Technische Praxis der Computersysteme

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2 Wiederholung Letztes Mal: Protokolle zur Kommunikation zwischen Systemen Unterteilung nach Abstraktionsgrad (OSI-Modell) Ethernet, IPv4, ARP, DHCP und Routing ip-befehle zur Konfiguration von Interfaces dhclient für automatische Adresskonfiguration

3 Grundproblem IPv4: Primärproblem: Kapazität (2 32 Adressen sind nicht genug TM ) Multicasting optional/ nicht einfach. Automatische Adresskonfiguration/Netzwerkkonfiguration ist nicht Teil der Core Protokolle. Komplexität durch Fragmentierung

4 : wurde erstmals 1995 in RFC 1883 definiert und dann in RFC 2460 überarbeitet. Primär wurden Änderungen in folgenden Bereichen vorgenommen: Adressgröße: 128 statt 32-Bit Adressen wie bei IPv4 Multicasts und Anycasts spielen eine wichtige Rolle Extensions und Optionen in eigenem Header Einfacheres Header-Format (Keine Checksum, keine Fragmentierung) Flows

5 -Header: Version Traffic Class Flow Label Payload Length Next Header Hop Limit Source Address Destination Address

6 Bemerkung: -Pakete können per Design beim Transport nicht mehr fragmentieren. Ein Host muss also selbst die MTU (Maximum Transmissuin Units) einer Verbindung feststellen (Path MTU Discovery), oder eine garantierte mindest-mtu nutzen (1280 Byte).

7 Adressnotation: Anders als bei IPv4 werden -Adressen hexadezimal notiert (ähnlich zu MAC-Adressen). Je zwei Byte/vier hexadezimale Stellen werden dabei durch einen Doppelpunkt getrennt, z.b.: 2001:62a:4:2f00:980b:3544:3523:1ee5 Eine beliebig lange, zusammenhängende Folge von 0-Blöcken kann dabei mittels :: weggelassen werden, z.b.: 2001:62a:4:2f01::80:2 entspricht 2001:62a:4:2f01:0:0:80:2

8 Adresszuweisung und Routenkonfiguration: Die Konfiguration von -Adressen und -Routen funktioniert mit dem ip-befehl komplett analog zu IPv4. Z.B. fügt ip addr add 2a01:4f8:190:13e3::123/64 dev eth0 die -Adresse 2a01:4f8:190:13e3::123/64 zu eth0 hinzu. Möchte man bei der Adressausgabe nur IPv4/-Adressen anzeigen ist dies über den Parameter -4 bzw. -6 möglich.

9 & Prefixes unterstützt eine beliebige Anzahl von Adressen pro Interface. Eine Unicast-Adresse (siehe unten) kann dabei - je nach Prefix - in verschiedene Klassen fallen (wie bei IPv4). Gewisse Prefixes haben dabei eine spezielle Bedeutung. Solange eine -Adresse binär nicht mit 000 beginnt, ist ihre Netzmaske immer 64 Bit lang.

10 Loopback-Adresse: Wie IPv4 besitzt auch eine Loopback-Adresse: ::1/128 bzw. 0:0:0:0:0:0:0:1. Diese wird dem Loopback-Interface zugewiesen und erfüllt die selbe Rolle wie unter IPv4.

11 Link-Local Adressen: hat (seit 2004?) kein echtes Pendant zu Private Use Adressblöcken, also Adressblöcke, die nicht global sind. Stattdessen besitzt sog. Link-Local Adressen. Link-Local Adressen... beginnen mit dem Prefix fe80::/64, können nicht in Subnetze unterteilt werden, werden nicht global geroutet, sind also nur im lokalen Netzwerk gültig werden von den meisten Hosts automatisch für jedes Interface generiert

12 Bemerkungen: Link-Local Adressen werden meistens über die MAC-Adresse generiert (RFC X Section Y). Nachdem dadurch immer eine -Adresse vorhanden ist, können Hosts für Aufgaben wie ARP oder automatische Adresskonfiguration bereits auf eine echte -Adresse zurückgreifen.

13 Adresstypen: Grundlegend unterscheidet man vier verschiedene Arten von Adressen: Unicast (one-to-one) Broadcast (one-to-many) Multicast (one-to-selected many) Anycast (one-to- nearest one)

14 und Multicasting: kennt keine Broadcast-Adressen mehr. Stattdessen gibt es gewisse Multicast-Adressen, die genutzt werden, um spezielle Gruppen von Hosts zu erreichen. Multicast-Adressen haben immer die Form bits flgs scop group ID wobei flgs eine Menge von vier Flags entspricht und scop den Scope der Multicast-Adresse festlegt (siehe RFC 4291 Section 2.7).

15 Wichtige Multicast-Adressen: ff02::1: All Nodes (link-local scope) ff02::2: All Routers (link-local scope) ff02::1:ffxx:xxxx: Solicited-Node Address (link-local scope)

16 Bemerkung: Solicited-Node Adressen werden für jede zugewiesene Adresse generiert indem die niedrigsten 24 Bit anstelle der X in ff02::1:ffxx:xxxx eingsetzt werden. Diese Adressen spielen bei der Auflösung von in MAC-Adressen eine wichtige Rolle.

17 Bemerkung: Der Einsatz von Multicast-Adressen bewirkt insbesondere, dass ein Client weniger überflüssige Pakete zu sehen bekommt, solange die Netzwerkhardware (e.g. Switches) weiß, welche Hosts sich für welche Multicast-Adressen interessieren.

18 Bemerkung: Der Einsatz von Multicast-Adressen bewirkt insbesondere, dass ein Client weniger überflüssige Pakete zu sehen bekommt, solange die Netzwerkhardware (e.g. Switches) weiß, welche Hosts sich für welche Multicast-Adressen interessieren. Bemerkung II: Damit z.b. ein Switch weiß, welche Hosts sich für eine gegebene Multicast-Adresse interessieren, gibt es das MLD-Protokoll, das ein Teil von ICMPv6 ist. Ein Switch sendet dabei MLD-Listener-Queries an alle Hosts, die darauf mit einem Listener Report antworten, der alle Multicast-Adressen beinhaltet, für die sie sich interessieren.

19 ICMPv6: Wie auch bei IPv4 gibt es bei ein Control Message Protocol - ICMPv6. ICMP-Nachrichten sind wieder nach Typ und Code unterteilt. ICMPv6 ist integraler Bestandteil von und wesentlich wichtiger als ICMP bei IPv4. ARP und Automatische Adresskonfiguration sind Teil von ICMP.

20 ICMPv6: Wie auch bei IPv4 gibt es bei ein Control Message Protocol - ICMPv6. ICMP-Nachrichten sind wieder nach Typ und Code unterteilt. ICMPv6 ist integraler Bestandteil von und wesentlich wichtiger als ICMP bei IPv4. ARP und Automatische Adresskonfiguration sind Teil von ICMP. Bemerkung: Insbesondere gibt es wieder Typen für Echo-Requests und -Replies, sowie Destination Unreachable Messages.

21 NDP: Das Neighbour Discovery Protocol (NDP) erfüllt die Rolle von ARP und (teilweise) DHCP in und ist in seiner aktuellsten Form in RFC 4861 definiert. Es bietet unter Anderem folgende Funktionen: Network Discovery: Router, automatische Adresskonfiguration und verfügbare Prefixes. Adressauflösung, erkennen doppelter Adressen (duplicate address detection, dad)

22 NDP & ICMP: NDP ist ein Teil von ICMP definiert dazu gewisse Typen im ICMP-Protokoll: Router Solicitation Router Advertisement Neighbour Solicitation Neighbour Advertisement Redirect

23 NDP und automatische Adresskonfiguration: Ein Router sendet periodisch Router Announcements Route Announcements enthalten Daten wie Addressprefixes und DNS-Server (Extension) Ein Client generiert eine Addresse mit dem gegebenen Prefix, setzt Routen und DNS-Server

24 Router Solicitation: Damit ein Client nicht auf ein Router Announcement warten muss, kann er ein Router Solicitation-Paket schicken, auf das verfügbare Router mit einem Announcement antworten. Dieses Paket wird an die link-local All-Routers Multicast-Adresse geschickt (ff02::2).

25 Router Solicitation: Damit ein Client nicht auf ein Router Announcement warten muss, kann er ein Router Solicitation-Paket schicken, auf das verfügbare Router mit einem Announcement antworten. Dieses Paket wird an die link-local All-Routers Multicast-Adresse geschickt (ff02::2). Bemerkung: Die so gewonnenen Adressen sind stateless - der Router weiß nicht, welche Adresse(n) der Client generiert. Der Client muss beim erzeugen der Adressen darauf achten, dass diese nicht schon in Verwendung sind (Duplicate Address Detection).

26 NDP und Adressauflösung: NDP bietet auch die Möglichkeit MAC-Adressen aufzulösen. Dazu sendet ein Client ein Neighbour Solicitation ICMP-Paket an die zur Adresse gehörige Multicast-Adresse (siehe Solicited-Node Address oben). Das Gegenüber antwortet darauf mit einem Neighbour Advertisement an den Client.

27 Bemerkung: Ein Client kann auch einfach Neighbour Advertisements an die All-Nodes Multicast-Adresse schicken - z.b. wenn sich seine MAC-Adresse geändert hat und er dies mitteilen möchte.

28 Stateful Autoconf: Es gibt auch die Möglichkeit Adressen stateful zuzuweisen. Dies läuft üblicherweise unter dem Namen DHCPv6, ist aber weitaus weniger Verbreitet als stateless autoconf. dhclient unterstützt DHCPv6 durch den -6-Parameter.

29 Stateless Autoconf unter GNU/Linux: Unter GNU/Linux (und den meisten BSD-Systemen) wird die stateless Adresskonfiguration vom Kernel übernommen und ist per default aktiviert. -Adressen erscheinen also magisch am Interface, sobald ein Router Advertisement vom Kernel empfangen wird. Dies kann man via sysctl über spezielle Kernelparameter beeinflussen.

30 sysctl: sysctl - configure kernel parameters at runtime Mit sysctl können Kernel-Parameter zur Laufzeit ausgelesen und manipuliert werden. sysctl parameter.name gibt den Wert eines Parameters aus mit sysctl -w parameter.name=value kann man diesen Verändern.

31 sysctl: sysctl - configure kernel parameters at runtime Mit sysctl können Kernel-Parameter zur Laufzeit ausgelesen und manipuliert werden. sysctl parameter.name gibt den Wert eines Parameters aus mit sysctl -w parameter.name=value kann man diesen Verändern. Wichtige Parameter: -a: Gibt eine Liste aller Parameter und deren Werte aus.

32 sysctl.conf: Die Dabei /etc/sysctl.conf enthält Kernel-Parameter, die beim Booten gesetzt werden sollen. Jede Zeile enthält dabei einen Eintrag der Form parameter.name=value, Kommentare können mit # angegeben werden: # disable IPv4 forwarding net.ipv4. ip_forward = 0

33 Dokumentation zu sysctls: Eine - mehr oder minder informative und vollständige - Dokumentation der verfügbaren sysctl-settings mit Bezug auf IP-Networking findet sich unter /Documentation/networking/ip-sysctl.txt im Source-Archiv der laufenden Kernel-Version, oder (für die aktuellste Version?) auch online unter Documentation/networking/ip-sysctl.txt.

34 sysctl und stateless Autoconf: -Bezogene sysctl-parameter finden sich meistens unter net.ipv6.conf und sind nach Interface, all oder default aufgeteilt. Parameter in net.ipv6.conf.default werden dabei für alle neu entdeckten Interfaces gesetzt (z.b. USB-WLAN-Dongles). all ist ein Mysterium und agiert je nach Parameter anders. Interface-Spezifische Settings gelten natürlich nur für das jeweilige Interface.

35 sysctl und stateless Autoconf: -Bezogene sysctl-parameter finden sich meistens unter net.ipv6.conf und sind nach Interface, all oder default aufgeteilt. Parameter in net.ipv6.conf.default werden dabei für alle neu entdeckten Interfaces gesetzt (z.b. USB-WLAN-Dongles). all ist ein Mysterium und agiert je nach Parameter anders. Interface-Spezifische Settings gelten natürlich nur für das jeweilige Interface. Einige sysctl-parameter für stateless autoconf: accept_ra - Deaktiviert (0) oder aktiviert (1) das Verarbeiten von Router Advertisements im Allgemeinen. autoconf - Deaktiviert (0) oder aktiviert (1) das automatische generieren von Adressen beim Erhalt von Router Advertisements.

36 Layer 3 Layer 3 Protokolle und ihre Aufgabe: Layer 3 Protokolle bilden üblicherweise die letzte Abstraktionsschicht im OSI-Modell, die (im Allgemeinen) vom Kernel übernommen wird. Protokolle auf diesem OSI-Layer bieten meist Multiplexing, i.e. eine Möglichkeit Pakete an eine IP-Adresse verschiedenen Programmen zuzuordnen. Dies wird oft mittels Ports realisiert.

37 Layer 3 Ports: Ports dienen der Zuweisung von Paketen an spezifische Prozesse. Eine Verbindung zwischen zwei Prozessen besteht also meistens aus zumindest Quelladresse, Quellport, Zieladresse und Zielport.

38 TCP TCP: Das Transmission Control Protocol (kurz TCP) ist eines der beiden am häufigsten anzutreffenden Layer 3 Protokolle. Es wurde erstmals 1981 in RFC 793 definiert. TCP stellt dabei folgende Funktionen zur Verfügung: Multiplexing (Ports) Connections! Reliable Data Transfer (Reihenfolge der Daten, Checksummen, Duplikate,...) Flow Control

39 TCP TCP-Header: Source Port Destination Port Sequence Number Acknowledgment Number Data U A P R S F Offset Reserved R C S S Y I Window G K H T N N Checksum Urgent Pointer Options Padding data

40 TCP TCP und Verbindungen: TCP beinhaltet das Konzept von Verbindungen, eine Verbindung beginnt dabei mit einem Handshake (SYN/SYN-ACK/ACK, siehe unten) und Endet mit Erhalt eines FIN-Bits durch eine FIN-ACK/FIN-ACK Sequenz (siehe unten).

41 TCP TCP und Datenreihenfolge: TCP stellt über Sequence und Acknowledgement-Zahlen fest, in welcher Reihenfolge Daten gesendet wurden und ob diese verloren gehen. Dies funktioniert wie folgt: Die beiden Endpunkte generieren beim Verbindungsaufbau eine initiale Sequence Number, die sie ab dem ersten Paket mit schicken. Der Empfänger eines Pakets schickt, neben seiner aktuellen Sequence Number und eventuellen Daten, bei gesetztem ACK-Flag als Acknowledgement-Number die Sequence-Number des letzten Pakets mit, das er erhalten hat und bestätigt damit dessen Empfang. Jedes Senden von Daten erhöt die Sequence Number um die Größe des Pakets.

42 TCP Bemerkung: Die Reihenfolge der Pakete erkennt man an der Sequence Number. Ebenso fehlende Pakete: Erhält man plötzlich Pakete mit einer höheren Sequence Number als erwartet, sind Daten verloren gegangen. Man bestätigt dann den Empfang weiterer Pakete erst, wenn das fehlende Paket angekommen ist. Erhält ein Sender keine Bestätigung in Form eines entsprechenden ACK, sendet er die fehlenden Pakete nach einer gewissen Zeit erneut.

43 TCP Verbindungsaufbau:

44 UDP UDP: Das User Datagram Protocol (kurz UDP) ist ein, im Vergleich zu TCP wesentlich simpleres, häufig genutztes Protokoll zum Datenaustausch zwischen Prozessen und wird in RFC 768 definiert. Wie TCP gibt es auch bei UDP Ports. Anders als TCP bietet UDP aber nicht nicht mehr als das. UDP bietet Multiplexing (aka Ports)... ist verbindungslos,... garantiert nicht, dass alle Daten empfangen wurden... garantiert nicht die richtige Reihenfolge der erhaltenen Daten,

45 UDP UDP-Header: Source Destination Port Port Length Checksum data octets

46 UDP Einsatz: UDP wird meistens für kleine Anfragen genutzt (z.b. DNS), oder zum Transport von Daten, bei denen Datenverlust keine wesentliche Rolle spielt (z.b. Videostreams).

47 Sockets Sockets: Unter Unix werden TCP- und UDP-Verbindungen typischerweise mittels Sockets aufgebaut. Ein Socket ist dabei ein Konstrukt, das als Schnittstelle zwischen einem Programm im Userspace und dem Kernel dient. Ein Socket hat dabei zumindest eine Adressfamilie (z.b. AF_INET für IPv4 oder AF_INET6 für ) und einen Typ (z.b. SOCK_STREAM für TCP und SOCK_DGRAM für UDP). Ein Socket kann genutzt werden, um sich mit einem anderen Rechner zu Verbinden (connect(2)) oder um auf einkommende Verbindungen zu warten (bind(2)). Beide Vorgänge binden den Socket an einen gewissen Port. Sockets sind also typischerweise Endpunkte einer TCP oder UDP Verbindung.

48 Sockets Anzeigen von Sockets: Der ss-befehl (socket statisics) kann unter GNU/Linux zum Anzeigen von Socketinformationen genutzt werden.

49 Sockets Anzeigen von Sockets: Der ss-befehl (socket statisics) kann unter GNU/Linux zum Anzeigen von Socketinformationen genutzt werden. Wichtige Parameter: -t: Gibt TCP-Sockets aus. -u: Gibt UDP-Sockets aus, -a: all - gibt auch listening Sockets aus. -4: Nur IPv4 Sockets. -6: Nur Sockets. -p: Gibt zusätzlich die Prozesse aus, zu denen die Sockets gehören. -n: numeric - gibt IP-Adressen statt Hostnamen aus.

50 Namensauflösung Namensauflösung: Meistens nutzt man zum Verbindungsaufbau in Programmen nicht die IP-Adresse des Hosts, sondern einen Namen. Dies impliziert meistens einen DNS-Lookup. In jedem Fall muss der Name aber in eine IP-Adresse aufgelöst werden. Unter Unix-Systemen gibt es dazu (mindestens) zwei häufig genutzte Mechanismen: Die hosts-file und die Auflösung über von Namen über DNS.

51 Namensauflösung hosts-file: Die hosts-file findet sich unter /etc/hosts und stellt eine statische Tabelle zur Namensauflösung dar. Jede Zeile enthält dabei eine IP-Adresse (IPv4 oder ) und eine Liste an Hostnamen, die zu dieser Adresse gehören, z.b.: localhost meinhostname ::1 localhost ipv6 - localhost ff02 ::2 ipv6 - allrouters

52 Namensauflösung DNS: Das Auflösen von Namen in IP-Adressen geschieht im Internet über das DNS-Protokoll (Domain Name Service). Der Client löst dabei sog. Ressource Records (also z.b. eine IPv4-Adresse (A-Record) oder eine -Adresse (AAAA-Record)) auf, indem er die DNS-Hierarchie Schrittweise abwandert.

53 Namensauflösung DNS: Das Auflösen von Namen in IP-Adressen geschieht im Internet über das DNS-Protokoll (Domain Name Service). Der Client löst dabei sog. Ressource Records (also z.b. eine IPv4-Adresse (A-Record) oder eine -Adresse (AAAA-Record)) auf, indem er die DNS-Hierarchie Schrittweise abwandert. Stub Resolver: Viele Systeme nutzen einen sog. stub Resolver, der selber keine Records auflöst, sondern einen anderen, (Recursive) Nameserver darum bittet dies zu tun und die Antworten dann an die Programme zurückgibt.

54 Namensauflösung Unter GNU/Linux bzw. BSD-Systemen: Die Datei /etc/resolv.conf enthält eine Liste von Nameservern, die als recursive Nameserver zum Auflösen von Namen in Adressen genutzt werden. Sie ist in der resolv.conf(5)-manpage genau dokumentiert. In jedem Fall sollte sie eine Liste von recursive Resolvern enthalten. Jeder solche Eintrag ist von der Form nameserver IP, z.b.: nameserver nameserver 2001: 4860: 4860:: 8844

55 Tools host: Der host-befehl kann zum Aufösen von DNS-Records genutzt werden. Der aufzulösende Name muss als Parameter übergeben werden. Per default gibt host eine Liste an IPv4 und Adressen, sowie Mailserver (MX Records) aus, die für die Domain zuständig sind.

56 Tools host: Der host-befehl kann zum Aufösen von DNS-Records genutzt werden. Der aufzulösende Name muss als Parameter übergeben werden. Per default gibt host eine Liste an IPv4 und Adressen, sowie Mailserver (MX Records) aus, die für die Domain zuständig sind. Wichtige Parameter: -t TYPE: Gibt den Record-Type an, den host auflösen soll, z.b. A (IPv4), AAAA () oder MX (Mail).

57 Tools Bemerkung: Übergibt man eine IPv4- oder -Adresse an host, so wird ein reverse Lookup ausgeführt und (falls vorhanden) der zur IP festgelegte Name ausgegeben.

58 Tools dig: dig ist - wie host - ein Programm zum Auflösen von DNS-Records. Ein typischer Aufruf hat die Form name type (optional) den DNS Server angibt, name für den aufzulösenden Namen steht und type den Record-Type festlegt (z.b. A, AAAA, MX, SRV,...).

59 Tools dig: dig ist - wie host - ein Programm zum Auflösen von DNS-Records. Ein typischer Aufruf hat die Form name type (optional) den DNS Server angibt, name für den aufzulösenden Namen steht und type den Record-Type festlegt (z.b. A, AAAA, MX, SRV,...). Wichtige Parameter: -x addr: Reverse Lookup der Adresse addr, z.b. dig -x

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