Das Internet Telekommunikationstechnik Das Internet besteht aus einer Menge von Computern, die 8. Das Internet - dieselbe Protokollfamilie TCP/IP verwenden; irgendwie (direkt oder indirekt) miteinander verbunden sind; gewisse Dienste anbieten oder benutzen, einer Menge von (menschlichen oder technischen) Nutzern, die vom Arbeitsplatz direkten Zugriff auf die angebotenen Dienste haben, einer Menge von weiteren, über Gateways erreichbaren Netzen. Protokollreferenzmodell Netzstrukturen Protokolle Das Internet der neuen Generation Fachgebiet Winter 2006/2007 Geschätzte Anzahl von Internet-Hosts in Europa bzw. Deutschland Welt 285 OSI und Internet 6 5 4 3 2 1 RIPE (Réseaux IP Européens) Deutschland Mai 2005 OSI-Referenzmodell Internet-Referenzmodell Anwendung Anwendung Darstellung Darstellung Anwendung Anwendung Komm.-steuerung Komm.-steuerung Transport Transport Vermittlung Vermittlung Sicherung Sicherung Bitübertragung Bitübertragung Transport Transport Internet Internet RechnerRechnerNetzanschluss Netzanschluss Wesentliche Abwandlungen: Winter 2006/2007 Deutschland Kommunikationstechnik (WiW-ET) 7 Jan. 1992 Thüringen Aufgaben der OSI-Schichten 5 und 6 werden im InternetReferenzmodell vollständig in die Anwendung verlagert. Die OSI-Schichten 1 und 2 werden zu einer den Anschluss des Rechensystems an das Kommunikationsnetz beschreibenden Schicht zusammengefasst. Quelle: DENIC eG (http://www.denic.de/), 09/2005 Kommunikationstechnik (WiW-ET) 286 Winter 2006/2007 Kommunikationstechnik (WiW-ET) 287 Standardisierung im Internet Der Standardisierungsweg geht über die Internet Engineering Task Force (IETF). Die Internet Engineering Steering Group (IESG) steuert die Diskussionen. Zwei mögliche Ergebnisse: RFC: Request for Comments = Standard FYI: For Your Information = informell / experimentell Bereits ab dem Draft Standard müssen mindestens zwei interoperable, unabhängig voneinander entwickelte Implementierungen vorhanden sein. Winter 2006/2007 Standardisierung: RFC - Beispiele Vorschlag, Vorschlag, Anregung Anregung Experimentell Experimentell RFC 768 User Datagram Protocol (UDP) August 1980 RFC 791 Internet Protocol (IP) September 1981 Informell Informell RFC 792 Internet Control Message Protocol (ICMP) September 1981 RFC 793 Transmission Control Protocol (TCP) September 1981 RFC 959 File Transfer Protocol (FTP) Oktober 1985 RFC 997 Internet Numbers März 1987 RFC 2205 Resource ReSerVation Protocol (RSVP) – Version 1 Functional Specification September 1997 RFC 4333 The IETF Administrative Oversight Committee (IAOC) Member Selection Guidelines and Process Dezember 2005 Proposed Proposed Standard Standard Draft DraftStandard Standard Full FullStandard Standard 288 Kommunikationstechnik (WiW-ET) Struktur des Internets Rechner A AnwendungsAnwendungsprotokoll protokoll TCP UDP UDP Weltweite Kommunikation zwischen Rechnersystemen unterschiedlicher Bauart Struktur Kopplung einzelner Rechner bzw. lokaler Netze über ein teilvermaschtes Netz von Vermittlungsknoten, den Routern L A N IP IP NetzzugangsNetzzugangsprotokoll protokoll LAN Router Router Router IP-Paket Definition einer einheitlichen Protokollfamilie: TCP/IP Kommunikationstechnik (WiW-ET) 290 Internet Rechner B AnwendungsAnwendungsprotokoll protokoll TCP UDP UDP IP IP NetzzugangsNetzzugangsprotokoll protokoll Vereinfachte Darstellung: Router Winter 2006/2007 289 Kommunikationstechnik (WiW-ET) Die Internet-Protokollfamilie Ziel Winter 2006/2007 Die Internet-Schicht umfasst wesentlich mehr Protokolle als nur das Internet Protocol IP. Adressauflösung ist hier nicht berücksichtigt. Früher üblicherweise Client-/Server-basiert. Heute immer mehr Peer-to-Peer-Anwendungen. Winter 2006/2007 Kommunikationstechnik (WiW-ET) 291 Die Internet-Protokollfamilie: Protokollaufgaben Die Internet-Protokollfamilie: Einordnung TCP (Transmission Control Protocol): verbindungsorientierter, gesicherter Transportdienst UDP (User Datagram Protocol): verbindungsloser, ungesicherter Transportdienst IP (Internet Protocol): Wegewahl und ungesicherte Übertragung von Datagrammen ICMP (Internet Control Message Protocol): Austausch von Kontrollinformationen innerhalb der Vermittlungsschicht IGMP (Internet Group Management Protocol): Verwaltung von Kommunikationsgruppen ARP (Address Resolution Protocol): Zuordnung von IP-Adressen zu den entsprechenden Adressen der Sicherungsschicht RARP (Reverse Address Resolution Protocol): Umkehrfunktion von ARP Winter 2006/2007 Winter 2006/2007 Kommunikationstechnik (WiW-ET) 292 Internet versus Intranet Internet Weltumspannendes Rechnernetz auf der Basis der TCP/IP-Protokollsuite Globale Adressierung der Endsysteme Übergänge in verschiedene andere Netze Kommunikationssteuerungsschicht TCP IGMP UDP IP Transportschicht Vermittlungsschicht RARP Sicherungsschicht Obwohl ICMP und IGMP den IP-Dienst nutzen, werden sie dennoch der Vermittlungsschicht zugeordnet Die anwendungsbezogenen Schichten 5-7 sind im Internet zu einer Schicht zusammengefasst. Kommunikationstechnik (WiW-ET) 293 Adressierung im Internet Anwendungsorientierte Kommunikation Î logische Adresse Anwendung Anwendung Ende-zu-Ende-Informationsaustausch Î Socket Transport Transport Verbindungsloses Datennetz Î IP-Adresse Internet Internet Informationsaustausch zwischen Netzknoten Î MAC-Adresse Gateway Firewall Kommunikationstechnik (WiW-ET) ICMP ARP Intranet Internes (nicht öffentliches) Rechnernetz auf der Basis der TCP/IP-Protokollsuite Lokaler Teil des Internets (oftmals auch Corporate Network, d.h. ein geschlossenes und privates Unternehmensnetzwerk) In der Regel Übergang zwischen Intranet und Internet verbunden Winter 2006/2007 Die Bezeichnung TCP/IP wird häufig als Synonym für die gesamte Protokollfamilie verwendet. Einordnung der Internetprotokolle in das ISO/OSI-Referenzmodell: Netzanschluss Netzanschluss 294 Winter 2006/2007 Kommunikationstechnik (WiW-ET) 295 Internet-Protokolle im heterogenen Umfeld HTTP HTTP IMAP IMAP Netzkopplung auf unterschiedlicher Ebene RTP RTP Socket UDP UDP TCP TCP MAC/LLC Winter 2006/2007 ATM ATM PPP PPP Repeater und Hub Repeater: • Signalverstärkung zwischen Netzsegmenten • Zahl der Repeater begrenzt (Beispiel CSMA/CD) H H Bridge Switch 1 Anwendung Anwendung Darstellung Darstellung Komm.-steuerung Komm.-steuerung Transport Transport Vermittlung Vermittlung Sicherung Sicherung Bitübertragung Bitübertragung Gateway Winter 2006/2007 297 Kommunikationstechnik (WiW-ET) Bridge und Switch Bridge: • Adressauswertung • zwischen Netzsegmenten • Bildung von Teilnetzen R R Hub (engl. Nabe, Knotenpunkt): • Signalverstärkung zwischen Hosts • Physikalische Entkopplung • Höhere Zuverlässigkeit Kommunikationstechnik (WiW-ET) 4 3 2 Router S S Keine Lastentkopplung, Aufteilung der Bandbreite Winter 2006/2007 7 6 5 Schicht ≥ 3: 296 Kommunikationstechnik (WiW-ET) OSI-Referenzmodell Schicht 3: FDDI FDDI Repeater Hub Schicht 2: IP IP Ethernet Ethernet Schicht 1: 298 B B Switch: Multiport-Bridge • Segmente bestehend aus einem Host • physikalische Entkopplung • höhere Zuverlässigkeit • Jeder Host mit eigener Leitung Lastentkopplung Winter 2006/2007 Kommunikationstechnik (WiW-ET) 299 Router Das Protokoll IP (Internet Protocol) Host Host IP-Router ETH ETH PPP Host Host ETH ETH Subnetz I Switch PPP IP-Router Historie: Realisierung und Entwicklung: Subnetz II Entwickelt vom amerikanischen Verteidigungsministerium (Departement of Defense, DoD). Bereits 1969 im damaligen ARPANET eingesetzt (ursprünglich 4 Hosts!). 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. LAN PPP Host Host Backbone ETH Winter 2006/2007 Kommunikationstechnik (WiW-ET) L A N Host Host Router 300 Eigenschaften von IP Kommunikationstechnik (WiW-ET) Winter 2006/2007 301 Kommunikationstechnik (WiW-ET) IP-Adressen 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 darunter liegenden 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. Weltweit eindeutige (hierarchische) Adressierung notwendig Winter 2006/2007 Router Router ETH 302 Adressklassen (32 Bit): 1. Class A für Netze mit bis zu 16 Mio. Knoten 0 1 2 4 00 Netz-ID Netz-ID 8 16 24 31 Knoten-ID Knoten-ID 2. Class B für Netze mit bis zu 65.536 Knoten 11 00 Netz-ID Netz-ID Knoten-ID Knoten-ID 3. Class C für Netze mit bis zu 256 Knoten 11 11 00 Netz-ID Netz-ID Knoten-ID Knoten-ID 4. Class D für Gruppenkommunikation (Multicast) 11 11 11 00 Multicast-Adresse Multicast-Adresse 5. Class E, noch reserviert für zukünftige Anwendungen 11 11 11 11 00 Winter 2006/2007 Reserviert Reserviert für für zukünftige zukünftige Anwendungen Anwendungen Kommunikationstechnik (WiW-ET) 303 IP-Subnetz-Adressen IP-Subnetze: Beispiel Übergang Rechenzentrum - Institut Netzwerk-Teil Netzwerk-Teil Netzwerk-Teil Netzwerk-Teil 129.13.3.* 129.13.35.* 129.13.41.* 129.13.42.* IP-Adresse (hier Klasse B): Lokaler Lokaler Teil Teil Subnetz-Teil Subnetz-Teil Endsystem 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. Beispiel: IP-Adresse: 129. 13. 3. 64 Subnetzmaske: 255. 255. 255. 0 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000 Netzwerk: 129. 13. 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. 255.255.0.0). Winter 2006/2007 Kommunikationstechnik (WiW-ET) 304 Wegewahl bei IP 129.13 Kommunikationstechnik (WiW-ET) Router 129.13.41 129.13.41.* Ethernet Router-RZ 129.13.42 129.13.*.* 129.13.42.* Ethernet Internet Winter 2006/2007 305 Kommunikationstechnik (WiW-ET) Beispiel der Adressierung Jedes System besitzt Routingtabelle Anhand Zieladresse wird eine Zeile bestimmt, die die Weiterleitung festlegt: Durchsuche Host-Adressen Durchsuche Netzwerkadressen Suche nach Default-Eintrag Zwei Möglichkeiten: Rechner direkt erreichbar (direct route) Rechner indirekt erreichbar (indirect route) Erforderlicher MAC-Rahmen wird adressiert an: Zielsystem Router Winter 2006/2007 Ethernet 129.13.35 FDDI Uni-Netz Router 129.13.3 129.13.3.* 306 Kommuniziert werden soll mit den folgenden Rechnern 129.13.35.73 (sioux.telematik.informatik.uni-karlsruhe.de) 132.151.1.19 (www.ietf.org) Die Routingtabelle sieht wie folgt aus: Destination Gateway Default i70lr0 UGS Flags 1 Refs 13320 Use tu0 Interface 127.0.0.1 (localhost) localhost UH 7 242774 lo0 129.13.3 i70r35 UGS 0 6 tu0 129.13.35 mohave U 11 3065084 tu0 129.13.41 i70r35 UGS 2 4433 tu0 129.13.42 i70r35 UGS 0 4 tu0 Winter 2006/2007 Kommunikationstechnik (WiW-ET) 307 Die Vermittlungsschicht im Internet Router – Kontroll- und Datenpfad Transportschicht (TCP, UDP, ...) RoutingRoutingAlgorithmus Algorithmus Routing-PDUs Vermittlungsschicht IP IP -- Adressierung Adressierung -- Paketformat Paketformat -- Paketbearbeitung Paketbearbeitung Routingprotokolle Routingprotokolle -- Wegewahl Wegewahl -- RIP, RIP, OSPF, OSPF, BGP, BGP, ... ... RoutingRoutingtabelle tabelle IGMP IGMP // DHCP DHCP // NAT NAT // CIDR CIDR // RSVP RSVP // ... ... Netzanschluss Kommunikationstechnik (WiW-ET) 308 Transmission Control Protocol TCP Multiplexen Datenübertragung Verbindungsaufbau zwischen zwei „Sockets” (entspricht CEP im TSAP). Datentransfer über virtuelle Verbindung. Gesicherter Verbindungsabbau (alle Daten müssen quittiert sein). 309 Kommunikationstechnik (WiW-ET) Identifikation von TCP-Diensten geschieht über Ports Portnummern bis 255 sind für häufig benutzte Dienste reserviert „Well-known Ports“, z.B. 21 für FTP, 23 für TELNET, 80 für HTTP Ein Socket besteht aus der Internetadresse eines Rechners und einem Port. Notation: (IP-Adresse:Portnummer) → Internet-weit eindeutig Beispiel – Der FTP-Server der TU Ilmenau ist über den Socket 141.24.191.41:21 erreichbar: Mehrere Prozesse können gleichzeitig eine TCP-Instanz benutzen 141.24.191.41 FTPServer Port Port 21 21 Vollduplex Reihenfolgetreue Flusskontrolle mit Fenstermechanismus Fehlerkontrolle durch Folgenummern (Sequenznummern), Prüfsumme, Quittung, Übertragungswiederholung Unterstützung von Sicherheitsstufen und Prioritäten Zeitbehaftete Daten: Falls Auslieferung in bestimmter Zeit nicht möglich ist, wird der Dienstbenutzer informiert TCP TCP IP IP NetzNetzzugang zugang Fehleranzeige Winter 2006/2007 Datenpfad TCP: Adressierung Verbindungsverwaltung Daten-PDUs Datenpfad auf Netzwerkschicht Kontrollpfad darüber (Routing-PDUs sind in N-PDUs oder sogar in T-PDUs gekapselt) Gewinnung von Routing-Information durch Routing-Protokoll Routing-Algorithmus verwaltet die Routing-Tabelle (Einfügen/Löschen/Ändern von Einträgen) auf der Basis der gewonnenen Routing-Information Routing-Tabelle enthält Routing-Information Wegewahl bei der Vermittlung wird anhand der Routing-Information in der RoutingTabelle durchgeführt Winter 2006/2007 Vermittlung Daten-PDUs Winter 2006/2007 Kontrollpfad RoutingTabelle ICMP ICMP -- Fehlermeldungen Fehlermeldungen -- Überwachung Überwachung ARP/RARP ARP/RARP -- Adressumsetzung Adressumsetzung IP IP ⇔ ⇔ MAC MAC Routing-PDUs 129.13.42.112 129.13.42.115 FTPBenutzer A Port Port 400 400 FTPBenutzer B Port Port 400 400 TCP TCP TCP TCP IP IP NetzNetzzugang zugang IP IP NetzNetzzugang zugang Internet Kommunikationstechnik (WiW-ET) 310 Winter 2006/2007 Kommunikationstechnik (WiW-ET) 311 Verbindungsaufbau TCP: Verbindungsmanagement Closed Listen; SYN; SYN+ACK Close; FIN SYN sent Estblshd SYN+ACK; ACK Close; FIN Closing Close wait FIN+ACK; ACK; ACK ACK; - FIN wait2 FIN; ACK Close; FIN Timed wait Last ACK (Timeout; -) Empfängerpuffer 0 4K Leer 2K =2048 2K SEQ =2048 Voll Sender ist blockiert FIN; ACK FIN; ACK WIN ACK=2048 Anwendung schreibt 3KB SYN; SYN+ACK (gleichzeitig) Empfänger 2K SEQ =0 Send Close Passive FIN wait1 Close Activ Close; - RST; - ACK; - Sender Anwendung schreibt 2KB Close; - Listen SYN rcvd TCP: Fenstermanagement Connect; SYN 0 96 WIN= ACK=40 2048 96 WIN= ACK=40 Sender kann bis zu 2KB übertragen Anwendung liest 2KB 2K 1K SE Q=409 6 ACK; - 1K 2K Closed Winter 2006/2007 312 Kommunikationstechnik (WiW-ET) TCP: Staukontrolle 44 Timeout 36 Schwelle 32 Unzuverlässig, verbindungslos, einfacher und schneller als TCP Demultiplexing der empfangenen Pakete basiert auf der Port-Nummer Optionale Prüfsumme 0 16 28 24 Schwelle 20 313 Kommunikationstechnik (WiW-ET) User Datagram Protocol UDP 40 Übertragungsfenster (KB) Winter 2006/2007 31 Source Source Port Port Destination Destination Port Port Message Message Length Length Checksum Checksum Paketkopf Daten Daten ... ... 16 12 festgelegte, sogenannte „well-known” Ports: 8 4 Anzahl der Übertragungen 0 0 Winter 2006/2007 2 4 6 8 10 12 14 16 Kommunikationstechnik (WiW-ET) 18 20 22 24 314 13: 53: 123: daytime domain name server network time protocol sehr viele Multimedia-Anwendungen nehmen UDP statt TCP wegen Leistungsvorteilen Winter 2006/2007 Kommunikationstechnik (WiW-ET) 315 Anwendungsnahe Adressierung im Internet f http 198.116.142.34 Weltweit eindeutig Hierarchische Struktur Gliederung in Domänen ikmcip1.e-technik.tu-ilmenau.de Land f smtp 199.172.136.14 Abbildung logischer Name → IP-Adresse Ursprünglich: Datei (hosts.txt), die jede Nacht vom Server geladen wurde Problem: steigende Anzahl der Namen ließ zentrale Datei nicht mehr zu Winter 2006/2007 Kommunikationstechnik (WiW-ET) 316 Winter 2006/2007 IP-Adressraum kaum mehr ausreichend Class-B-Adressen sind nahezu erschöpft Übergangslösungen nicht zukunftssicher Keine hierarchische Adressierung Routing-Tabellen wachsen sehr schnell, daher ineffizientes Routing Sicherheitsprobleme Verstärkte Dienstgüteanforderungen durch Multimediaanwendungen Kommunikationstechnik (WiW-ET) 317 318 Erweiterte Adressierungsmöglichkeiten Neues IP-Paketkopfformat Winter 2006/2007 Kommunikationstechnik (WiW-ET) Eigenschaften von IPv6 im Überblick Adressierungsprobleme e gemini.ieee.org, IP-Adresse 199.172.136.14, SMTP Router Router Motivation für eine „neue” Internet-Protokollsuite DNSDNSName Name Server Server Endsystem Endsystem Benötigt: d MX-Daten für ieee.org ? c mail [email protected] Abteilung Institution e 198.116.142.34 Router Router Rechner DNSDNSName Name Server Server Beispiel d IP-Adresse für www.nasa.gov ? Endsystem Endsystem Einfacher zu merken Dienste einfacher auf andere Rechner übertragbar Aufbau eines logischen Namens c http://www.nasa.gov/ Adressierung erfolgt über logische Namen DNS – Beispiele Einfachere Struktur Verbesserte Behandlung von Optionen Segmentierung nur Ende-zu-Ende Autokonfiguration von IP-Systemen Dienstgüteunterstützung Multicast-Integration Sicherheitsvorkehrungen Winter 2006/2007 Kommunikationstechnik (WiW-ET) 319 IPv6-Adresse 128 bit lange Adressen Theoretisch 3, 4 × Adressen Optimistische Abschätzung: 700 × 1021 pro m2 Pessimistische Abschätzung (RFC1715): 1.700 pro m2 1038 Neue Notation IPv6 in der Praxis 8 durch Doppelpunkte getrennte 4-stellige Hexadezimalzahlen 5800:0000:0000:0000:0000:0000:0056:0078 Reihen von Nullen können weggelassen werden 5800::56:78 IPv6-Adressen können Strukturinformation zur hierarchischen Lokalisierung beinhalten Winter 2006/2007 320 Kommunikationstechnik (WiW-ET) In der Regel wird IPv4 verwendet (Investitionsschutz) Ergänzungen zur IPv4-Welt ermöglichen weiterhin den Einsatz der alten Technik Anwendungen benötigen (noch) nicht die speziellen Eigenschaften von IPv6 IPv6 kommt immer noch nur in speziellen Forschungsnetzen zum Einsatz Das 6Bone Betriebssysteme sind in der Regel IPv6-tauglich Sehr viele Produkte unterstützen im Grunde genommen den neuen IP-Standard Aber 6bone als IPv6-Backbone Internet2 als Entwicklungsplattform Winter 2006/2007 Kommunikationstechnik (WiW-ET) 321 Literatur Weltweites IPv6-Testnetzwerk, mittlerweile abgeschaltet Migrationsforschung Verbindung der IPv6-Hauptknoten über konfigurierte IPv4-Tunnel COMER, D.E.: Computernetzwerke und Internets mit InternetAnwendungen. 3. überarbeitete Auflage, München: Pearson Studium / Prentice Hall, 2002. ISBN 3-8273-7023-X. COMER, D.E.: TCP/IP – Konzepte, Protokolle und Architekturen. 4. Auflage, Bonn: mitp-Verlag, 2003. ISBN 3-8266-0995-6. KRÜGER, G. u. D. RESCHKE, Hrsg.: Lehr- und Übungsbuch Telematik – Netze, Dienste, Protokolle. 3. aktualisierte Auflage, München; Wien: Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 2004. ISBN 3-44622862-4. PERLMAN, R.: Bridges, Routers, Switches und Internetworking Protocols. 2. Auflage, München: Addison Wesley, 2003. ISBN 3-8273-2093-3. STEVENS, W.R.: TCP/IP Illustrated, Bd. 1 – The Protocols. Boston; San Francisco; New York: Addison-Wesley, 1994. ISBN 0-201-62246-9. http://www.6bone.org/ Winter 2006/2007 Kommunikationstechnik (WiW-ET) 322 Winter 2006/2007 Kommunikationstechnik (WiW-ET) 323