02 Internet als Medium
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02 Internet als Medium Technische Grundlagen Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK Gliederung Einleitung Historie Grundstrukturen Netzwerk Protokolle / Dienste Schichtenmodell Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 2 1 Einleitung „In der Zukunft könnte es Computer geben, die weniger als 1,5 Tonnen wiegen.“ Aus der Zeitschrift „Popular Mechanics“ 1949 Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 3 Literatur-Hinweise W. R. Stevens: TCP/IP Illustrated, Volume 1: The Protocols, Addison-Wesley Klassiker, leider etwas veraltet (87€) D. E. Comer: „Internetworking with TCP/IP Vol. I: Principles, Protocols and Architecture“, 4th edition, Prentice Hall Vierte Auflage relativ aktuell (78€) D. E. Comer: „Computernetzwerke und Internets mit InternetAnwendungen“, 3. Auflage, Prentice Hall (50€) D.E. Comer: „TCP/IP“ (58€) Lienemann: TCP/IP-Grundlagen, 2. Auflage, Heise Verlag (40€) (nicht zu empfehlen) J.F. Kurose, K.W. Ross, „Computer Networking“ (engl.) sehr gut verständlich und ausführlich Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 4 2 Weitere Informationsquellen Diverse RFC (Request for Comment) Sehr gute Quelle: http://www.rfc-editor.org http://www.techfest.com Originalquellen und kostenlos, teilweise nicht einfach zu lesen und nicht didaktisch aufgebaut. Gute Einstiegsseite für viele technische Themen zum Computer Diverse Bücher der Cisco Press, leider alle extrem teuer. Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 5 Historie (1) 1969: Projektgruppe des US-Verteidigungsministeriums entwickelt das ARPANET -> 4 verbundene UNI-Rechner 1972: das ARPANET wird erstmals veröffentlicht -> inzwischen 40 Rechner -> erste Email-programme, FTP werden entwickelt 1973: eigentliche Gründungsdatum des Internet 1976 Geburtsstunde von TCP/IP (International Federation of Information Processing) 1982: Gründung des Eunet (Europäisches UNIX Netzwerk) -> erste Verbindungen zwischen Holland, Skandinavien und Großbritannien Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 6 3 Historie (2) 1983: ARPANET auf TCP/IP - Basis, Aufteilung in forschungsorientierten (NSFNet) und militärischen Teil (MILNET) -> 4000 angeschlossene Rechner 1987: Unterstützung vonTCP/IP durch IBM 1988 Simple Gateway Monitoring Protocol (SGMP) wird überarbeitet. Resultat Simple Network Management Protokoll (SNMP) 1990: das ARPANET wird offiziell aufgelöst und geht im Internet auf -> Entwicklung von HTTP, HTML und der ersten Browser am CERN in Genf Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 7 Historie (3) 1992: Veröffentlichung des WWW als Internetanwendung -> mittlerweile 100.000 Knotenrechner 1994: die Massenmedien machen das Internet publik -> Gründung von Netzbetreibern, Anbieter von InternetDiensten Ende 1999: das Internet besteht aus 72 Millionen Hosts und 250 Millionen Online-Nutzern weltweit Chaotisches Netzwerk -> Wandlung des Internet vom reinen Wissenschaftsnetz zum Super-Information-Highway und kommerziellen Netz Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 8 4 Vielfalt der Protokolle Link-Layer-Protokolle IEEE 802 (Ethernet), SLIP, PPP Cyclic Redundancy Code (CRC) Address Resolution Protocol (ARP, RARP) IP-Protokoll IP-Header Subnetze, Statisches Routing Internet Control Message Protocol (ICMP) Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 9 Vielfalt der Protokolle User Datagram Protocol (UDP) Path MTU Discovery Transmission Control Protocol (TCP) Überblick, TCP-Header Verbindungsauf- und –abbau Interaktive und Massen-Daten Sliding Windows Nagle-Algorithmus Slow Start Timeout-Berechnung Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 10 5 Vielfalt der Protokolle Dynamische Routing-Protokolle Distanzvektor-Protokolle Verbindungsstatus-Protokolle Beispiele RIPv1, RIPv2 OSPF Domain Name System (DNS) Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 11 Vielfalt der Protokolle Electronic Mail Simple Mail Transfer Protocol (SMTP) Multipurpose Internet Mail Extensions (MIME) Post Office Protocol (POP3) (Internet Message Access Protocol (IMAP4)) World Wide Web Uniform Ressource Identifier (URI) Hypertext Transfer Protocol (HTTP) Header, Caching, Authentifizierung, Cookies Crawling Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 12 6 Internet und die Wolke Internet host 13 Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK Vermittlung im Internet host router Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 14 7 Inter-Netzwerk host LAN router 15 Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK Internet Autonome Systeme (AS) host router Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 16 8 TCP/IP und ISO/OSI TCP/IP Protokoll Stapel Application ISO/OSI-Referenzmodell Application Presentation Session Transport Transport Network Network Data Link Data Link Physical Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 17 Link Layer (auch: data-link layer oder network interface layer) Enthält die Treiber des Betriebssystems und die zugehörige Interfacekarte Behandelt alle hardwareabhängigen Probleme der Übertragung Wichtige Protokolle des Link Layers: Ethernet, Tokenring, FDDI, ATM, SLIP, PPP Schnittstelle zum Network Layer ARP: Address Resolution Protocol RARP: Reverse Address Resolution Protocol Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 18 9 Network Layer (auch: internet layer) Behandelt die Bewegung von Paketen durch das Netzwerk Wegwahl (Routing) Wichtige Protokolle des Network-Layers: IP: Internet Protocol ICMP: Internet Control Message Protocol IGMP: Internet Group Management Protocol Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 19 Transport Layer Organisiert den Datenfluss für die Anwendungsschicht Wichtige Protokolle des Transport Layers: UDP: User Datagram Protocol Versendet sog. datagrams ohne Garantie der Übertragung (unreliable) TCP: Transmission Control Protocol Verlässlicher Transport (reliable) Segmentierung in Pakete Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 20 10 Application Layer Behandelt die Anforderungen der jeweiligen Anwendung, z.B. Telnet FTP: File Transfer Protocol SMTP: Simple Mail Transfer Protocol SNMP: Simple Network Management Protocol HTTP: Hypertext Transfer Protocol ... 21 Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK Application App. App. App. App. Transport TCP UDP ICMP IGMP Network IP ARP Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK Hardware Interface RARP Link 22 11 Protokolle und Dienste Application FTP Client Dienst FTP Protokoll FTP Server Transport TCP TCP Protokoll TCP Network IP IP Protokoll IP Treiber Ethernet Protokoll Treiber Link Ethernet 23 Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK Verbindung mit Router Application FTP Client FTP Protokoll FTP Server Transport TCP TCP Protokoll TCP Router Network Link IP IP Protokoll Treiber Ethernet Protokoll Ethernet Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK IP Treiber Treiber IP Protokoll IP Ethernet Protokoll Treiber Token Ring 24 12 Ethernet Adressen Identifiziert eine Ethernet-Karte eindeutig Adressierung innerhalb eines LANs 48 bit (6 Byte) Schreib-Konvention: hexadezimal 00:01:02:eb:0e:57 Selten auch: 00-01-02-eb-0e-57 Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 25 Internet Adressen Jedes Interface muss mind. eine eindeutige Internet Adresse besitzen. Kurz: IP Adresse 32-bit Adressen (IPv4) Schreib-Konvention: dotted-decimal 147.172.59.100 Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 26 13 Internet Adressen Class A 0 7 bits 24 bits Net ID Host ID 14 bits Class B 1 0 16 bits Net ID Host ID 21 bits Class C 1 1 0 8 bits Net ID Host ID 28 bits Class D 1 1 1 0 Multicast group ID Class E 1 1 1 1 Reserviert für zukünftige Nutzung 28 bits 27 Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK IP Klassen und ihre Bereiche Class A B C D E Bereich Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 0.0.0.0 128.0.0.0 192.0.0.0 224.0.0.0 240.0.0.0 127.255.255.255 191.255.255.255 223.255.255.255 239.255.255.255 255.255.255.255 28 14 Domain Name System Für Menschen leicht les- und merkbare eindeutige Adressen Mehrere Domain Namen können einer IP zugeordnet werden Zeichenkette der www.fh-bochum.de 29 Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK Kapselung user data Application TCP TCP header Appl. header user data Appl. header user data TCP segment IP IP header TCP header Appl. header user data IP datagramm Treiber Ethernet header IP header TCP header Appl. header user data Ethernet trailer Ethernet frame Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 30 15 Paketeingang App. App. App. UDP TCP ICMP App. IGMP Protocol value im IP header IP ARP Port number im TCP oder UDP header RARP Hardware Interface frame type im Ethernet header Eingehendes frame Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 31 Bekannte TCP-Port-Adressen FTP Telnet SMTP HTTP POP NNTP 21 23 25 80 110 119 Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 32 16 Ports Port-Nummer werden von IANA verwaltet. (Internet Assigned Numbers Authority) Einteilung der Ports in drei Klassen Well Known Ports von 0 bis 1023 Registered Ports von 1024 Kontakt-Ports von Dienstanbietern Zugriff i.d.R. durch Systemprozesse bis 49151 Zugriff durch Nutzerprozesse meist möglich Dynamic / Private von 49152 bis 65535 Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 33 Standardisierung Internet Society (ISOC) Internet Architecure Board (IAB) Internet Engineering Task Force (IETF) Internet Research Task Force (IRTF) www.ietf.org Aktuelle Entwicklung des Internets (Standards) www.irtf.org Langfristige Weiterwicklung und Forschung Internet Assigned Numbers Authority (IANA) Neu: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers (ICANN) Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 34 17 RFCs Veröffentlichungen zum Internet als „Request for Comment“, kurz RFC Assigned Numbers RFC (RFC 1700) Internet Official Protocol Standards (RFC 2700) Host Requirements RFC (RFC 1122 u. 1123) Router Requirement RFC (RFC 1812, Update RFC 2644) http://www.rfc-editor.org Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 35 Internet Standards und die RFCs Internet Standards werden von der „Internet Engineering Task Force“ entwickelt und durch das „Internet Architecture Board“ verabschiedet -> IETF: eine offene, internationale Gemeinschaft , die sich mit der Weiterentwicklung der Internet-Architektur auseinandersetzt Request for Comments: eine Schriftenreihe, die Informationen über alle Standards und Protokolle enthält Weiterführende Infos ¾ www.faqs.org ¾ www.rfc-editor.org Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 36 18 Request for Comments Request for Comments Offene Diskussion von Verfahren und Lösungen. Nicht staatlich reglementiert. 7. April 1969 RFC 001 veröffentlicht. Fortlaufende Nummerierung Stufen eines RFC Experimental Proposal (Vorschlag) Draft (Entwurf) Standard (Internet Architecture Board hat verabschiedet, neue Nr) Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 37 Request for Comments Ergänzungsstufen Recommended / Not recommended Limited use Required Elective (wahlweise) Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 38 19 Uniform Resource Locators (URLs) Zur Identifizierung von Dokumenten im WWW wurde das Konzept der URLs entwickelt. Mit deren Hilfe kann jedes im WWW verfügbare Dokument (Text, Grafik, Film etc.) eindeutig identifiziert werden. Aufbau: ProtokollIdentifizierer://Hostname/Pfad/Dateiname ?Argumente Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 39 Uniform Resource Locators (URLs) Protokoll: legt fest, mittels welchen Protokolls auf das entsprechende Dokument zugegriffen wird. Möglichkeiten: http, ftp, telnet, mailto Hostname: entweder IP-Adresse oder symbolischer Name des Servers, auf dem das Dokument abgelegt ist Pfad: Verzeichnisbaum, über den das Dokument erreicht werden kann, relativ zu einem Datenwurzelverzeichnis des Servers Dateiname: das Dokument selbst evtl. weitere Argumente; insbesondere zur Ausführung von Skripten Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 40 20 Internetadresse Adresszusammensetzung Protokoll: ¾ //Servername ¾ .Domainname ¾ .Topleveldomain ¾ :Port ¾ /Verzeichnis/Dateiname Subdomains Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 41 Domains Umsetzung des Namens in gültige Internetadresse DNS (Domain Name Systems) s.a. Hosts-Datei DNS-Server als verteilte DB Organisation solcher Domains? Beispiel USA mittels Subdomains District.Bundesland.Topleveldomain Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 42 21 Domains Kriterien der Namensvergabe (Wer? NICs) Zeit Markenrecht auf Name Problematische Gerichtsurteile Bundesdatenautobahn www.bda.de 43 Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK Vergabe von IP Verantwortlich für der Vergabe von IP Adressen ist die ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers ICANN übernahm 1998 diese Aufgabe von Internet Assigned Numbers Authority Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 44 22 Supporting Organisation Drei „Supporting Organisations“ (SOs) unterstützen die ICANN: Address Supporting Organisation (ASO) Domain Name Supporting Organisation (DNSO) Protocol Supporting Organisation (PSO) Zuständig für IP Vergabe: ASO 45 Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK Regional Internet Registries (RIRs) ICANN (ASO) (früher IANA) vergibt Adressräume an Regionale Internet Registraturen (RIR): American Registry for Internet Numbers Réseaux IP Européens Network Coordination Centre Asia-Pacific Network Information Center Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 46 23 Zuständigkeiten der RIRs Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 47 Neue RIRs Aktuelle befinden sich zwei weitere RIR im Aufbau AfriNIC (für Afrika) LACNIC (für Latein-Amerika und Karibik) Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 48 24 Local IR & ISP Unterhalb der RIRs existieren lokale Registraturen auf Länderebene Internet Service Provider (ISP) DENIC verwaltet übrigens nur die Toplevel-Domain DE Die Zuordnung von IPs überlässt DENIC bereits seit 1996 den ISPs Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 49 Beispiele Internetadressen Klasse A Klasse B AT&T: 12 Mass. Institute of Technologie (MIT): 18 TU Berlin: 130.149 Universität Hildesheim: 147.172 Klasse C Volkswagen AG: 193.23.96 bis 193.23.111 Verlag Heinz Heise GmbH: 193.99.144 Bayer AG: 213.26.125 und 213.26.126 Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 50 25 Grundstrukturen Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 51 Netzstrukturen (1) Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 52 26 Netzstrukturen (2) Bustopologie Ringtopologie Sterntopologie Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 53 Netzwerke (3): Indirekte Verbindungen Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 54 27 Verbindungsarten: direkt durchgehende Verbindung zwischen Teilnehmern geschaltet zur ausschließlichen Verwendung durch zwei angeschlossene Partner Empfänger muß Nachrichten unmittelbar abnehmen Netz kann nichts speichern, verzögern oder umkodieren garantierte Bandbreite und konstante Signallaufzeit (Beispiel: Telefonnetz, ISDN) Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 55 Verbindungsarten: indirekt Nachrichten werden in Pakete fester Länge zerlegt Pakete werden zu einem Knotenrechner transportiert, dort zwischengespeichert und über andere Knotenrechner zum Empfänger transportiert physikalische Leitungsverbindung besteht nur zwischen Knoten verschiedene Bitraten unterwegs möglich Garantie von Durchlaufzeit und Bandbreite möglich, aber nicht immer realisiert Beispiele: X.25, Frame Relay, ATM, switched LAN Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 56 28 Kopplung von Netzen Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 57 Beispiel Netzkopplung Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 58 29 TCP/IP-Architektur Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 59 OSI-Modell - Kommunikation Schichten Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 60 30 OSI-Modell (2) Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 61 OSI-Modell - Physical Layer Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 62 31 OSI-Modell - Data Link Layer Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 63 OSI-Modell - Network/Transport Layer Prof. Dr.- Ing. Carsten Köhn LABOR FÜR MEDIEN, INTERNET UND ROBOTIK 64 32