Struktur des Internets Benutzer B 3 LAN 2 LAN 3 Netz N 2 LAN 1 LAN 4 Netz N1 Netz N 3... LAN 5 Internet... Netz N n Benutzer B 2 Benutzer B1 6

4 Protokollübersicht I IP TCP UDP ICMP ARP NAT DHCP Internet Protocol Transmission Control Protocol User Datagram Protocol Internet Control Message Protocol Address Resolution Protocol Network Address Translation (kein Protokoll) Dynamic Host Configuration Protocol Anwendungsprotokolle FTP - File Transfer Protocol HTTP - Hypertext Transfer Protocol (Web) Telnet Secure Shell (SSH) 7 Protokollübersicht II - OSI-Einbindung Anwendung Transport DHCP TCP DNS UDP ICMP Vermittlung IP ARP Sicherung Übertragung LAN bzw. WLAN Der Kern des Internets ("das Internet") deckt lediglich nur zwei Schichten ab. Die Netzwerkschicht ist in drei Teilschichten aufgeteilt. 8

5 Internet Protocol (IP) RFC 791, MIL-Std Es wird hier das Internet Protocol der Version 4 vorgestellt: IPv4. Ende der 90er Jahre wurde die Version 6 (IPv6) entwickelt, die sich heute (2013) noch nicht allgemein durchgesetzt hat. Ab 2013 wird der Umstieg auf IPv6 beginnen, da nun alle 32-bit- Adressen der Version 4 vergeben sind. 9 Adressen I Jeder Internet-Knoten hat eine eindeutige 32 Bit-Adresse. Diese werden durch vier Dezimalzahlen, die jeweils 8 Bit repräsentieren ("dotted decimal"), dargestellt, z.b Die Adressen werden in 5 Klassen aufgeteilt: Klasse A: Große Netze mit max Adressen Klasse B. Mittlere Netze mit max Adressen Klasse C: Kleine Netze mit max Adressen Klasse D: Multicast-Adressen Klasse E: Reservierte Adressen Einige Adresswerte haben besondere Bedeutungen, z. B. alle Werte auf 0 oder 1 - daher ist der Adressraum jeweils um 2 reduziert. Darüber hinaus sind noch spezielle Bereiche reserviert. 10

6 Adressen II 1 7 bit 24 bit Klasse A 0 Netzwerk-ID Host-ID Klasse B 2 14 bit 1 0 Netzwerk-ID 16 bit Host-ID Praktisch relevant sind nur die Klassen A, B und C. Klasse C 3 21 bit 8 bit Netzwerk-ID Host-ID 4 28 bit Klasse D Multicast-Adressen 4 28 bit Klasse E Reservierte Adressen 11 Adressaufbau Jede Adresse hat zwei Teile: Der Vordere Teil ist die Adresse/Name des Netzes (Netz-ID) Der hintere Teil ist die Adresse/Name einer Station (Host-ID) Wird der Host-ID-Bereich auf 0 gesetzt, wird der Name des Netzwerks erhalten. Gleichzeitig bedeutet dies, dass der eigene Rechner in dem Netz gemeint ist. Wird der Netz-ID-Bereich auf 0 gesetzt, ist die Adresse einer Station im eigenen Netz gemeint. Werden die Host-ID-Bits der Identifikation auf 1 gesetzt, entsteht die Broadcast-Adresse des Netzes mit der angegebenen Netz-ID. Sind alle Bits auf 1 gesetzt, so bedeutet dies Broadcast auf dem gesamten eigenen (lokalen) Netz. Broadcast im Internet gibt es nicht warum wohl? 12

7 Adressen III Die Adresse wird als Loopback-Adresse reserviert (symbolische Bezeichnung: localhost). Wird ein Paket mit dieser Adresse gesendet, wird das Paket unmittelbar empfangen; dies dient zu Testzwecken. Darüber hinaus gibt es noch reservierte Bereiche, die nur innerhalb lokaler Netze benutzt werden können: Klasse A: bis Klasse B: bis Klasse C: bis Diese Adressen werden im Internet nicht vermittelt und können daher nur lokal verwendet werden; wer eigene IP-Adressen lokal vergibt, sollte sich möglichst an diese Adressbereiche halten, aber nie mit diesen im Internet arbeiten. 13 Subnetting (Bilden von lokalen Teilnetzen) Die Unterscheidung zwischen Netz- und Hostadresse erfolgt über ein Subnetzmaske, die den Bereich der Bits der Netz-ID als 1en markiert (dient als Bit-Maske). Beispiel: B-Netz: mit Netzmaske Das Aufteilen der Adressbereiche der Stationen innerhalb des Adressbereiches in weitere Unterbereiche wird Subnetting genannt. Beispiel: B-Netz: mit Netzmaske Dies bedeutet, dass 256 Subnetze aus maximal 254 Stationen adressiert werden können. Die Aufteilung der unteren 16 Bits eines B-Netzes kann aber auch anders erfolgen. 14

8 Subnetting Beispiel für bis zu 256 Subnetze Hier werden als Beispiel in einer Organisation bis zu 256 Teilnetze definiert. Die Entscheidung, dass die Subnetz-ID eine 8 bit- Breite hat, ist nur ein Beispiel, es hätte auch eine 6 bit-breite o.ä. sein können. 15 Bemerkungen zu den Begriffen Im TCP/IP-Kontext werden OSI-Begriffe anders verwendet: Begriff Host Segment Fragmentierung Fragmente Erklärung Rechner, an dem der Benutzer (Client) arbeitet Segment bedeutet hier dasselbe wie Nachricht oder PDU Verfahren zur Aufteilung langer PDUs auf kleinere PDUs, synonym zu Segmentierung Durch Fragmentierung entstandene PDUs, synonym zu Segment (im üblichen Sinne) 16

9 Internet Protocol (IP) Version 4 Das Internet Protocol ist die Basis des ganzen Internets. Es realisiert: Datagramme: PDUs ohne Verbindungen, d.h. in sich geschlossene Dateneinheiten, die ohne Zusicherung der Reihenfolge auch auf unterschiedlichen Wegen zum Ziel gebracht werden Keine Bestätigungen: Keine PDU wird auf der IP-Ebene bestätigt; falls Bestäti-gungen erforderlich sind, muss dies auf den höheren Ebenen erfolgen. (Fast) keine Prüfsummen: Nur ein kleiner Teil der IP-PDU und auch der nur rudimentär wird auf Bitfehler geprüft. In diesem Sinne realisiert IP einen verbindungslosen, unzuverlässigen Dienst auf der Netzwerk-Ebene. 17 Aufbau des IP-Pakets I 18

10 Aufbau des IP-Pakets II Version (4 bit): 4 oder 6 IHL (Internet Header Length, 4 bit): Länge des Kopfes in Vielfachen von 4 byte (Wertebereich 5..15) Type of Service (8 bit): Qualität 3 bit 5 bit Vorrang D T R C 0 Weg zu niedrigen Kosten Weg mit hoher Sicherheit Weg mit hohem Durchsatz Kurze Verzögerung Werte für das Vorrangfeld Wert Bedeutung 0 Normal 1 Priorität 2 Immediate 3 Flash 4 Flash override 5 Critical 6 Internet Control 7 Network Control 19 Aufbau des IP-Pakets III Paketlänge (16 bit): Länge des gesamten Pakets in byte Hier wird meist der MTU-Wert von meist ca byte benutzt. MTU = Maximum Transmission Unit Kennung (16 bit): Kennzeichnung fragmentierter Pakete, die zu einem nicht-fragmentierten Paket gehören Flags (3 bit): Steuerung der Fragmentierung: 0 DF MF More-Bit: zeigt, ob noch weitere Fragmente kommen Do-not-Fragment: Fragmentierungsverbot 20

11 Fragmentieren I Das Zerlegen und Zusammensetzen eines längeren IP-Pakets in eine Sequenz kleinerer Pakete wird Fragmentieren genannt. Es ist bei Übergängen zwischen Netzen unterschiedlicher maximaler Paketlängen erforderlich. Max. Paketlängen (MTU = Maximum Transmission Unit): IEEE byte 4 Mbit/s-Token Ring byte 16 Mbit/s-Token Ring byte IEEE (WiFi) byte Das Fragmentieren führen in der Regel die Router an den Netzübergängen durch. Der Empfänger sammelt die Pakete und setzt sie zusammen. 21 Fragmentieren II - Beispiel M=0 Offset Daten IP-Header Fragmentierung M=1 Offset Daten M=0 Offset Daten IP-Header IP-Header Fragmentierung 2. Fragmentierung M=1 Offset Daten M=1 Offset Daten IP-Header IP-Header M=1 Offset Daten M=0 Offset Daten IP-Header IP-Header

12 Fragmentieren III Alle Fragmente haben dieselbe Kennung, wobei diese keine Reihenfolge definiert. Die Kennungen sollten sich nur nach längeren Zeitabständen wiederholen (um nicht mit verspäteten Paketen in Konflikt zu kommen). Zu fragmentierende Pakete mit don't-fragment-flags werden verworfen, da sie nicht in das nächste Netzwerk geleitet werden können. Es wird eine ICMP-Meldung an den Absender geschickt. Knoten, die alle Fragmente eines IP-Pakets innerhalb einer bestimmten Zeitspanne (i.d.r s) zum Zusammensetzen nicht erhalten, verwerfen alle schon empfangenen Pakete. Kommen dann noch die verspäteten Pakete, so werden auch diese verworfen. 23 Aufbau des IP-Pakets IV Fragment-Offset (13 bit): Position der Fragmente in Einheiten zu 8 byte, so dass max Bytes transportiert werden können. Time to live (TTL, 8 bit): Noch zulässige Anzahl von Sprüngen über Router (Hops) bzw. Zeitdauer in Sek. typisch: Hops bzw. Sekunden Protokoll (8 bit): Nummer des übergeordneten Protokolls Headerquersumme (16 bit): wird nach jeder Änderung des Kopfes neu berechnet, insbesondere bei neuem TTL-Wert; primitives, aber schnelles Verfahren Optionen/Füllbits: bis zu 40 byte endend an 32-bit-Grenze Optionen dienen zu Routing-, Statistik-, Debugging und Sicherheitsfunktionen 24

13 Nummer des übergeordneten Protokolls I Das Protocol-Feld der IP-PDU enthält eine Nummer, die das Transport-Protokoll - nicht den Port - benennt. Die Liste der Nummern ist in RFC 1700 definiert. Hier ein Auszug: Nummer Bedeutung 0 reserviert 1 ICMP 2 IGMP 6 TCP 8 EGP (Routing Protocol) 17 UDP 29 ISO Transport Class 4 Protocol 88 IGRP (Routing Protocol) 25 Nummer des übergeordneten Protokolls II ip 0 IP # Internet Protocol icmp 1 ICMP # Internet Control Message Protocol ggp 3 GGP # Gateway-Gateway Protocol tcp 6 TCP # Transmission Control Protocol egp 8 EGP # Exterior Gateway Protocol pup 12 PUP # PARC Universal Packet Protocol udp 17 UDP # User Datagram Protocol hmp 20 HMP # Host Monitoring Protocol xns-idp 22 XNS-IDP # Xerox NS IDP rdp 27 RDP # "Reliable Datagram" Protocol rvd 66 RVD # MIT Remote Virtual Disk Zuordnung zu den Protokollen steht in folgenden Dateien, z.b.: UNIX: /etc/protocol Windows XP: \%Systemroot%\system32\drivers\etc\protocol Win 7: \%Systemroot%\System32\drivers\etc\protocol 26

14 Time to live (TTL) Im TTL-Feld wird mit einer 8-bit-Zahl die maximale Zeitdauer der Existenz eines IP-Pakets während der Übertragung in Sekunden angegeben. Jeder Router arbeitet wie folgt: Wird das Paket innerhalb 1s weiter geleitet, so wird um 1 dekrementiert. Liegt das Paket länger als 1s beim Router, so wird der Zähler entsprechend erniedrigt. In der Praxis wird TTL bei jedem Passieren eines Routers um 1 erniedrigt ohne die Zeit zu messen, so dass TTL die maximale Anzahl der Router-Passagen (Hops) angibt. Ist der TTL-Wert nach der Erniedrigung auf 0, so wird das IP- Paket verworfen und an den Absender mit dem ICMP-Protokoll eine Fehlermeldung gesendet. Dies verhindert ewig kreisende Pakete. 27 Transmission Control Protokoll (TCP) RFC 793, MIL-Std OSI-Ebene 4 (Transport) Verbindungsorientiert (Virtueller Kanal) Flusssteuerung Fehlererkennung und Korrektur 28

15 Protokoll und Ports Ports sind Schnittstellen zu Entities höherer Schichten als 4. Diese Entities können Server- oder Client-Prozesse sein. 29 Ports I Port = Schnittstelle zu einem Dienst/Applikation Es gibt maximal Ports, die in folgende Klassen eingeteilt sind: Reserviert für TCP/IP-Dienste Reserviert für Anwendungen Registriert Dynamisch Zuordnung zu den Diensten steht in folgenden Dateien: UNIX: /etc/services Windows XP: \%Systemroot%\system32\drivers\etc\services Win 7: \%Systemroot%\System32\drivers\etc\services 30

16 Ports II Auszug aus services echo 7/tcp echo 7/udp chargen 19/tcp ttytst source #Character generator chargen 19/udp ttytst source #Character generator ftp-data 20/tcp #FTP, data ftp 21/tcp #FTP. control telnet 23/tcp smtp 25/tcp mail #Simple Mail Transfer Protocol time 37/tcp timserver time 37/udp timserver rlp 39/udp resource #Resource Location Protocol nameserver 42/tcp name #Host Name Server nameserver 42/udp name #Host Name Server nicname 43/tcp whois domain 53/tcp #Domain Name Server domain 53/udp #Domain Name Server tftp 69/udp #Trivial File Transfer gopher 70/tcp finger 79/tcp http 80/tcp www www-http #World Wide Web 31 Ports III Die Portnummern adressieren Prozesse. Einige Portnummern sind für die Protokolle TCP und UDP doppelt vergeben. IP-Adresse+Portnummer+Protokoll definiert damit exakt einen Dienst bzw. eine Applikation im Internet. Beispiele für Portnummern (RFC 1700): Portnummer TCP UDP 21 FTP (Filetransfer) FTP (Filetransfer) 23 telnet (rlogin) telnet (rlogin) 53 DNS (Namensdienst) DNS (Namensdienst) 80 HTTP (Web) 110 POP3 (Mail) 119 NNTP (News) 512 exec biff 513 rlogin who 32

17 Ports und Verbindungen I FTP-Server 21 FTP-Client 5033 Host 1 Host 2 FTP-Client FTP-Client TCP- Verbindung 6 TCP- Verbindung Multiplexing IP-Netzwerk IP-Netzwerk 33 Ports und Verbindungen II Mehrere Verbindungen mit derselben Portnummer auf demselben System sind nicht zu unterscheiden, so dass für jedes Programm, das eine eigene Verbindung benötigt, auch eine neue, eindeutige Portnummer benutzt werden muss. Ausnahmen sind Server, die über einen fest definierten Port von außen angesprochen werden. D.h. die Kombination (IP-Adresse, Portnummer, Protokoll) muss für jedes System eindeutig sein. Eine Verbindung wird durch zwei dieser Tripel weltweit eindeutig identifiziert. 34

18 Aufbau des TCP-Pakets I 35 Aufbau des TCP-Pakets II Quell-/Zielport (je 16 bit): diese beiden Werte als Paar identifizieren eine TCP-Verbindung: Die ID einer Verbindung wird durch die ersten 32 bit des TCP-Pakets definiert. Sequenznummer (32 bit): Nummer des 1. Bytes des Datenfeldes im Paket Acknowledge-Nummer (32 bit): alles bis zur Acknowledgenummer-1 wird bestätigt, wenn das ACK-Flag gesetzt wird. Data Offset (4 bit): Länge des Headers in 32-bit-Blöcken Urgent-Flag: Paket mit dringlichen Vorrangdaten (Paket gehört dann nicht zum eigentlichen Strom) Urgent-Pointer zeigt auf das Ende der Vorrangdaten. 36

19 Aufbau des TCP-Pakets III Acknowledge-Flag (ACK): Kennzeichnet eine Bestätigung durch Acknowledge-Nummer Push-Flag: Verhindert das Zwischenpuffern in der TCP-Schicht Reset-Flag: Sofortiger Abbau der Verbindung Final-Flag (FIN): Kennzeichnung zum Abbau der Verbindung Synchronization-Flag (SYN): Aufbau beim 3-Wege-Handshake URG ACK PSH RST SYN FIN Final Flag Synchronization Flag Reset Flag Push Flag Acknowledge Flag Urgent Pointer Flag 37 Aufbau des TCP-Pakets III Es gibt keine besonderen Formen für Aufbau-/Abbau-/Bestätigungspakete etc., sondern nur eine Paketform, wobei die Flags die Bedeutung des Pakets festlegen. Window-Größe: Anzahl der Bytes, die ohne Bestätigung gesendet werden dürfen Hiermit wird eine variable Fenstergröße eines Sliding Window- Verfahrens seitens des Empfängers definiert. Da im Duplex-Modus kommuniziert wird, gibt es für jede Richtung eine eigene Fenstergröße. 38

20 Sequenznummer (SN) Bei TCP werden nicht die Pakete, sondern die übertragenen Bytes durchnummeriert, wobei Pakete ohne Daten als 1 Byte gezählt werden. Wenn das ACK-Flag gesetzt ist, wird das Feld Acknowledge- Nummer (AN) als Bestätigung aller Bytes vor der angegebenen Nummer interpretiert, m.a.w. die AN gibt die Nummer des nächsten nicht-bestätigten Bytes an. Wenn alles Empfangene bestätigt werden soll: AN = Sequenznummer des letzten Pakets+1 39 Aufbau durch 3-Wege-Handshake Station A SN=921 Sende=921 Erwartet=? Sende=922 Erwartet=303 SN=922 ACK=303 Sende=923 Erwartet=303 SYN, SN=921, kein ACK SYN, SN=302, ACK=922 SN=922, ACK=303 Station B Sende=302 Erwartet=? Sende=302 Erwartet=922 SN=302 ACK=922 Sende=303 Erwartet=923 Sende = Nummer des nächsten zu sendenden Bytes Erwartet = Nummer des nächsten zu empfangenen Bytes 40

21 Bestätigter Datentransfer Station A Sende=196 Erwarte=407 SN=196 ACK=407 Sende=201 Erwarte=407 SN=201 ACK=411 Sende=202 Erwarte=407 Gesamter Datenstrom besteht aus 5 byte SN=196, ACK=407 5 byte Daten SN=407, ACK=201 4 byte Daten SN=201, ACK=411 Station B Sende=407 Erwarte=196 SN=407 ACK=201 Sende=411 Erwarte=201 Bestätigung bis 406 Bestätigung der 5 byte 41 Kontrollfluss Station A Station B 100 byte Daten Window Size = byte Daten Stopp! Window Size = 0 Geht wieder! Window Size = byte Daten 42

22 Abbau der Verbindung Station A SN=296 ACK=507 FIN, SN=296, ACK=507 Station B Sende=507 Erwarte=296 FIN, SN=507, ACK=297 SN=507 ACK=297 Verbindung A->B beendet FIN, SN=508, ACK=297 SN=297 ACK=509 FIN, SN=297, ACK=509 Verbindung B-> A beendet Verbindungen werden für jede Richtung getrennt abgebaut, Ausnahme: Reset. 43 User Datagram Protokoll (UDP) RFC 768 Eigenschaften (wie IP) Verbindungslos Unbestätigt Ohne jede Fehlerkorrektur UDP kann auch als eine Art leere Transportschicht mit Durchgriff auf IP angesehen werden. Portnummer TCP UDP 15 Netstat 23 telnet (rlogin) Netbios 69 TFTP (Filetransfer) 161 Simple Network Management Protokoll 44

23 Protokoll und Ports 45 Aufbau des UDP-Pakets 46

24 Vergleich von IP, TCP und UDP Eigenschaft IP UDP TCP Verbindungsorientierung Nein Nein Ja Nachrichtenbegrenzung Ja Ja Nein Prüfsumme über Paket Nein Nein Ja Bestätigung Nein Nein Ja Timeout mit erneuter Übertragung Nein Nein Ja Erkennen doppelter Übertragungen Nein Nein Ja Reihenfolge wird beibehalten Nein Nein Ja Datenflusssteuerung Nein Nein Ja Checksumme über Daten Nein Ja Ja 47 Nach dieser Anstrengung etwas Entspannung... 48

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