Technik der IP-Netze

CARL HANSER VERLAG
Anatol Badach, Erwin Hoffmann
Technik der IP-Netze
TCP/IP inkl. IPv6
3-446-21501-8
www.hanser.de
Inhaltsverzeichnis
1
Entwicklung des Internet und der Netzprotokolle........................................ 1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
2
Komponenten der TCP/IP-Protokollfamilie................................................ 43
2.1
2.2
2.3
3
Geschichte des Internet........................................................................... 1
World Wide Web (WWW)..................................................................... 6
Die Zukunft des Internet....................................................................... 10
Request for Comments ......................................................................... 15
Umfang der TCP/IP-Standards............................................................. 18
OSI-Referenzmodell............................................................................. 20
1.6.1 Arbeitsweise des OSI-Referenzmodells.................................. 21
1.6.2 Schichtenspezifische Funktion................................................ 29
1.6.3 Detailbeschreibung der sieben OSI-Schichten ........................ 31
Funktionen der Kommunikationsprotokolle......................................... 33
1.7.1 Fehlerkontrolle........................................................................ 33
1.7.2 Flußkontrolle........................................................................... 38
1.7.3 Überlastkontrolle..................................................................... 40
TCP/IP-Protokolle im Schichtenmodell ............................................... 43
Kommunikationsprinzipien der TCP/IP-Protokollfamilie .................... 48
Wichtige Anwendungsprotokolle ......................................................... 54
2.3.1 TELNET ................................................................................. 56
2.3.2 FTP ......................................................................................... 61
2.3.3 SMTP...................................................................................... 69
2.3.4 HTTP ...................................................................................... 76
Internet-Netzwerkprotokolle IPv4, ARP, ICMP und IGMP ..................... 87
3.1
3.2
IPv4-Aufgaben ..................................................................................... 88
Aufbau von IPv4-Paketen..................................................................... 88
VI
Inhaltsverzeichnis
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
4
Transport-Protokolle TCP und UDP ......................................................... 145
4.1
4.2
4.3
5
3.2.1 Differentiated Services............................................................ 91
3.2.2 Fragmentierung der IP-Pakete ................................................ 93
3.2.3 Optionen in IP-Paketen ........................................................... 96
Internet-Adressen ............................................................................... 100
3.3.1 Darstellung von IP-Adressen ................................................ 102
3.3.2 Standard-Subnetz-Maske ...................................................... 103
3.3.3 Vergabe von IP-Adressen ..................................................... 105
Bildung von Subnetzen....................................................................... 108
3.4.1 Benutzerdefinierte Subnetz-Maske ....................................... 109
3.4.2 Bestimmen von Subnetz-IDs und Host-IDs .......................... 112
3.4.3 Zielbestimmung eines IP-Pakets beim Quellrechner ............ 113
3.4.4 Adressierungsaspekte............................................................ 115
Network Address Translation (NAT) ................................................. 118
Protokolle ARP und RARP ................................................................ 120
3.6.1 Protokoll ARP....................................................................... 121
3.6.2 Proxy-ARP............................................................................ 125
3.6.3 Protokoll RARP .................................................................... 130
Protokoll ICMP .................................................................................. 131
3.7.1 ICMP-Nachrichten................................................................ 132
3.7.2 ICMP-Fehlermeldungen........................................................ 134
3.7.3 ICMP-Anfragen .................................................................... 136
3.7.4 Pfad-MTU Ermittlung........................................................... 139
IP-Multicasting................................................................................... 140
3.8.1 Multicast-IP- und -MAC-Adressen....................................... 141
3.8.2 Internet Group Management Protocol (IGMP) ..................... 143
Funktion des Protokolls TCP.............................................................. 146
4.1.1 Aufbau von TCP-Paketen ..................................................... 147
4.1.2 Konzept der TCP-Verbindungen........................................... 152
4.1.3 Auf- und Abbau von TCP-Verbindungen ............................. 153
Flußkontrolle beim Protokoll TCP ..................................................... 157
4.2.1 TCP Sliding-Window-Prinzip............................................... 159
4.2.2 Implementierungsaspekte von TCP ...................................... 165
4.2.3 Transaction TCP T/TCP ....................................................... 171
Aufbau und Arbeitsweise von UDP.................................................... 173
Dynamische Vergabe und Ermittlung von IP-Adressen........................... 175
5.1
Protokoll DHCP ................................................................................. 175
Inhaltsverzeichnis
5.2
6
Protokoll IPv6 .............................................................................................. 205
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
6.10
7
5.1.1 Aufbau von DHCP-Nachrichten ........................................... 179
5.1.2 DHCP im Einsatz.................................................................. 180
5.1.3 Implementierung von mehreren DHCP-Servern................... 184
Domain Name System........................................................................ 186
5.2.1 Ermittlung von Ziel-IP-Adressen.......................................... 187
5.2.2 Aufbau des DNS-Namensraums ........................................... 189
5.2.3 DNS-Zonen und Name-Server.............................................. 191
5.2.4 Prinzip der Namensauflösung ............................................... 195
5.2.5 Struktur von DNS-Nachrichten............................................. 197
5.2.6 Auflösung von IP-Adressen auf Host-Namen....................... 198
5.2.7 Name-Server und Internet-Anbindung.................................. 199
5.2.8 DNS und SMTP E-Mail........................................................ 202
IPv6-Besonderheiten .......................................................................... 205
Erweiterungs-Header.......................................................................... 208
IPv6-Flexibilität mit Options Headern ............................................... 212
6.3.1 Aufbau der Options Header .................................................. 212
6.3.2 Belegung des Option-Feldes ................................................. 214
Übertragung großer Datenmengen mit Jumbo Payload Option ......... 216
Source Routing beim IPv6.................................................................. 217
Fragmentierung langer IPv6-Pakete ................................................... 221
Adreßstruktur von IPv6 ...................................................................... 223
6.7.1 Textuelle Darstellung von IPv6-Adressen............................. 224
6.7.2 Aufteilung des IPv6-Adreßraums.......................................... 225
Unicast-Adressen von IPv6 ................................................................ 227
6.8.1 Provider-basierte globale Unicast-Adressen ......................... 227
6.8.2 Aggregierbare globale Unicast-Adressen.............................. 231
6.8.3 Globale Unicast IPv6-Adressen und
MAC-Adressen in LANs ...................................................... 235
6.8.4 Unicast-Adressen von lokaler Bedeutung ............................. 236
6.8.5 Spezielle Unicast-Adressen von IPv6 ................................... 237
Multicast- und Anycast-Adressen....................................................... 238
Protokoll ICMPv6 .............................................................................. 239
Plug&Play-Unterstützung bei IPv6............................................................ 243
7.1
Neighbor Discovery Protocol ............................................................. 243
7.1.1 Bestimmen des Ziels eines IPv6-Pakets beim Quell-Host ... 247
7.1.2 Ermittlung von Link-Adressen.............................................. 250
VII
VIII
Inhaltsverzeichnis
7.1.3
7.2
8
Migration zum IPv6-Einsatz....................................................................... 277
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
9
Abauf des ND-Protokolls bei der Ermittlung einer LinkAdresse ................................................................................. 253
7.1.4 Bekanntmachung von Netzparameter durch Router.............. 254
7.1.5 Ablauf des ND-Protokolls bei der Bekanntmachung
von Router-Parametern ......................................................... 255
7.1.6 Entdeckung von Routern....................................................... 256
7.1.7 IPv6-Paket-Umleitung .......................................................... 258
Automatische Konfiguration in IPv6-Netzen ..................................... 260
7.2.1 Stateless Autoconfiguration .................................................. 260
7.2.2 Stateful Autoconfiguration mit DHCPv6.............................. 264
Koexistenz von IPv4 und IPv6 ........................................................... 278
8.1.1 Einsatz von IPv4 und IPv6 in einem physikalischen LANSegment ................................................................................ 279
8.1.2 Betrieb von Dual-IP-Endsystemen in IPv4-Netzen............... 280
8.1.3 Erweiterung eines IPv4-Netzes um ein IPv6-Netz................ 281
Kopplung der IPv6-Netze über ein IPv4-Netz.................................... 284
Header Translation ............................................................................. 285
Kommunikationsmöglichkeiten beim Einsatz von IPv4 und IPv6...... 286
8.4.1 Arten der Endsysteme in IPv4- und IPv6-Netzen ................. 287
8.4.2 Tunneling-Techniken............................................................ 288
Schritte bei der Migration................................................................... 292
Internet Routing-Protokolle........................................................................ 295
9.1
9.2
9.3
Routing-Grundlagen........................................................................... 296
9.1.1 Aufgaben von Router............................................................ 296
9.1.2 Adressierung beim Router-Einsatz........................................ 300
9.1.3 Routing-Tabelle .................................................................... 304
9.1.4 Routing-Verfahren ................................................................ 308
9.1.5 Inter-/Intra-Domain-Protokolle ............................................. 312
Klassenlose IP-Adressierung (VLSM, CIDR).................................... 313
9.2.1 Konzept der klassenlosen IP-Adressierung........................... 315
9.2.2 VLSM-Nutzung .................................................................... 319
9.2.3 CIDR-Einsatz........................................................................ 325
Routing Information Protocol (RIP)................................................... 331
9.3.1 Erlernen von Routing-Tabellen beim RIP............................. 332
9.3.2 Besonderheiten von RIP-1 .................................................... 340
9.3.3 Routing-Protokoll RIP-2....................................................... 345
Inhaltsverzeichnis
9.4
9.5
9.6
10
9.3.4 RIP für das Protokoll IPv6 (RIPng) ...................................... 349
Open Shortest Path First (OSPF)........................................................ 352
9.4.1 Funktionsweise von OSPF .................................................... 353
9.4.2 Nachbarschaften zwischen Routern ...................................... 356
9.4.3 OSPF-Einsatz in großen Netzwerken.................................... 362
9.4.4 OSPF-Pakete......................................................................... 373
9.4.5 Besonderheiten von OSPFv2 ................................................ 383
9.4.6 Open Shortest Path First für IPv6 ......................................... 384
Border Gateway Protocol (BGP-4)..................................................... 386
9.5.1 Grundlagen von BGP-4......................................................... 386
9.5.2 Funktionsweise von BGP-4................................................... 388
9.5.3 BGP-4-Nachrichten............................................................... 389
Mulitcast Routing-Protokolle ............................................................. 395
9.6.1 Mbone................................................................................... 397
9.6.2 DVMRP ................................................................................ 398
9.6.3 Multicast OSPF..................................................................... 408
9.6.4 Protocol Independent Multicast (PIM).................................. 409
9.6.5 Core Based Trees .................................................................. 414
IP über X ...................................................................................................... 419
10.1
10.2
10.3
10.4
10.5
IP über LANs ..................................................................................... 420
10.1.1 Encapsulation der IP-Pakete ................................................. 422
10.1.2 Multiplexing auf der LLC-Teilschicht .................................. 424
IP über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen............................................... 426
10.2.1 Protokoll SLIP ...................................................................... 427
10.2.2 Protokoll PPP........................................................................ 428
IP über X.25 und Frame-Relay........................................................... 441
10.3.1 Paketvermittlung nach X.25.................................................. 442
10.3.2 IP-Encapsulation bei X.25 .................................................... 444
10.3.3 Frame-Relay ......................................................................... 447
10.3.4 Multiprotokollfähigkeit von Frame-Relay ............................ 450
IP über ATM-Netze............................................................................ 455
10.4.1 Grundlagen der ATM-Netze ................................................. 455
10.4.2 Classical IP over ATM.......................................................... 462
10.4.3 LAN-Emulation in ATM-Netzen.......................................... 470
10.4.4 Next Hop Resolution Protocol .............................................. 480
10.4.5 Multi-Protocol Over ATM (MPOA)..................................... 487
Multiprotocol Label Switching........................................................... 497
IX
X
Inhaltsverzeichnis
10.5.1
10.5.2
10.5.3
10.5.4
10.5.5
10.5.6
10.5.7
10.5.8
10.5.9
10.5.10
11
Virtual Private Networks (VPNs) und Remote Access Services (RAS)... 529
11.1
11.2
11.3
11.4
11.5
12
Notwendigkeit und Idee von MPLS...................................... 498
MPLS als Integration von Routing und Switching................ 501
Logisches Modell von MPLS................................................ 502
Prinzip von Label-Switching................................................. 503
Logische Struktur der MPLS-Switching-Netze..................... 505
Bildung der Klassen von IP-Paketen und MPLS-Einsatz...... 506
MPLS und die Hierarchie von Netzen .................................. 509
Virtual Private Networks mit MPLS..................................... 515
Traffic Engineering mit MPLS ............................................. 516
Label Distribution Protocol (LDP)........................................ 517
VPN-Konzepte ................................................................................... 530
11.1.1 Tunneling als VPN-Basis...................................................... 530
11.1.2 Arten von VPNs.................................................................... 531
Layer-2-Tunneling.............................................................................. 535
11.2.1 Tunneling-Protokoll L2TP.................................................... 536
11.2.2 Tunneling-Protokoll PPTP.................................................... 547
Protokoll IPsec und Layer-3-Tunneling.............................................. 557
11.3.1 Ziele von IPsec...................................................................... 558
11.3.2 Erweiterung der IP-Pakete mit IPsec-Angaben..................... 559
11.3.3 Konzept von IPsec ................................................................ 561
11.3.4 IP Authentication Header (AH) ............................................ 563
11.3.5 Encapsulating Security Payload (ESP).................................. 565
11.3.6 Datenverschlüsselung beim IPsec ......................................... 568
11.3.7 Datenquelle-Authentisierung und Datenintegrität................. 568
11.3.8 IPsec-Einsatz im Tunnel-Mode............................................. 571
11.3.9 Standort-zu-Standort-VPN mit IPsec.................................... 574
11.3.10 IPsec-Einsatz zum Aufbau von VPNs mit Remote Access.. 575
Einsatzgebiete von VPNs ................................................................... 577
Einsatz des Protokolls RADIUS......................................................... 580
11.5.1 Network Access Server und RADIUS .................................. 580
11.5.2 Konzept von RADIUS .......................................................... 582
11.5.3 RADIUS-Pakete.................................................................... 584
11.5.4 Einsatz von mehreren RADIUS-Servern .............................. 587
Multimedia über IP ..................................................................................... 589
12.1
12.2
QoS-Anforderungen multimedialer Kommunikation ......................... 590
H.323 als Basis für Multimedia über IP ............................................. 593
Inhaltsverzeichnis
12.3
12.4
12.5
12.2.1 X over IP............................................................................... 594
12.2.2 Protokollarchitektur nach H.323 ........................................... 597
Protokolle: RTP, RTCP ...................................................................... 599
12.3.1 RTP und Protokollfamilie TCP/IP ........................................ 599
12.3.2 Steuerungsangaben in RTP-Dateneinheiten.......................... 600
12.3.3 Mixer- und Translator-Funktionen........................................ 601
12.3.4 Bedeutung des Protokolls RTCP........................................... 603
Voice over IP...................................................................................... 605
12.4.1 Anwendungsarten von VoIP ................................................. 605
12.4.2 Beispiele für den VoIP-Einsatz............................................. 607
12.4.3 Protokolle für VoIP............................................................... 609
12.4.4 Voice over IP im LAN-Verbund mit ISDN .......................... 611
Protokoll RSVP .................................................................................. 614
12.5.1 Token-Bucket-Modell........................................................... 615
12.5.2 RSVP-Funktionsmodule ....................................................... 616
12.5.3 Prinzip der Reservierung von Ressourcen............................. 618
12.5.4 RSVP-Nachrichtentypen....................................................... 619
12.5.5 Aufbau einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung
mit QoS-Garantie.................................................................. 621
12.5.6 RSVP-Filterung .................................................................... 624
12.5.7 RSVP und Multicast-Kommunikation .................................. 625
Schlußbemerkung................................................................................................. 629
Anhang................................................................................................................... 631
A
B
C
D
E
F
TCP/IP-Standards (RFC 1700) ............................................. 631
IP-Protokollnummern (RFC 1700)........................................ 633
TCP/UDP-Services (RFC 1700) ........................................... 635
E-Mail-Header-Felder........................................................... 647
HTTP-Header-Felder ............................................................ 649
HTTP-Return-Codes ............................................................. 652
Abkürzungsverzeichnis ........................................................................................ 653
Ergänzende Literatur........................................................................................... 663
Index ...................................................................................................................... 667
XI