Vorlesung Rechnernetze

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1 VSR EDU Verteilte und Selbstorganisierende Rechnersysteme Prof. Gaedke Vorlesung Rechnernetze Verteilte und Selbstorganisierende Rechnersysteme Prof. Gaedke KAPITEL 5: VERMITTLUNGS- SCHICHT IM INTERNET Prof. Dr. Ing. Martin Gaedke Technische Universität Chemnitz Fakultät für Informatik Verteilte und Selbstorganisierende Rechnersysteme Sept. 1st, 2007 Tools for Schools chemnitz.de/ 2 Das Protokoll IP (Internet Protocol) Eigenschaften von IP Historie: Entwickelt vom amerikanischen Verteidigungsministerium (Departement of Defense, DoD) Projekt der ARPA. Bereits 1969 im damaligen ARPANET eingesetzt (ursprünglich 4 Hosts!). Realisierung und Entwicklung: Aufgrund der großen Ausdehnung des Internets gehört IP heute zu den am meisten genutzten Schicht-3-Protokollen. Weiterentwicklung im Projekt IPng (IP next generation) der IETF (Internet Engineering Task Force) zu IPv6. L A N LAN 3 Paketvermittelt Verbindungslos (Datagrammdienst). Ungesicherte Übertragung: Datagramm kann verloren gehen Datagramm kann dupliziert werden Datagramme können einander überholen Datagramme können endlos kreisen Nicht behebbare Fehler der darunterliegenden Schicht 2 können von IP im Allgemeinen ebenfalls nicht behandelt werden Mit dem Protokoll ICMP (Internet Control Message Protocol) existiert jedoch eine Möglichkeit zur Fehleranzeige Keine Flusskontrolle Der Einsatzbereich erstreckt sich von privaten bis hin zu öffentlichen Netzen. 4

2 IP Adressen / Adressklassen Zuteilung von IP-Adressen 1. Class A für 2 7 Netze (0-127) mit bis zu 16 Mio. Knoten Netz-ID Knoten-ID 2. Class B für 2 14 Netze ( ) mit bis zu Knoten 1 0 Netz-ID Knoten-ID 3. Class C für 2 11 Netze ( ) mit bis zu 256 Knoten Netz-ID Knoten-ID 4. Class D für Gruppenkommunikation (Multicast) ( ) Multicast-Adresse 5. Class E, noch reserviert für zukünftige Anwendungen (240-) reserviert für zukünftige Anwendungen 5 Es lassen sich die beiden folgenden Varianten unterscheiden Manuelle Konfiguration Dynamische Konfiguration durch das Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP), RFC 2131 DHCP Server und Client: Server liefert bei Anfrage eine IP-Adresse zurück an den Client Und wie erhält ein ISP seinen Block von Adressen? Verwaltung der IP-Adressen unterliegt der Internet Assigned Numbers Authority (IANA) unterhalb der Internet Corporation for Assigned Names and Numbers (ICANN) Delegation an regionale Registrierungen ( Regional Internet Registries ) ARIN (American Registry for Internet Numbers ): Nord- und Südamerika RIPE (Réseaux IP Européens) NCC: Europa APNIC (Asia-Pacific Network Information Center): Asien 6 IP Subnetz Adressen IP Subnetze Beispiel IP-Adresse (hier Klasse B): Netzwerk-Teil Lokaler Teil Übergang Netz Netzwerk-Teil Subnetz-Teil Endsystem Subnetzmasken kennzeichnen den Bereich der IP-Adresse, der das Netzwerk und das Subnetzwerk beschreibt. Dieser Bereich wird dabei durch Einsen ( 1 ) in der binären Form der Subnetzmaske festgestellt. Netzintern hängt jedes Subnetz an einem physikalischen Ausgangsport für externe nicht interessant/sichtbar Beispiel: IP-Adresse: Subnetzmaske: Netzwerk (B=16): Subnetz: 3. Endsystem: 64 Der Netzwerk-Teil kann aus der Adressklasse abgeleitet werden. Überdeckt die Subnetzmaske nur den Netzwerk-Teil, dann gibt es keinen Subnetz-Teil (z.b ) Uni-Netz -RZ Internet FDDI Ethernet Ethernet Ethernet 7 8

3 Classless Inter Domain Routing (CIDR) Schlechte Ausnutzung des Adressraums innerhalb der Adressklassen: Kleinbetrieb, der 100 IP-Adressen braucht, beantragt Class C Netz 254 Adressen könnten vergeben werden 154 ungenutzte Adressen CIDR: Ersetzen der festen Klassen durch Netzwerk-Präfixe variabler Länge von 13 bis 27 Bit CIDR-Blöcke können 32 bis zu über Hosts adressieren D.h. aus Class A CIDR/8, Class B CIDR/16, Class C CIDR/24 Bsp. Neuer Formen /25: Die ersten 25 Bit der IP-Adresse werden für die Netzwerk-Identifikation verwendet ( 128 Hosts) /27 ( 32 Hosts) Einsatz in Verbindung mit hierarchischem Routing: Backbone-, z.b. an Transatlantik-Link, betrachtet z.b. nur die ersten 13 Bit; dadurch kleine Routing-Tabellen, wenig Rechenaufwand eines Providers betrachtet z.b. nur die ersten 15 Bit in Firmennetz betrachtet z.b. nur die ersten 25 Bit KAPITEL 5.4: INTERNET PROTOKOLL FAMILIE Internet Protocol (IP) Address Resolution Protocol (ARP) Reverse ARP (RARP) Internet Control Message Protocol (ICMP) IPv6 Verteilte und Selbstorganisierende Rechnersysteme Prof. Gaedke 9 10 Vermittlung im Internet Ein Blick in die Vermittlungsschicht des Internet Problem Wie werden Daten im Internet weitergeleitet? Verfahren Routingtabelle liefert Information über den nächsten Hop der Daten. Das Protokoll IP (Internet Protocol) führt das Weiterleiten der Daten aus. Datagramm-Protokoll Verbindungslos Wie sieht es also mit der Zuverlässigkeit aus? Segmentiert und reassembliert Wo kann segmentiert / wo reassembliert werden? Benutzt Internet-Adressierung Unterschied zur MAC-Adressierung? Benutzt weitere Protokolle wie ICMP (Internet Control Message Protocol) ARP (Address Resolution Protocol) 11 Routingprotokolle RIP, OSPF, BGP Adressauflösung ARP, RARP Transportschicht: UDP, TCP Routingtabelle Protokoll IP Adressierung Datagrammformat Packet handling Protokoll ICMP Fehlermeldungen Signalisierung zwischen n Rechner-Netzanschluss (vgl. Sicherungsschicht & Physikalische Schicht) 12

4 Der Aufbau eines IP Datagramms (I) Der Aufbau eines IP Datagramms (II) Version IP Header Type of Service Length Identifikation 32 Bit D F M F Gesamtlänge Fragment-Offset Time-to-Live Protokoll-Field Prüfsumme über Paketkopf Quelladresse Zieladresse Optionen (0 oder mehr Wörter, z.b. für Route, Timestamp, Padding) Daten Version (4 Bit): IP-Versionsnummer (derzeit hauptsächl. V4). IP Header Length (4 Bit): IP-Kopfgröße (inkl. Optionsfeld) in 32 Bit-Worten. Type of Service (8 Bit): Ursprünglich Prioritäten, mittlerweile Differentiated Services. Datagrammlänge (16 Bit): Gesamte Länge (Header + Daten, max. 216 = Bytes). Kennung (16 Bit): Identifikationsnr. des Datagramms. Bei Fragmentierung kann Empfänger die Fragmente anhand Kennung+Absender-IP-Adresse einem Datagramm zuordnen. Flags (3 Bit): MoreFragment-Flag: Ist Fragment das letzte eines Datagrammes (0/1)? Don't Fragment-Flag: Fragmentierung zulässig? Fragment Offset (13 Bit): Stelle im ursprünglichen Datagramm (bzgl. Datenfeld), an der Fragment beginnt (Einheit:8 Byte). Time to Live (8 Bit): Anzahl der maximal zulässigen Hops ( Hop=durchlauf). Kommt das Paket in einem an, so wird dieser Wert um 1 erniedrigt. Wert=0 verwerfen und ICMP-Meldung an Absender. Protokoll (8 Bit): Kennung des verwendendens Protokolls, z.b. TCP, UDP, ICMP, IGMP etc. Header Prüfsumme (16 Bit): Prüfsumme nur über den Header (keine Nutzdatensicherung) Prüfsummenberechnung mit Einerkomplementen (kein CRC, kein Paritätssicherung). Optionen: Optionale Felder z.b. für Source Routing Wegewahl bei IP Address Resolution Protocol (ARP) Jedes System besitzt eine Routingtabelle, vgl. auch Kommando netstat r (Unix/Win) Anhand Zieladresse wird eine Zeile bestimmt, die die Weiterleitung festlegt: 1. Durchsuche Host-Adressen 2. Durchsuche Netzwerkadressen 3. Suche nach Default-Eintrag Zwei Möglichkeiten: 1. Rechner direkt erreichbar (direct route) 2. Rechner indirekt erreichbar (indirect route) ( ( Destination Gateway Flags Refs Use Interface default i70lr0.telematik UGS tu localhost UH lo0 (localhost) i70r35.telematik UGS 0 5 tu mohave U tu i70r35.telematik UGS tu i70r35.telematik UGS 0 4 tu0 Erforderlicher MAC-Rahmen wird adressiert an: Zielsystem 15 Aufgabe: Umsetzen der IP-Adresse Schicht-2-Adresse (MAC-Adresse) Beispiel Rechner Sioux : IP-Adresse: Ethernet-Adresse: b-a2-80-dd Vorgehensweise: ARP erhält eine IP-Adresse zur Adressauflösung. ARP sendet einen Rundruf im lokalen Netz unter Angabe der IP- Adresse. Alle Stationen am Netz empfangen das Paket, doch nur diejenige, die ihre eigene IP-Adresse erkennt, antwortet. Die Antwort wird bei der anfragenden Station gespeichert, um ein erneutes Anfragen zu vermeiden. Dieser Eintrag muss nach einem Zeitintervall wieder gelöscht werden. 16

5 ARP Paketformat Übertragung der ARP-Meldungen: im Datenteil eines Paketes der Sicherungsschicht Format: MAC/LLC- Paketkopf Bit 16 Bit 1 Typ der physikal. Adresse Protokoll Schicht 3 Länge der phys. Adresse Länge Schicht- 3-Adresse Typ der Meldung Adressfelder ARP-Meldung z.b. Ethernet z.b. IP z.b. 6 Byte bzw. 4 Byte z.b. 1 für Anfrage z.b. Ethernet-Adr. Sender; IP-Adr. Sender Ethernet-Adr. Empf.; IP-Adr. Empfänger ARP Beispiel ARP IP ARP ARP (2) Ich bin Rechner und meine MAC-Adresse ist b-a2-80-dd Gesucht: Hardware- Adresse zu (1) Rechner sucht Rechner Länge und Aufbau der Adressfelder sind vom Typ der Adressen abhängig Reverse Address Resolution Protocol (RARP) DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol Aufgabe: Umsetzen MAC-Adresse IP-Adresse. Wichtig für plattenlose Workstations, die von einem Dateiserver booten. Dazu müssen sie ihre IP-Adresse wissen, welche die Station allerdings beim Einschalten noch nicht kennt. Vorgehensweise: Station schickt einen Rundruf ins lokale Netz unter Angabe der eigenen MAC-Adresse, die durch die Hardware vorgegeben ist. RARP-Server sieht die Anfrage und bestimmt anhand einer Konfigurationsdatei die zugehörige IP-Adresse. RARP-Server schickt die IP-Adresse in einer RARP-Antwort an die anfragende Station zurück. Anwendung: Vereinfachung von Installation/Verwaltung von vernetzten Rechnern liefert notwendige Informationen über IP-Adresse, DNS-Server-Adresse, Domain-Namen, Subnetz-Masken, etc. automatische Integration eines Rechners in das Internet bzw. Intranet Client/Server-Modell: ein Client sendet via MAC-Broadcast eine Anfrage an einen DHCP-Server (unter Umständen über ein DHCP-Relay) der Server liefert die angeforderte Konfiguration für IPv4 / IPv6 verwendbar DHCPDISCOVER DHCPDISCOVER Server Client Client Relay 19 20

6 Network Adress Translation (NAT) Nur Rechner, die gerade mit der Außenwelt kommunizieren, benötigen eine global eindeutige Adresse Diese global eindeutige Adresse kann temporär vergeben werden Gateway/ nimmt transparente Umsetzung zwischen Adressen/Adressbereichen vor Speicherung in Abbildungstabelle keine Änderungen an Endgeräten erforderlich Identitäten der Hosts werden verborgen LAN Gateway Internet-Verkehr Abbildungstabelle Adressenübersetzung Internet Steuerung von IP: ICMP IP ist nur für den (unzuverlässigen) Datenaustausch zuständig. Für Fehlerfälle oder Testzwecke wird ICMP (Internet Control Message Protocol) verwendet. Sender Leitung unterbrochen ICMP-Nachrichten Nachrichtentypen, Beispiele: Destination Unreachable: Ziel nicht erreichbar. Echo Request / Reply: Echo Reply wird angefordert ("ping"). Demo: ping-kommando in Unix/Windows Empfänger Lokale, nur im LAN eindeutige IP-Adressen Global eindeutige IP-Adressen ICMP Paketformat ICMP Nachrichtentypen Übertragung der ICMP-Meldungen: im Datenteil von IP-Paketen Wert 1 im Protocol-Feld des IP-Kopfes Format der ICMP-Meldungen: Type: Typ der Meldung z.b. Type = 3, Zieladresse nicht erreichbar Code: Genaue Beschreibung der Meldung z.b. Netzwerk nicht erreichbar IP-Paketkopf [Protocol = 1] Type Code Checksum Checksum: Prüfsumme über die gesamte ICMP-Meldung Info: abhängig vom Typ der ICMP-Meldung (z.b. Zeitstempel) ICMP-Meldung Info 23 Fehlernachrichten: Destination unreachable: Ein Paket konnte wegen eines Ausfalls (Leitung,, oder Endsystem) nicht zugestellt werden. Time exceeded: Ein Datenpaket wurde wegen Ablauf des TTL-Wertes vernichtet. Parameter Problem: Ein Datenpaket wurde wegen eines unzulässigen Wertes im IP-Paketkopf verworfen. Source Quench: Ein überlastetes Kommunikationssystem fordert den Sender auf, die Übertragungsrate zu senken. Redirect: Ein Datenpaket sollte besser an einen anderen gesendet werden. Diagnosennachrichten: Echo und Echoantwort (Echo/Echo Reply): Sender sendet eine Echoanfrage an den Partner. Empfänger muss nun eine Antwort auf diese Echoanfrage zurücksenden. Zeitstempel und Zeitstempelantwort (Timestamp/Timestamp Reply): Absender sendet seine Systemzeit t0 zum Zielhost. Dieser sendet diese Zeit, die Empfangszeit der ICMP-Anfrage t1 und die Absendezeit der Antwort t2 zurück. 24

7 Zusammenspiel: IP Instanz und angrenzende Instanzen IPv6 Motivation Schicht-4-Instanz (TCP- bzw. UDP) übergibt die Daten zusammen mit der IP-Adresse des Empfängers zur Übertragung an die IP-Instanz IP-Instanz beauftragt ARP-Instanz mit Ermittlung der zugehör. MAC- Adresse IP-Instanz übergibt PDUs zusammen mit der ermittelten Schicht-2-Adresse an die Instanz der Sicherungsschicht IP-Instanz reicht empfangene Daten an TCP- bzw. UDP-Instanzen weiter Probleme während der Übermittlung können den Partnerinstanzen über ICMP mitgeteilt werden Informationen über Gruppenzugehörigkeiten werden mittels IGMP (Internet Group Message Protocol) im Netz verbreitet (R)ARP TCP IP UDP IGMP ICMP Das Internet funktioniert seit Jahrzehnten! Warum ein neues IP-Protokoll??? Anwachsen des Internets: Der überwältigende Erfolg des Internets führte zu stark anwachsenden Benutzerzahlen und einer deutlichen Erhöhung der Netzbelastung Neue Anwendungen: Neuartige Anwendungen erfordern neuartige Dienste und zusätzliche Funktionalität (z.b. garantierte Netzdienste, Synchronisation von Audio- und Videodaten) Hohe Datenraten: Hochleistungsfähige Zwischensysteme benötigen geeignete Paketformate zur effizienten Bearbeitung Schicht Überblick: Neuerungen in IPv6 (1) Überblick: Neuerungen in IPv6 (2) Flexibles Paketformat Vereinfachung des (Standard-) Paketkopfes: 8 statt 13 Felder (IPv4) Paketkopf fester Länge Verschieben zahlreicher Optionen in optionale Paketkopferweiterungen Erweiterte Adressierung Erhöhung der Adresslänge von 32 Bit auf 128 Bit Definition mehrerer Hierarchieebenen (effizienteres Routing) Einführung von Anycast-Adressen (Kommunikation zu einem Mitglied einer Gruppe) Unterstützung von Ressourcenreservierung FlowLabel (Flussmarke) und Traffic Class pro IPv6-Paket Ermöglichen die Nutzung von Protokollen zur Ressourcenreservierung Neighbor Discovery Adressauflösung Erkennen des nächsten s Automatische Systemkonfiguration Plug'n Play : Inbetriebnahme eines Internet-Rechners ohne manuelle Konfiguration. Realisiert durch DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) Unterstützung mobiler Systeme Adresszuweisung durch automatische Systemkonfiguration Die Option Binding Update im Destination-Options-Header ermöglicht die direkte Umleitung der IP-Pakete an den aktuellen Standort Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten Unterstützung von Authentifizierung und Datenintegrität 27 28

8 IPv6 Paketformat IPv6: Adressierung Standard- Kopf Paketkopferweiterung 1 optional... Paketkopferweiterung N Version Traffic Class FlowLabel (Flussmarke) Nutzlastlänge Nächster Kopf Hop Limit Quelladresse (128 Bit) Zieladresse (128 Bit) Vereinfachung des Paketformats gegenüber IPv4 Eliminierung verschiedener Felder (z.b. Kopflänge, Kopf-Prüfsumme) Verschieben der Optionen in Paketkopferweiterungen Daten 29 IPv6-Adressen umfassen 128 Bit Format x:x:x:x:x:x:x:x, wobei jede Stelle 16 Bit hexadezimal kodiert Beispiele: 3FFE:400:20:0:A00:2BFF:FEA3:ADCB FF01:0:0:0:0:0:0:101 oder FF01::101 FEDC:BA98:7600::/40 40 Bit langes Präfix für das Routing Unterscheidung von Adressklassen: Unicast-, Anycast-, Multicast-Adressen Unterscheidung von Adresstypen: Link-Local Address, Site-Local Address, Aggregatable Global Unicast Address, IPv4-, NSAP-, oder IPX-kompatibel Typ einer Adresse wird durch Format-Präfix (führende Bits) festgelegt: 0 01 IP-Adressinformation Format-Präfix (001 = Aggregatable Global Unicast Address) 30