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1 Rechnernetze I SS 2013 Universität Siegen rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/ , Büro: H-B 8404 Stand: 18. Juli 2013 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (1/13) i Rechnernetze I SS Universität Siegen rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/ , Büro: H-B 8404 Stand: 18. Juli 2013 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) i

2 Rechnernetze I SS Internetworking Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 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 (6/13) 131

3 6 Internetworking... Was ist ein Internetwork? Zusammenschluß von einzelnen (physischen) Netzen über Router zu einem logischen 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 (6/13) 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 (6/13) 133

4 6.1 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 (6/13) 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 (6/13) 135

5 6.1 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 (6/13) IP: Grundlagen... Aufbau eines IP-Pakets (IPv4)... HLen: Länge des Headers in 32-Bit Worten TOS: Paket- Priorität für Quality of Service 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 (6/13) 137

6 6.2 IP: Adressierung und Weiterleitung Für Skalierbarkeit: Hierarchische Adressen IP-Adresse = Netzadresse + Hostadresse 7 24 Klasse A 0 Netzwerk Host Klasse B Netzwerk Host 21 8 Klasse C Netzwerk Host Klasse D (Multicast) Multicast Gruppe Broadcast im lok. Netz Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 138 Anmerkungen zu Folie 138: IP-Adressen werden byteweise dezimal aufgeschrieben, wobei die einzelnen Byte-Werte durch Punkte getrennt werden. Z.B.: Die klassenbasierte Adressierung erlaubt 128 Netzwerke der Klasse A mit jeweils max Hosts, Klasse-B-Netze mit jeweils max Hosts sowie 2 21 Klasse-C-Netze mit max. 254 Hosts. Ab 1993 wurde die klassenlose Adressierung eingeführt, bei der die Grenze zwischen Netzwerk- und Hostteil beliebig gesetzt werden kann. Da die Länge des Netzwerkteils damit nicht mehr eindeutig aus der Adresse hervorgeht, wird sie (bei Netz- und Hostadressen) explizit mit angegeben, z.b /23 In jedem Netz sind immer zwei spezielle Werte für den Hostteil reserviert: Sind alle Bits im Hostteil einer Zieladresse auf 1 gesetzt, z.b. in der Adresse (Klasse B), so bedeutet dies einen Broadcast im angegebenen Netz (hier ). Die Adresse als Zieladresse bewirkt immer einen Broadcast im lokalen Netz. Die Kombination alle Bits auf 0 ist immer reserviert, um die Netzadresse eindeutig bezeichnen zu können (z.b )

7 Einige Adressbereiche sind für spezielle Zwecke reserviert, u.a.: /8 U.a. für Default-Route in Routingtabellen /8 Für private IP-Netze /8 Loopback-Adressen /16 Link-lokale Adressen /12 Für private IP-Netze /24 TEST-NET: nur für Beispiele und Dokumentation /16 Für private IP-Netze 6.2 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, ist mit mindestens einem Router verbunden Router ist an mindestens ein weiteres Netz angeschlossen über ihn werden IP-Pakete mit anderen Netzen ausgetauscht Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 139

8 6.2 IP: Adressierung und Weiterleitung... Router und IP-Weiterleitung Router hat mehrere Netzwerk-Schnittstellen jede Schnittstelle hat ihre eigene IP-Adresse Gateway: Schnittstelle eines Routers im lokalen Netz 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) Falls passender Eintrag gefunden: sende Paket an Next Hop (über lokales Netz) sonst: sende Paket an Default-Gateway (über lokales Netz) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) IP: Adressierung und Weiterleitung... Subnetze Erinnerung: Adreßklassen in IP (Version 4) Klasse A: 126 Netze zu je ca. 16 Millionen Hosts Klasse B: Netze zu je Hosts Klasse C: ca. 2 Millionen Netze zu je 254 Hosts Klasse B ist am interessantesten Adressen sind aufgebraucht Mißverhältnisse zwischen Netzgröße und Ausnutzbarkeit Pragmatische Lösung (ab 1985): Einführen von Subnetzen Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 141

9 6.2 IP: Adressierung und Weiterleitung... Subnetz-Bildung mit Klasse-B-Adressen Netzwerk Adresse Host Adresse Klasse B Adresse Subnetz Maske ( ) Netzwerk Adresse Subnetz A. Host Adr. Adresse mit Subnetz Damit: weitere Hierarchie-Ebene(n) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 142 Anmerkungen zu Folie 142: Man kann mehrere Arten des Subnettings unterscheiden: Beim einfachen Subnetting besitzen alle Subnetze eines Netzes dieselbe Subnetzmaske. Wenn die Subnetzmaske n zusätzliche Bits für die (Sub-)Netzadresse bereitstellt und m Bits für die Hostadresse verbleiben, wird das Netz also in 2 n Subnetze der Größe 2 m 2 unterteilt (zwei Werte sind für die (Sub-)Netz- und die Broadcast-Adresse reserviert). Beim hierarchischen Subnetting kann man ein Subnetz durch eine längere Subnetzmaske weiter unterteilen. Ein Subnetz mit Subnetzmaske kann z.b. mit einer Subnetzmaske in zwei Sub-Subnetze unterteilt werden. Beim VLSM (Variable Length Subnet Mask) Subnetting wird ein Netz durch Subnetzmasken unterschiedlicher Länge in verschieden große Subnetze unterteilt. Im Endeffekt ist ein Subnetz aber immer durch (Sub-)Netzadresse und (Sub-)Netzmaske eindeutig beschrieben. Häufig wird statt der (Sub-)Netzmaske auch die Länge des (Sub-)Netzadreßteils angegeben. Z.B. wird ein (Sub-)Netz mit der (Sub- )Netzmaske auch als /25 beschrieben.

10 6.2 IP: Adressierung und Weiterleitung... Ein Netz mit Subnetzen: Hosts und Router müssen ange paßte Forwarding Algorithmen ver wenden Subnetzadresse = IP Adresse AND Subnetzmaske Subnetzadresse: Subnetzadresse: Subnetzmaske: Subnetzmaske: H H R1 Subnetzadresse: Subnetzmaske: Netz Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 143 R Subnetzadresse: Subnetzmaske: H2 H4 R0 6.2 IP: Adressierung und Weiterleitung... Forwarding-Algorithmus mit Subnetzen Aufbau der Weiterleitungstabelle: Subnetzadresse 1 Subnetzmaske 1 Next Hop 1 Subnetzadresse 2 Subnetzmaske 2 Next Hop Weiterleitung eines Pakets mit IP-Adresse xyz: Suche Eintrag i mit längster Subnetzmaske, für den gilt: xyz AND Subnetzmaske i = Subnetzadresse i Falls Eintrag gefunden: Weiterleiten an NextHop i Sonst: Verwerfen des Pakets Eintrag für Default-Gateway: Next Hop Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 144

11 Anmerkungen zu Folie 144: Da immer xyz AND 0 = 0 gilt, passt der Eintrag für das Default-Gateway auf jede IP-Adresse xyz. Da die Subnetzmaske aber die kürzest mögliche Länge hat (nämlich 0), wird der Eintrag nur verwendet, wenn es keinen anderen passenden Eintrag in der Weiterleitungstabelle gibt. 6.2 IP: Adressierung und Weiterleitung... Skalierbarkeit durch Subnetze Bessere Ausnutzung des Adreßraums mehrere physische Netze innerhalb eines Klasse B (oder A/C) Netzes z.b. innerhalb eines Campus Zusammenfassung von Routing-Information von außen ist nur ein einziges Klasse B (oder A/C) Netz sichtbar d.h. nur ein einziger Routingtabellen-Eintrag für alle Subnetze Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 145

12 6.3 IP: Fragmentierung/Reassembly Problem für IP Jedes lokale Netzwerk definiert eine (unterschiedliche) 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 (6/13) 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 (6/13) 147

13 6.3 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 (6/13) 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 (6/13) 149

14 Rechnernetze I SS Universität Siegen rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/ , Büro: H-B 8404 Stand: 18. Juli 2013 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/13) i 6.4 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 (7/13) 150 R1 Ethernet (Netzadresse /16)

15 6.4 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 (7/13) 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 automatische Löschung nach bestimmter Zeit ohne Nutzung Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/13) 152

16 6.5 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 (7/13) 153 Anmerkungen zu Folie 153: 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).

17 6.6 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 (7/13) 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 (7/13) 155

18 6.7 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 (7/13) Zusammenfassung (Animierte Folie) Beispiel: Ablauf einer Web-Server-Anfrage 1.4. Weiterleitung des Pakets zum Ziel R Ethernet In jedem Router: IP Weiterleitung, ARP R R Internet R DNS Ethernet :03:cd:0a:04:34 R :01:7a:0c:05:11 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/13) 157

19 Anmerkungen zu Folie 157: In Abschnitt der Materialien CCNA Exploration 4.0 Network Fundamentals finden Sie eine sehr schöne Animation, die schrittweise eine HTTP-Anfrage über zwei Router verfolgt. 6.8 Zusammenfassung... Internetwork: Netz von Netzen IP-Protokoll: Best-Effort, run over verything Hierarchische Adressen: Routing nur zwischen Netzen Bessere Skalierbarkeit durch Subnetze Hilfsprotokolle: ARP, DHCP, ICMP Virtuelle private Netze durch IP-Tunnel Nächste Lektion: Routing Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (7/13) 158