Rechnernetze I. Rechnernetze I. 5 Internetworking SS Universität Siegen Tel.: 0271/ , Büro: H-B 8404

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1 Rechnernetze I SS 2012 Universität Siegen rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/ , Büro: H-B 8404 Stand: 19. Juni 2012 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (1/12) i Rechnernetze I SS Internetworking Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/12) 131

2 5 Internetworking... OSI: 3 Inhalt IP Grundlagen IP Adressierung und Weiterleitung IP Fragmentierung / Reassembly ARP DHCP ICMP Virtuelle Netzwerke und Tunnel Peterson, Kap. 4.1 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/12) Internetworking... Was ist ein Internetwork? LAN + Switch / Bridge + LAN = elan (physisches Netz) LAN + Router + LAN = Internetwork (logisches Netz) Netz von Netzen Was macht ein Internetwork aus? Heterogenität Verbindung unterschiedlichster Netzwerktypen (auch zukünftiger!) Skalierung Integration von sehr vielen Rechnern und Netzen Internet: mehrere 100 Millionen Rechner Internetwork Internet Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/12) 133

3 5 Internetworking... Beispiel für ein Internetwork H1 H2 H3 Netzwerk 1 (Ethernet) Netzwerk 2 H4 (Ethernet) R1 Netzwerk 3 (FDDI) H7 R3 H8 Netzwerk 4 (Modemverbindung, PPP) R2 H5 H6 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/12) IP: Grundlagen IP (Internet Protocol) als Internetwork-Protokoll H1 H8 TCP R1 R2 R3 TCP IP IP IP IP IP ETH ETH FDDI FDDI PPP PPP ETH ETH Auf jedem Rechner und jedem Router läuft IP IP kann auf unterschiedlichsten Netztechnologien aufsetzen Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/12) 135

4 5.1 IP: Grundlagen... IP Dienstmodell (was bietet IP?) Adressierungsschema Datagramm-Zustellung Um Heterogenität und Skalierbarkeit zu unterstützen: kleinster gemeinsamer Nenner IP bietet nur das, was mit jeder Netzwerktechnologie realisiert werden kann run over everything Best Effort -Modell: IP bemüht sich, gibt aber keinerlei Garantien Verlust, Duplikate, Vertauschung von Paketen möglich höhere Schichten bieten bessere Dienste Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/12) IP: Grundlagen... Aufbau eines IP-Pakets (IPv4) Version HLen TOS Length TTL Ident Protocol Flags SourceAddr DestinationAddr Options (variable) Data Offset Checksum Pad (variable) IP Header Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/12) 137

5 5.1 IP: Grundlagen... Aufbau eines IP-Pakets (IPv4)... HLen: Länge des Headers in 32-Bit Worten Length: Gesamtlänge des Pakets (Datenteil und Header) in Bytes maximale Länge: Byte Ident / Flags / Offset: für Fragmentierung / Reassembly TTL (Time To Live): zur Erkennung endlos kreisender Pakete wird von jedem Router heruntergezählt, bei 0 wird das Paket verworfen Protocol: Demultiplex-Schlüssel, kennzeichnet das über IP sitzende Protokoll Checksum: Prüfsumme für den Header Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/12) IP: Adressierung und Weiterleitung Für Skalierbarkeit: Hierarchische Adressen IP-Adresse = Netzadresse + Hostadresse 7 24 Klasse A 0 Netzwerk Host Klasse B 1 0 Netzwerk Host 21 8 Klasse C Netzwerk Host Broadcast im lok. Netz Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/12) 139

6 Anmerkungen zu Folie 139: Damit erlaubt IP 126 Netzwerke der Klasse A mit Hosts (die Werte 0 und 127 für den Netzwerkteil, sowie die Werte 0 und für den Hostteil sind reserviert). Zusätzlich gibt es Netze mit je Hosts sowie Netze mit 254 Hosts (auch hier sind jeweils wieder zwei Werte für den Netzwerk- und Hostteil reserviert). IP-Adressen werden byteweise dezimal aufgeschrieben, wobei die einzelnen Byte-Werte durch Punkte getrennt werden. Z.B.: Sind alle Bits im Hostteil einer Zieladresse auf 1 gesetzt, z.b. bei der Klasse B Adresse , so bedeutet dies einen Broadcast im angegebenen Netz (hier ). Die Adresse als Zieladresse bewirkt immer einen Broadcast im lokalen Netz. 5.2 IP: Adressierung und Weiterleitung... IP-Adressierung: Details Jedes IP-Datagramm enthält IP-Adresse des Empfängers Netzadresse kennzeichnet eindeutig ein physisches Netz, das Bestandteil des Internets ist Rechner (und Router) mit gleicher Netzadresse kommunizieren direkt über ihr lokales Netz Jedes physische Netz, das Teil des Internets ist, enthält mindestens einen Router Router ist an mindestens ein weiteres Netz angeschlossen über ihn werden IP-Pakete mit anderen Netzen ausgetauscht Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/12) 140

7 5.2 IP: Adressierung und Weiterleitung... Router und IP-Weiterleitung Router hat mehrere Netzwerk-Schnittstellen jede Schnittstelle hat ihre eigene IP-Adresse Weiterleitungs-Algorithmus (in jedem Router und Rechner): Ziel hat selbe Netzadresse: Paket direkt an Ziel senden (über lokales Netz) Ziel hat andere Netzadresse: Nachsehen in Routing-Tabelle Tabelleneinträge: (Netzadresse, Next Hop) sende Paket an Next Hop (über lokales Netz) Ziel mit unbekannter Netzadresse: sende Paket an Default-Router Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/12) IP: Fragmentierung/Reassembly Problem für IP Jedes Netzwerk hat seine eigene maximale Framegröße (MTU: Maximum Transmission Unit) Netzwerk MTU [Byte] Ethernet 1500 FDDI Mbits/sec Token-Ring (IEEE 802.5) Mbits/sec Token-Ring (IBM) Alternativen für IP: max. Paketgröße = minimale MTU (welcher Netze??) Möglichkeit der Fragmentierung von IP-Paketen Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/12) 142

8 5.3 IP: Fragmentierung/Reassembly... Beispiel zur Fragmentierung H1 R1 R2 R3 H8 MTU: 1500 MTU: 4352 MTU: 532 MTU: 1500 ETH IP (1400) FDDI IP (1400) PPP IP (512) ETH IP (512) MAC Header IP Header (20 Byte) Nutzdaten PPP IP (512) PPP IP (376) ETH IP (512) ETH IP (376) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/12) IP: Fragmentierung/Reassembly... Fragmentierung im Detail Start des Headers Ident=x 0 Offset=0 Rest des Headers 1400 Datenbytes Ident-Feld kennzeichnet zusammengehörige Fragemente M-Bit im Flags-Feld: more fragements Offset zählt in 8-Byte-Schritten! Start des Headers Ident=x 1 Offset=0 Rest des Headers 512 Datenbytes Start des Headers Ident=x 1 Offset=64 Rest des Headers 512 Datenbytes Start des Headers Ident=x 0 Offset=128 Rest des Headers 376 Datenbytes Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/12) 144

9 5.3 IP: Fragmentierung/Reassembly... Fragmentierung im Detail... Fragmentierung geschieht in den Routern bzw. im Sender Jedes Fragment ist ein eigenständiges IP-Datagramm ein Fragment kann ggf. nochmals fragmentiert werden Empfänger baut aller Fragmente wieder zusammen falls ein Fragment nicht ankommt, werden alle anderen zugehörigen Fragmente verworfen Heute meist Path MTU Discovery bevorzugt: ein Bit im IP-Header verbietet Fragmentierung ggf. Fehlermeldung an Sender (über ICMP, siehe später) Sender kann minimale MTU ermitteln Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/12) ARP Motivation IP-Weiterleitung bringt ein Paket in das richtige LAN Wie funktioniert IP-Kommunikation innerhalb eines LANs? Beispiel: R1 empfängt Paket für Rechner R1 muß Paket über Ethernet an diesen Rechner weiterleiten H1 H2 H3 Woher weiß R1 die MAC-Adresse des Rechners mit IP- Adresse ? Anmerkung: dasselbe Problem tritt auch auf, wenn z.b. H1 ein Paket an IP-Adresse senden will Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/12) 146 R1 Ethernet (Netzadresse )

10 5.4 ARP... Motivation... Problem: Umsetzung von IP-Adressen auf MAC-Adressen im lokalen Netz Lösungs-Alternativen: MAC-Adresse in IP-Adresse kodieren? nicht realisierbar (Ethernet: 48 Bit MAC-Adresse!) Manuell verwaltete Tabellen? Verwaltungsaufwand! Automatisches (dynamisches) Erstellen der Tabellen! Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/12) ARP... ARP: Address Resolution Protocol Annahme: ein Rechner H will ein Paket an IP-Adresse xyz senden, xyz ist im lokalen Netz H sucht in seinem ARP-Cache nach der zu xyz gehörigen MAC-Adresse Falls gefunden: Paket an diese MAC-Adresse senden Sonst: H sendet Broadcast-Anfrage in das LAN: wer hat IP-Adresse xyz? Der betroffene Rechner antwortet mit seiner IP- und MAC-Adresse H trägt Zuordnung in sein ARP-Cache ein nach bestimmter Zeit automatische Löschung Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/12) 148

11 5.5 DHCP DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol Automatisiert die Vergabe von IP-Adressen Vorgehensweise: 1. Rechner sendet Broadcast-Anfrage (DHCPDISCOVER) Verbreitung nur im lokalen Netz 2. DHCP-Server sendet DHCPOFFER: Angebot für IP-Adresse Zuordnung statisch oder dynamisch, als Schlüssel dient MAC-Adresse des Rechners 3. Rechner fordert diese Adresse vom DHCP-Server an (DHCPREQUEST) 4. DHCP-Server bestätigt (DHCPACK) IP-Adresse wird nur für eine bestimmte Zeit gemietet periodische Wiederholung der Schritte 3 und 4 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/12) 149 Anmerkungen zu Folie 149: Das DHCP-Protokoll unterstützt, daß es mehrere DHCP-Server in einem Netz geben kann. DHCPDISCOVER wird von allen Servern empfangen, die auch alle antworten. Der Client kann sich dann eine Antwort aussuchen. Der DHCPREQUEST wird ebenfalls als Broadcast versendet. Er enthält zusätlich die IP-Adresse des Servers, dessen DHCPOFFER der Client annehmen will. Der DHCPREQUEST zeigt damit allen anderen Servern an, daß der Client deren Angebot nicht annimmt. Zustätzlich sieht DHCP vor, daß ein sog. DHCP-Relay Anfragen in ein anderes Netz weitergibt (d.h., der DHCP-Server kann sich dann auch in einem anderen Netz befinden).

12 5.6 ICMP ICMP: Internet Control Message Protocol Datagramme für Fehler-und Verwaltungsmeldungen: Ziel nicht erreichbar Reassembly fehlgeschlagen Fragmentierung nicht erlaubt, aber erforderlich TTL wurde 0 Prüfsummenfehler im IP-Header ICMP Redirect: bessere Route zum Ziel Echo Request / Reply: z.b. bei ping und traceroute... Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/12) 150 Rechnernetze I SS Universität Siegen rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/ , Büro: H-B 8404 Stand: 19. Juni 2012 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/12) i

13 5.7 IP-Tunnel und virtuelle private Netze (VPN) Zwei private Netzwerke: Firma X: A C Verbindungsleitungen B Standort mit LAN Firma Y: K L M Zwei VPNs: K C L Verbindungs leitungen A M B Virtuelle Leitungen (Firma Y) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/12) IP-Tunnel und virtuelle private Netze (VPN)... Realisierung von virtuellen Leitungen durch IP-Tunnel: R1 R2 Netzwerk 1 Internetwork Netzwerk 2 IP Header Ziel = 2.x IP Nutzdaten Gründe für Tunnel: IP Header Ziel = IP Header Ziel = 2.x IP Nutzdaten Verschlüsselung im Tunnel (z.b. mit Secure IP) spezielle Fähigkeiten von R1, R2 (z.b. Multicast) andere Protokolle (nicht IP) IP Header Ziel = 2.x IP Nutzdaten Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/12) 152

14 5.8 Zusammenfassung Internetwork: Netz von Netzen IP-Protokoll: Best-Effort, run over verything Hierarchische Adressen: Routing nur zwischen Netzen Hilfsprotokolle: ICMP, ARP, DHCP Virtuelle private Netze durch IP-Tunnel Nächste Lektion: Routing Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (8/12) 153