Vorlesung Telematik I Erster Teil
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K744.07 — „Einführung in die Telematik“
Kapitel 7: Netzkopplung, Routing und Internet
MAC-Adressierung
Repeater und Brücken
Router
Routingverfahren
Einführung „Internet“
Die Internet-Protokollfamilie
Das Internet-Protokoll IP
Das Transportprotokoll TCP und seine Dienste
Das neue Internet-Protokoll IPv6
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.0 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Repetition:
ISO/OSISchicht 2 802.1
- Übersicht
- Architektur
ISO/OSI- - Managemt.
Schicht 1
LAN/MAN: Standardisierung nach IEEE 802
802.10
802.2 Logical Link Control
802.1 MAC Bridging
802.4 802.5
802.3
CSMA/
CD
Token
Bus
Token
Ring
SILS
802.6
802.9
802.11
MAN
DQDB
ISLAN
WLAN
802.12 802.14
Demand
Priority CATV
802.15
WPAN
Themen: (siehe insbesondere http://www.ieee.org)
802.1:
Zusammenhang der Standards und MAC Bridging
802.1p — „Quality of Service“, Priorisierungen
802.1q — „V-LANs“, Partitionierung von Broadcast-Domains
802.2: Logical-Link-Control-Dienste/Protokolle (LLC)
802.3: CSMA/CD-Protokoll auf Bustopologie
802.4: Token-Bus-Protokoll auf Bustopologie
802.5: Token-Ring-Protokoll auf Ringtopologie
802.10: Interoperable LAN/MAN Security: Sicherheitsstruktur für 802-Protokolle
802.11: Wireless LAN
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in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.1 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Repetition:
LAN: Standardisierung nach ISO/OSI
Erweiterung des OSI-Schichtenmodells:
Unterteilung der Schicht 2 in zwei Unterschichten.
Network Layer
(Vermittlungsschicht)
Logical Link Control (LLC)
(Logischer Übermittlungsabschnitt)
Medium Access Control (MAC)
(Medienzugriffsunterschicht)
Physical Layer
(Bitübertragungsschicht)
Schicht 3
Schicht 2
Schicht 1
Physikalisches Medium
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.2 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Repetition:
PR
PR
56
56bit
bit
LAN: CSMA/CD - Rahmenformat
SD
DA
SA
Länge
Data
PAD
FCS
SD
DA
SA
Länge
Data
PAD
FCS
(8(8bit)
bit) (16/48
(16/48bit)
bit) (16/48
(16/48bit)
bit) (16
(16bit)
bit) (<12.001
(<12.001bit)
bit) (optional)
(optional) (32
(32bit)
bit)
PR =
SD =
DA =
SA =
Länge
Data =
PAD =
FCS =
Präambel zur Synchronisation (1010101010...)
Start-of-frame Delimiter zeigt Blockbeginn an (10101011)
Destination Address, Zieladresse
Source Address, Herkunftsadresse
gibt die Anzahl der Oktette im Datenfeld wieder
Datenfeld, das maximal 1.500 Oktette umfassen darf
Padding, um zu kurze Datenfelder auf die nötige Länge zu ergänzen
Frame Check Sequence,
Polynomdivision mittels CRC32-Polynom zur Fehlererkennung
Wichtig: Einzelne Realisierungen von CSMA/CD (z.B. Ethernet 1.0, Ethernet 2.0 oder
IEEE 802.3) verwenden manche Felder in leicht unterschiedlicher Bedeutung!
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.3 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Adressierung auf dem MAC-Layer:
MAC-Adressen
Jede Netzwerk-Interface-Card (NIC) der Standards
802.3 (Ethernet)
802.4 (Token-Bus) und
802.5 (Token-Ring)
verfügt über eine weltweit eindeutige MAC-Adresse
von 6 Oktett Länge
die drei most-significant Oktette kennzeichnen den Hersteller
die drei least-significant Oktette kennzeichnen den NIC
Hersteller
Oktett 1
: Hersteller : Hersteller :
Beispiele:
Oktett 2
Oktett 3
00:10:5a:4a:e3:e7
08:00:20:75:06:d9
00:60:3e:7f:be:00
00:00:1d:b5:56:76
NIC
Oktett 1
3Com-NIC
Sun-NIC
3Com-Switch
Cabletron-Switch
:
NIC
Oktett 2
:
NIC
Oktett 3
ftu-neck3.ftu.fzk.de
ftu-neck1.ftu.fzk.de
se-ftu1.ftu.fzk.de
se-ftu.ftu.fzk.de
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.4 (01/03/08)
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Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
LAN: CSMA/CD - Ausdehnungsproblematik
Basisband-Ethernet beschränkt
auf max. 1500-2500 Meter (inkl. Repeater)
Größere Distanzen erreichbar mittels:
Remote Repeater (Fiber Optic Inter-Repeater Link FOIRL)
Geteilter Repeater mit bis 1 km Glasfaserübertragungsstrecke
Repeater:
digitale Regeneration über abstrakte Datenrepräsentation
Daten
Übertragung
Signal
Daten
Signal
Übertragung
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.5 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Repeater
Kopplung von Netzwerken auf Schicht 1
Einsatzbereich:
Verbindung von lokalen Netzen zur Erhöhung der räumlichen
Ausdehnung
Regeneration und Verstärkung der Signale
Generierung mehrerer abgehender Signale an Verzweigungspunkten
Wechsel des Übertragungsmediums
(z.B. Kupfer auf Glasfaser, Leitung auf Funkstrecke)
☺ Vorteile:
☺ Einfache Technik
☺ Kostengünstige Lösung
☺ Keine Verarbeitung an den Daten, somit keine Beeinträchtigung der
Geschwindigkeit
☺ Extrem lange Netzwerkverbindungen sind möglich (z.B. Überseeleitungen)
Nachteile:
Keine Intelligenz; alle Daten werden weitergeleitet
Keine Erhöhung der Netzkapazität durch Partitionierung
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.6 (01/03/08)
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Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Brücken
Kopplung von lokalen Netzwerken (LANs) auf Schicht 2
homogen:
inhomogen:
Aufgaben:
Netzwerke vom gleichen Typ (z.B. 802.x mit 802.x)
Netzwerke unterschiedlichen Typs
(z.B. 802.x mit 802.y (x¹y))
Trennen des Intranetz-Verkehrs in einem LAN von dem Internetz-Verkehr zu
anderen LANs (Filterfunktion)
Erhöhung der Netzkapazität großer Netzwerke durch Partitionierung
Durchführung von Wegewahlfunktionen zu anderen Netzwerken,
gegebenenfalls auch über zwischengeschaltete Transitnetze (Einfache
Vermittlung hier in Abweichung vom ISO/OSI-Modell auch auf Schicht 2)
ES
ES: Endsystem
LAN 1
ES
Brücke
LAN 2
Internetz-Verkehr
ter
ES
ES
Intranetz-Verkehr
tra
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.7 (01/03/08)
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Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Brücken: ein Beispiel
WWW-Server
HTTP
TCP
IP
LLC
MAC
PHY
Proprietäre Systeme:
- Deep Space Network
(Erde-Mars)
- 9600bps Funkmodem
(Pathfinder-Sojourner)
Notebook
WWW-Browser
HTTP
TCP
IP
LLC
MAC (WLAN)
PHY (Code...)
Gateway
Funk
Router
Coax
Router
Router
Glasfaser
Router
Firewall
Glasfaser
Router
IP
Bridge
LLC
MAC (WLAN)
PHY (Code...)
Funk
MAC (Ethernet)
PHY
LLC
MAC (Ethernet)
PHY
LLC
MAC (FDDI)
PHY
UTP5 - Twisted Pair
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.8 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Typen von Brücken
Zwei Basisvarianten von Brücken:
Source Route Brücken (IEEE 802.5):
Weiterleitungsinformation für die Brücke wird
vom Endsystem in den Datenpaketen spezifiziert
Wenig Aufgaben innerhalb der Brücke,
daher einfache Realisierbarkeit
In der Praxis wenig eingesetzt
Transparente Brücken (IEEE 802.1D):
Weit verbreiteter Brückentyp
Weiterleitungsentscheidung
wird von der Brücke eigenständig getroffen
Brücke verwaltet in der Regel eine Tabelle (die Filterdatenbasis),
in der sie Information über die Lokation von Endsystemen
sammelt (d.h. sie lernt Adressen)
Das Vorhandensein einer Brücke zum Zielsystem bleibt dem
sendenden Endsystem verborgen
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.9 (01/03/08)
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Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Architektur einer transparenten Brücke
Höhere Schichten
(Brückenprotokoll, Brückenmanagement)
LLC
MACInstanz
1
Schicht 1
MAC-Relay
Netz 1
Wesentliche Merkmale:
Netz 2
LLC
MACInstanz
2
Schicht 1
Schicht 2
Datenpfad
Kontrollpfad
Für jedes Netzwerk eine eigene Schicht-1- und MAC-Instanz
Die MAC-Instanzen werden über ein MAC-Relay verbunden;
dieses nimmt die Weiterleitungs- und Filterfunktion wahr
LLC-Instanzen nur für die höheren Schichten der Brücke
(Brückenprotokoll, Brückenmanagement)
Auch als MAC-Layer-Bridge bezeichnet
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.10 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Remote-Brücken
Kopplung von entfernten LANs über ein oder mehrere WANs
LAN 1
RemoteBrücke 1
WAN
RemoteBrücke 2
LAN 2
Merkmale: - Einkapselung von MAC-Dateneinheiten (keine Umsetzung)
- Remote-Brücken müssen folglich paarweise auftreten
- Nur zur Kommunikation zwischen LAN 1 und LAN 2
(Transparente Verbindung)
- Keine Kommunikation von LAN 1 (oder 2) mit dem WAN
- Netzanschlüsse, die nicht mit einem LAN verbunden sind,
werden als virtuelle Anschlüsse bezeichnet
Beispiele:
- Verbindung zweier Ethernets über ISDN
- Verbindung zweier FDDI-Netze über ATM
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.11 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Architektur einer Remote-Brücke
Höhere Schichten
(Brückenprotokoll, Brückenmanagement
Remote-Brückenprotokoll RBP)
LLC
MACInstanz
Schicht 1
MACMAC-Relay
MACUnterstützung
Unterstützg.
RBP
Schicht 1
LAN
WAN
LAN-Anschluß
WAN-Anschluß
Merkmale: - MAC-Unterstützung am virtuellen Anschluß für das MAC-Relay
(zum WAN)
- Remote-Brückenprotokoll (RBP) zwischen virtuellen Anschlüssen
regelt die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation der entfernten
Brücken (über das WAN)
- Brückenprotokoll setzt im WAN auf dem RBP auf
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.12 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Bridging und Routing im Leitbeispiel
WWW-Server
HTTP
TCP
IP
LLC
MAC
PHY
Proprietäre Systeme:
- Deep Space Network
(Erde-Mars)
- 9600bps Funkmodem
(Pathfinder-Sojourner)
Notebook
WWW-Browser
HTTP
TCP
IP
LLC
MAC (WLAN)
PHY (Code...)
Gateway
Funk
Router
Coax
Router
Glasfaser
Router
Router
Firewall
Glasfaser
Router
Bridge
IP
LLC
MAC (WLAN)
PHY (Code...)
Funk
MAC (Ethernet)
PHY
LLC
MAC (Ethernet)
PHY
LLC
MAC (FDDI)
PHY
UTP5 - Twisted Pair
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in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.13 (01/03/08)
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Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Router - Merkmale und Aufgaben
Kopplung von Netzwerken auf Schicht 3 (Netzwerkschicht)
Merkmale und Aufgaben:
Ermöglichen der Kommunikation entfernter Endsysteme
über ein oder mehrere WANs
Wegwahl anhand
weltweit eindeutiger, bevorzugt hierarchischer
Netzwerkadressen (z.B. IP-Adressen, ISO-Adressen)
Segmentieren und Reassemblieren
von Schicht-3-Datenpaketen zur Anpassung an
unterschiedliche maximale Paketgrößen auf Schicht 2
Sicherheitsmechanismen zur Regelung von Netzzugriffen
abhängig von der Netzwerkadresse (Stichwort „Firewall“)
ES
ES
ES
LAN 1
LAN 2
LAN 3
Router 1
WAN 1
Router 2
WAN 2
ES: Endsystem
Router 3
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in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.14 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Routing im Beispiel
WWW-Server
HTTP
TCP
IP
LLC
MAC
PHY
Proprietäre Systeme:
- Deep Space Network
(Erde-Mars)
- 9600bps Funkmodem
(Pathfinder-Sojourner)
Notebook
WWW-Browser
HTTP
TCP
IP
LLC
MAC (WLAN)
PHY (Code...)
Gateway
Funk
Router
Coax
Router
Router
Glasfaser
Router
Firewall
Glasfaser/
FDDI
Bridge
LLC
MAC (WLAN)
MAC (Ethernet)
PHY (Code...)
PHY
Funk
Router
IP
LLC
MAC (Ethernet)
PHY
LLC
MAC (FDDI)
PHY
UTP5 - Twisted Pair
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in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.15 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Wegewahl im Internet von einem ITM-Notebook zur NASA
Aktueller Weg kann z.B. im Internet mit Hilfe von traceroute angezeigt werden
traceroute to www.NASA.GOV (128.183.243.3)
HOP NAME
(IP-address)
TIME
probe 1 probe 2 probe 3
0 mobile1.telematik.informatik.uni-karlsruhe.de (129.13.35.123)
1 i70route1 (129.13.35.244)
9 ms
9 ms
10 ms
2 iracs1.ira.uka.de (129.13.1.1)
2 ms
3 ms
2 ms
3 Karlsruhe1.BelWue.DE (129.143.59.1)
2 ms
3 ms
2 ms
4 Uni-Karlsruhe1.WiN-IP.DFN.DE (188.1.5.29)
3 ms
3 ms
3 ms
5 ZR-Karlsruhe1.WiN-IP.DFN.DE (188.1.5.25)
5 ms
3 ms
2 ms
6 ZR-Frankfurt1.WiN-IP.DFN.DE (188.1.144.37)
8 ms
7 ms
7 ms
7 IR-Frankfurt1.WiN-IP.DFN.DE (188.1.144.97)
8 ms
11 ms
9 ms
8 IR-Perryman1.WiN-IP.DFN.DE (188.1.144.86)
124 ms 126 ms 102 ms
9 bordercore3-hssi0-0.Washington.mci.net (166.48.41.249) 121 ms 123 ms 124 ms
10 core4.Washington.mci.net (204.70.4.105)
123 ms 135 ms 121 ms
11 mae-east4-nap.Washington.mci.net (204.70.1.18)
123 ms 122 ms 121 ms
12 mae-east.nsn.nasa.gov (192.41.177.125)
125 ms 126 ms 126 ms
13 rtr-wan1-ef.gsfc.nasa.gov (192.43.240.33)
127 ms 123 ms 121 ms
14 rtr-600-b26-cf.gsfc.nasa.gov (128.183.251.26)
147 ms 140 ms 130 ms
15 bolero.gsfc.nasa.gov (128.183.243.3)
127 ms 133 ms 129 ms
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.16 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Wegewahl im Internet, grafisch aufbereitet:
www.nasa.gov
Ausführlichere Analyse
mit der Shareware
„VisualRoute 4.2a“
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.17 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Wegewahl im Internet, grafisch aufbereitet:
www.asus.com.tw
Ausführlichere Analyse
mit der Shareware
„VisualRoute 4.2a“
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.18 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Wegewahl im Internet, grafisch aufbereitet:
www.nokia.com
Ausführlichere Analyse
mit der Shareware
„VisualRoute 4.2a“
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.19 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Architektur eines Routers
Höhere Schichten
Kontrollinstanzen
Netzwerkprotokoll
Vermittlung
Vermittlung
Netzwerkprotokoll
Schicht 2
Schicht 1
Schicht 2´
Schicht 1´
Netz 1
Netz 2
Schicht 3
Für jedes Netzwerk eine eigene Schicht-1- und Schicht-2-Instanz
Netzwerkprotokoll ist in der Regel für alle Netzwerke gleich (z. B. IP-Router),
kann aber auch unterschiedlich sein (z. B. Multiprotokollrouter)
Netzwerkprotokoll nimmt die Wegwahl vor
anhand der global eindeutigen Netzwerkadressen (↑ IP-Adressen, IP-Routing)
Vermittlungskomponente verbindet die Netzwerkprotokollinstanzen;
sie realisiert die Weiterleitungsfunktion
Kontrollinstanzen implementieren beispielsweise Routingprotokolle, Protokolle zur
Fehleranzeige und Managementprotokolle
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.20 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Routing — Unterscheidungen und beteiligte Komponenten
Paketweiterleitung
Datagramm
Routing-Entscheidung für jedes Paket aufs neue (vgl. IP im Internet)
Session-Routing
Routing-Entscheidung nur bei der Verbindungsherstellung
Alle innerhalb einer Verbindung ausgetauschten Pakete
folgen dem bei Verbindungsherstellung festgelegtem Weg
(verbindungsorientiert, z.B. ATM-Netzwerke, X.25)
Beteiligte Komponenten beim Routing
Routing-Protokoll:
Protokoll zum Austausch von Routinginformationen
Routing-Algorithmen:
Ermittlung von Wegen im Netz, Weggenerierung
Routing-Tabellen:
Halten der Wegedaten
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.21 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Router — Kontroll- und Datenpfad
Routing-PDUs
RoutingAlgorithmus
Routing-PDUs
Kontrollpfad
Daten-PDUs
Datenpfad
Routingtabelle
Daten-PDUs
Vermittlung
Datenpfad auf Netzwerkschicht
Kontrollpfad darüber (Routing-PDUs sind in N-PDUs oder sogar in T-PDUs gekapselt)
Gewinnung von Routing-Information durch Routingprotokoll
Routingalgorithmus verwaltet die Routingtabelle (Einfügen/Löschen/Ändern von
Einträgen) auf der Basis der gewonnenen Routinginformation
Routingtabelle enthält Routinginformation
Wegewahl bei der Vermittlung wird anhand der Routinginformation in der
Routingtabelle durchgeführt
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.22 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Prinzip einer Routingtabelle
C
l2
l1
l6
G
B
l4
l5
A
l3
l7
F
D
l8
Routingtabelle in Router
B
nach über
A
- (l1)
B
C
- (l2)
C
D
A (l1)
D
E
A (l1)
E
F
- (l4)
F
G
C (l2)
G
H
F (l4)
H
H
E
A-H: Vermittlungsrechner (Router)
l1-l8: Abgehende/ankommende Links
Routingtabelle in Router
A
nach über
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.23 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Prinzip einer Routingtabelle: Ausfall eines Links
C
l2
l1
l6
G
B
l4
l5
A
l3
l7
F
D
l8
Routingtabelle in Router
B
nach über
A
- (l1)
B
C
- (l2)
C
D
A (l1)
D
E
A (l1)
E
F
A (l1)
F
G
C (l2)
G
H
A (l1)
H
H
E
A-H: Vermittlungsrechner (Router)
l1-l8: Abgehende/ankommende Links
Routingtabelle in Router
A
nach über
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.24 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Routingverfahren
Aufgaben
Fällen der Entscheidung, auf welcher Übertragungsleitung ein
eingehendes Paket (Nachricht) weitergeleitet werden soll
Ziele
Niedrige mittlere Paketverzögerung
Hoher Netzdurchsatz
Ansatzpunkt
Übertragen eines Pakets von einem Quellrechner zu einem
Zielrechner über einen Weg mit geringsten "Kosten".
?
Paketvermittlungsnetz
Vermittlungsrechner
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.25 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Routingverfahren - Routingnetzwerk und Wegewahl
Definition des Routingnetzwerkes
Welche Knoten haben Vermittlungsfunktion?
Wie sind die Vermittlungsknoten verbunden:
durch einfache oder mehrfache Verbindungen?
Weggenerierung
Welche Informationen sind zur Weggenerierung notwendig?
Welche Parameter beeinflussen die Kostenfunktion?
Feste Kosten für jede Verbindung
(i. allg. umgekehrt proportional der Übertragungskapazität)
Anzahl der auf Übertragung wartenden Pakete
Fehlerrate
Paketverzögerungszeit auf einer Verbindung
Art des Verkehrs (Dialog, Batch)
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.26 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Routingverfahren - Zentralisation und Dynamik
Zentralisation:
Wo ist der Routingalgorithmus lokalisiert?
Zentral (in einem Netzkontrollzentrum)
Dezentral (verteilt auf die Vermittlungsknoten)
Wie dynamisch ist das Routingverfahren?
Nicht adaptiv:
Die Routingtabellen in den Vermittlungsknoten bleiben über
längere Zeit konstant, verglichen mit Verkehrsänderungen.
Adaptiv:
Routing-Entscheidungen hängen vom Zustand
des Netzes ab (Topologie, Lastverhältnisse).
Zielkonflikt
Knoten haben veraltete oder unvollständige Informationen
über den Zustand des Netzes.
Belastung durch Austausch von Routinginformationen
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.27 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Routingverfahren im Überblick
verteilt
broadcast routing,
Fluten
hot potato
static routing,
directory routing
Delta-Routing
backward learning,
verteiltes adaptives
Routing (RIP,
OSPF, IS-IS)
zentralisiertes Routing,
Routing Control Center
zentral
statisch
dynamisch
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.28 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Statisches Routing
Statisches Routing (Static Routing, Directory Routing)
Nicht adaptiv, einfach, viel benutzt
Jeder Knoten unterhält eine Tabelle mit
einer Zeile für jeden möglichen Zielknoten.
Eine Zeile enthält n Einträge,
welche die beste, zweitbeste, etc. Übertragungsleitung
für dieses Ziel, zusammen mit einer relativen Gewichtung,
angeben.
Vor der Weiterleitung eines Pakets wird eine Zufallszahl gezogen
und eine der Alternativen anhand der Gewichtung ausgewählt.
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.29 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Statisches Routing - Beispiel
Beispiel
Ziehen einer Zufallszahl x: 0.99 ≥ x ≥ 0.00
Falls x < 0.6
dann Weiterleiten nach B
Falls 0.9 ≥ x ≥ 0.6
dann Weiterleiten nach C
Sonst Weiterleiten nach D
Tabelle in Knoten A:
B
Ziel
E
.
.
.
3. Wahl
1. Wahl
2. Wahl
Kn Gew Kn Gew Kn Gew
B
0,6 C 0,3 D 0,1
A
C
E
D
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.30 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Zentralisiertes Routing
Zentralisiertes Routing
Adaptives Verfahren
Im Netz gibt es ein Routing Control Center (RCC).
Jeder Knoten sendet periodisch Zustandsinformationen
an das RCC
Z.B. Liste aller aktiven Nachbarn
Aktuelle Warteschlangenlängen
Umfang an Verkehr, der seit dem letzten Bericht
abgewickelt wurde
Das RCC sammelt diese Zustandsinformationen und
berechnet aufgrund dieser Kenntnis über das gesamte Netz
die optimalen Wege zwischen allen Knoten (z.B. kürzeste Wege).
Jeder Knoten trifft seine Routing-Entscheidungen
anhand der ihm zugewiesenen Routing-Tabelle.
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in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.31 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Zentralisiertes Routing: RCC
E3
E3
E1
E1
R3
R1
RCC
RCC
R4
R6
R2
E2
E2
R5
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.32 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Zentralisiertes Routing — Vor- und Nachteile
☺ Vorteile
Das RCC hat theoretisch die vollständige Übersicht und
kann perfekte Entscheidungen treffen.
Knoten müssen keine aufwendigen Routing-Berechnungen
durchführen.
Nachteile
Für große Netze dauert die Berechnung u.U. sehr lange.
Ausfall des RCC lähmt das ganze Netz (Back-up Rechner).
Globale Inkonsistenzen möglich,
da Knoten nahe dem RCC neue Routing-Tabellen
wesentlich früher erhalten als die weiter entfernten.
Starke Belastung des RCC durch die zentrale Funktion
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in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.33 (01/03/08)
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Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Isoliertes Routing: Überblick
Isoliertes Routing (Isolated Routing)
Jeder Knoten entscheidet nur aufgrund der Information,
die er selbst sammelt.
Kein Austausch von Routing-Informationen
zwischen den Knoten.
Anpassung an Verkehrs- und Topologieänderungen
kann damit nur mit Hilfe beschränkter Informationen erfolgen.
Unterschiedliche Verfahren
Broadcast Routing
Hot Potato
Backward Learning
Delta-Routing
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.34 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Broadcast-Routing
Broadcast-Routing
Senden eines Pakets an alle Knoten,
z.B. für Umfragen nach bestimmten Betriebsmittel
Varianten
Erstellen eines gesonderten Paketes für jeden Knoten
Fluten
Arten
Multidestination Routing
Reverse-Path-Forwarding
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.35 (01/03/08)
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Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Broadcast-Routing: Fluten
Fluten (Flooding)
Einfachstes Verfahren, nicht adaptiv
Jedes eingehende Paket wird auf jeder Übertragungsleitung
weiterübertragen, außer auf derjenigen, auf der es eintraf.
Maßnahmen zur Eindämmung der Flut
Erkennung von Duplikaten durch die Nummerierung der Pakete
Kontrolle der Lebensdauer eines Pakets durch
Zählen der zurückgelegten Teilstrecken (hops).
Ein hop-Zähler im Paket wird mit der minimalen (idealer Fall) oder der
maximaler Weglänge zwischen Quelle und Ziel initialisiert. In jedem
Knoten wird der Zähler um 1 dekrementiert. Falls der Zähler den Wert 0
erreicht, kann das Paket verworfen werden.
Varianten:
Selektives Fluten
Weiterleitung nicht auf allen, sondern nur auf einigen Leitungen
Random Walk
Zufällige Auswahl einer Leitung
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.36 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Broadcast-Routing: Fluten
Sender
Sender
Empfänger
EmpfängerBB
Empfänger
EmpfängerAA
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.37 (01/03/08)
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Hot Potato
Jeder Knoten versucht, eingehende Pakete so schnell wie
möglich weiterzuleiten.
Die Übertragungsleitung mit der kürzesten Warteschlange
wird für die Weiterleitung ausgewählt.
Varianten:
Weiterleitung nie auf der Übertragungsleitung, auf der Paket
eintraf
Kombination mit statischem Routing
Auswahl der besten Übertragungsleitung nach statischem
Verfahren, solange deren Warteschlangenlänge unter einer
bestimmten Schwelle bleibt
Auswahl der Übertragungsleitung mit kürzester
Warteschlange, falls deren statisches Gewicht nicht
zu niedrig ist
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.38 (01/03/08)
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Hot Potato
Empfänger B
Sender
Leerer Puffer
Gefüllter Puffer
Empfänger A
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.39 (01/03/08)
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Backward Learning
Daten im Paket
Identifikation des Quellknotens
Ein Zähler, der mit jeder zurückgelegten Teilstrecke (hop)
um 1 erhöht wird.
Beispiel
Falls z.B. bei einem Knoten K auf der Übertragungsleitung k ein
Paket mit Zähler = 4 vom Ursprungsknoten H eintrifft, so weiß
der Knoten K, daß er den Knoten H über die Leitung k in 4 hops
erreichen kann.
Falls Knoten Ks bisheriger geschätzter optimaler Weg zu
Knoten H mehr als 4 hops beträgt, so aktualisiert Knoten K
seine Routingtabelle mit dem neuen und jetzt besseren Weg.
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.40 (01/03/08)
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Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Backward Learning
Zieladresse
A
Herkunftsadresse
Hopzähler
H
A
K
y
x
H
Routingtabelle Ziel Abgang Hops
K
.
.
H
.
.
x
.
.
4
Forschungszentrum Karlsruhe
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.41 (01/03/08)
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Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Backward Learning - Nachteile und Probleme
Nachteile
Nur Änderungen zum Besseren
werden zur Kenntnis genommen
Ausfälle oder Überlastung von Übertragungsleitungen
werden nicht weitergemeldet.
Folge
Knoten müssen periodisch alle Informationen vergessen
und wieder initial aufsetzen.
Problem
Während der Lernperiode ist das Routing nicht optimal.
Bei häufigem Neubeginn nehmen viele Pakete Wege
unbekannter Qualität.
Bei seltenem Neubeginn ergibt sich ein schlechtes
Anpassungsverfahren.
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.42 (01/03/08)
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Delta-Routing
Synonyme Begriffe
Hybrides Routing
Delta-Routing
Kombination zwischen zentralisiertem und isoliertem Routing
Jeder Knoten mißt die Kosten jeder Übertragungsleitung
(z.B. eine Funktion der Verzögerung, Warteschlangenlänge,
Auslastung, Kapazität, ...)
Diese Kosten werden periodisch an das
Routing Control Center (RCC) gesendet.
Das RCC berechnet die k besten Wege von Knoten i
nach Knoten j (für alle Knoten i, j), wobei nur Wege
berücksichtigt werden, die sich in ihrer initialen Leitung
unterscheiden.
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.43 (01/03/08)
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Delta-Routing
RCC
j
i
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.44 (01/03/08)
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Delta-Routing — Parameter
Seien Cijx die totalen Kosten des x-besten Weges vom Knoten i
zum Knoten j (x = 1 ... k),
dann ist Weg n äquivalent zu Weg 1 wenn Cijn - Cij1 < δ
Das RCC sendet an jeden Knoten die Liste aller äquivalenten
Wege für alle Bestimmungsorte.
Zum aktuellen Routing kann ein Knoten einen der äquivalenten
Wege auswählen, entweder zufällig oder aufgrund aktuell
gemessener Kosten.
Der Dezentralisierungsgrad wird durch δ und k bestimmt.
δ → 0:
RCC entscheidet allein (zentrales Routing)
δ → ∞:
alle Wege sind äquivalent (isoliertes Routing)
Beispiel
Anwendung dieses Verfahrens in TRANSPAC
(öffentliches Paketvermittlungsnetz in Frankreich)
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.45 (01/03/08)
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Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Verteiltes adaptives Routing
Jeder Knoten tauscht periodisch Routing-Informationen
mit jedem seiner Nachbarn aus.
Typischerweise unterhält jeder Knoten eine Routing-Tabelle,
die für jeden anderen Knoten im Netz einen Eintrag enthält.
Hierzu zählen
Bevorzugte Übertragungsleitung für diesen Knoten
Schätzung über Zeit oder Entfernung zu diesen Knoten:
Anzahl hops,
Geschätzte Verzögerung in Millisekunden sowie
Geschätzte totale Anzahl von Paketen,
die entlang des Weges warten.
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in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.46 (01/03/08)
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Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Verteiltes adaptives Routing — Varianten
Die Schätzungen werden gewonnen aus
Zeit oder Entfernung zu den Nachbarn
(z.B. aus speziellen Echo Paketen mit Zeitstempeln)
Schätzungen der Nachbarn
Varianten
Synchroner Austausch von Routing-Informationen in
bestimmten Update-Intervallen
Asynchroner Austausch bei signifikanten Änderungen
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in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.47 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Beispiel 1: Distance Vector Routing
Verteiltes, adaptives Routing, das als RIP (Routing Information Protocol) früher
im Internet benutzt wurde
Jeder Router speichert eine Tabelle mit der besten Entfernung (z.B. Anzahl
hops, Verzögerung in ms) zu jedem Ziel und dem dazugehörigen Ausgang
In der Praxis zu langsame Konvergenz zu einem konsistenten Zustand für viele
Router wegen „count-to-infinity“ -Problematik
Szenario: Router A bis E verbunden, plötzlich fällt A aus
A
∞
Achtung:
stets das
Minimum
wird
gewählt!
B
1
3
3
5
5
7
7
...
∞
2
C
2
2
4
4
6
6
8
...
∞
D
3
3
3
5
5
7
7
...
∞
E
4
4
4
4
6
6
8
...
∞
Startabstand in hops von A
1. Austausch
2. Austausch
3. Austausch
4. Austausch
5. Austausch
6. Austausch
...
je nach Festlegung der Obergrenze
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in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.48 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Beispiel 2: Link State Routing
Verteiltes, adaptives Routing, als OSPF (Open Shortest Path First) und
IS-IS (Intermediate System - Intermediate System) z.B. im Internet
eingesetzt
Algorithmus:
Entdecken neuer Nachbarn
HELLO-Paket
Messung der Verzögerung bzw. Kosten zu jedem Nachbarn
ECHO-Paket mißt Umlaufzeit
Erstellen eines „Link-State“-Paketes mit allen gelernten Daten
Sender, Liste der Nachbarn mit Verzögerung, Alter
periodische oder ereignisgesteuerte (z.B. neuer Nachbar, Ausfall, etc.) Erzeugung
Aussenden dieses Paketes an alle Nachbarn
prinzipiell Fluten, aber mit Verfeinerungen: Vernichten von Duplikaten, Zerstören der
Information nach gewissem Alter etc.
Berechnung des kürzesten Pfades zu allen anderen Routern (z.B. Dijkstra)
sehr rechenaufwendig, Optimierungen existieren
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in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.49 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Hierarchisches Routing
Grundlage
Aufteilung großer Netze in Regionen
Die Knoten in einer Region haben nur Routing-Informationen
über ihre eigene Region.
In jeder Region gibt es zumindest einen ausgezeichneten
Knoten, der als Schnittstelle zu anderen Regionen dient.
In sehr großen Netzen sind weitere Hierarchien aufgrund
zunehmender Größe der Netze möglich
Regionen, Cluster, Zonen, Gruppen, ...
Backbone-Netz
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.50 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Multidestination Routing
Jedes Paket enthält entweder
Eine Liste der Bestimmungsorte oder
Eine Bitleiste, die die Bestimmungsorte angibt.
Jeder Knoten bestimmt aus den in einem Paket enthaltenen
Bestimmungsorten die Menge der Ausgabeleitungen.
Für jede zu benutzende Ausgabeleitung wird eine Kopie
des Pakets erzeugt.
Diese Kopie enthält nur die Bestimmungsorte,
die über diese Leitung erreicht werden sollen.
Die Menge der Bestimmungsorte eines Paketes
wird also gemäß den Ausgabeleitungen aufgeteilt.
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.51 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Multidestination Routing
Sender
D a te
Bestimmungsorte
n A
B
C
Empfänger A
D
n
Date
Daten D
Date
A
n B
C
Empfänger B
C
e
Da t
n
Empfänger D
Empfänger C
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.52 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Reverse-Path-Forwarding
Algorithmus
´Routing(i)´
´Incoming Link´
´Source Node´
bestimmt die Ausgabeleitung für Paket mit Ziel i
sei die Ankunftsleitung eines Pakets
sei der Ursprungsknoten eines Pakets
if Destination Node = All Nodes
then if Incoming Link = Routing(Source Node)
/*Paket kommt auf dem vermutlich kürzesten Weg vom Source Node*/
then Outgoing Link Set := All Links - {Incoming Link} // Weiterleiten
else Outgoing Link set := Ø // Verwerfen des Pakets
else Outgoing Link := Routing(Destination Node)
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.53 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Struktur des Internet
Ziel
Weltweite Kommunikation zwischen Rechnersystemen
unterschiedlicher Bauart
Struktur:
Kopplung einzelner Rechner bzw. lokaler Netze über ein
teilvermaschtes Netz von Routern
LAN
R
L
A
N
R
Router
Router
R
R
Router
Definition einer
einheitlichen Protokollfamilie:
TCP/IP
Router
R
R
R
Rechnersystem
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.54 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Geschichte des Internet
1969:
Datenübertragung zwischen Rechnern unter Beteiligung der University of
California at Los Angeles (UCLA), dem Stanford Research Institute (SRI), der
University of California at Santa Barbara (UCSB) und der University of Utah
1971:
Experiment zum Einloggen auf entfernten Rechnern; erstmalig Nutzung von
E-Mail
1972:
Erste öffentliche Demonstration des Netzwerkes
1973/74:
Entwurf der TCP/IP-Protokolle zur Kopplung unterschiedlicher Netzwerke
1980:
Integration der TCP/IP-Protokolle in UNIX (BSD)
Ende 80er: Internet umfaßt auch Netze in Europa, Australien und Kanada
1997:
Internet umfaßt über 17 Millionen Rechner in über 100 verschiedenen
Ländern
⇒ Wachstumsrate der Rechneranzahl von 10-15% pro Jahr
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.55 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Wachstum des Internets
Wechsel der Berechnungsart
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.56 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Die Internet-Protokollfamilie
Internet
Anwendungsprotokoll
Anwendungsprotokoll
TCP
TCP
UDP
IP
Netzzugangsprotokoll
Rechner B
UDP
IP
Anwendungsprotokoll
TCP
UDP
IP
Netzzugangsprotokoll
Rechner A
Netzzugangsprotokoll
Rechner C
TCP (Transmission Control Protocol): Zuverlässiges, verbindungsorientiertes
Transportprotokoll über unzuverlässigem IP (Internet Protocol).
UDP (User Datagram Protocol): Verbindungsloses Transportprotokoll, bietet
Anwendungsschnittstelle zu IP und Multiplexdienst.
Beipiele für Anwendungsprotokolle:
FTP:
File Transfer Protocol
Telnet:
Telnet Protokoll für virtuelle Terminals
SNMP: Simple Network Management Protocol
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.57 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Die TCP/IP-Protokollfamilie — Überblick
Die Bezeichnung TCP/IP wird häufig als Synonym für die gesamte
Protokollfamilie verwendet
Einordnung der Internetprotokolle in das ISO/OSI-Referenzmodell:
Kommunikationssteuerungsschicht
TCP
IGMP
IPIP
ICMP
ARP
RARP
UDP
Transportschicht
Vermittlungsschicht
Sicherungsschicht
Obwohl ICMP und IGMP den IP-Dienst nutzen, werden sie dennoch der
Vermittlungsschicht zugeordnet
In den anwendungsbezogenen Schichten 5-7 werden im Internet Protokolle
wie z.B. FTP, TELNET oder SMTP eingesetzt (Schichten 5-7 im Internet
zusammengefasst zur Anwendungsschicht)
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.58 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Die TCP/IP-Protokollfamilie — Protokollaufgaben
TCP
(Transmission Control Protocol):
Stellt verbindungsorientierten, gesicherten Transportdienst bereit
UDP
(User Datagram Protocol):
Stellt verbindungslosen, ungesicherten Transportdienst bereit
IP
(Internet Protocol):
Sorgt für Wegewahl und ungesicherte Übertragung von Datagrammen
ICMP
(Internet Control Message Protocol):
Unterstützt den Austausch von Kontrollinformationen innerhalb der Vermittlungsschicht
IGMP
(Internet Group Management Protocol):
Unterstützt die Verwaltung von Kommunikationsgruppen
ARP
(Address Resolution Protocol):
Unterstützt die Zuordnung von IP-Adressen zu entsprechenden Adressen der
Sicherungsschicht (MAC-Adressen)
RARP (Reverse Address Resolution Protocol):
Stellt die Umkehrfunktion von ARP zur Verfügung
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.59 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Zusammenspiel der Protokollinstanzen im Überblick
TCP- bzw. UDP-Instanz übergibt die Daten
zusammen mit der IP-Adresse des Empfängers
zur Übertragung an die IP-Instanz.
IP-Instanz beauftragt ARP-Instanz
mit der Ermittlung der entsprechenden Schicht-2-Adresse.
IP-Instanz übergibt PDU´s 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
(wobei ICMP zur Übertragung der Meldungen IP benutzt).
Informationen über Gruppenzugehörigkeiten werden mittels IGMP im Netz
verbreitet (wobei IGMP zur Übertragung der Meldungen IP nutzt).
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.60 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Zusammenspiel der Protokollinstanzen im Überblick
TCP
UDP
IGMP
ARP
IP
ICMP
Schicht 2
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in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.61 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Zusammenspiel der Protokollinstanzen - die PDUs
IP
leitet Datenpakete durch das Netzwerk zum Empfänger
TCP/UDP fügen Prozeßadressierung (Ports) zu IP hinzu
TCP
sichert darüberhinaus die Datenübertragung
Protokolldateneinheiten (PDU´s) werden gekapselt
Daten
TCP-Header
MAC/LLC-Header
Daten
UDP-Header
Daten
IP-Header
TCP/UDP-Header
Daten
IP-Header
TCP/UDP-Header
Daten
bzw.
Benutzer
Transportschicht
Vermittlungsschicht
Trailer
Sicherungsschicht
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.62 (01/03/08)
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Das Internet Protokoll IP
Historie
Entwickelt vom amerikanischen Verteidigungsministerium
(Departement of Defense, DoD)
Bereits seit 1969 im damaligen ARPANET eingesetzt
Aufgaben
Wegewahl
Prüfung der "Lebenszeit" von Paketen
Segmentieren und Reassemblieren
Realisierung und Entwicklung
Aufgrund der großen Ausdehnung des Internets ist IP
heute das am häufigsten realisierte Schicht-3-Protokoll.
Fortentwicklung im Projekt IPng (IP next generation)
der IETF (Internet Engineering Task Force), auch als IPv6
bezeichnet
(IP Protokoll Version 6); aktuelle Version: IPv4
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.63 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
IP im Internet
WWW-Server
HTTP
TCP
IP
LLC
MAC
PHY
Proprietäre Systeme:
- Deep Space Network
(Erde-Mars)
- 9600bps Funkmodem
(Pathfinder-Sojourner)
Notebook
WWW-Browser
HTTP
TCP
IP
LLC
MAC (WLAN)
PHY (Code...)
Gateway
Funk
Router
Coax
Router
Router
Glasfaser
Router
Firewall
Glasfaser
Bridge
LLC
MAC (WLAN)
PHY (Code...)
Funk
Router
IP
LLC
MAC (Ethernet)
MAC (Ethernet)
PHY
PHY
UTP5 - Twisted Pair
LLC
MAC (FDDI)
PHY
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in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.64 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
IP-Eigenschaften
Eigenschaften
Verbindungslos, daher relativ unzuverlässig:
Datagramm kann verloren gehen
Datagramm kann dupliziert werden
Datagramme können einander überholen
Derzeit keine Flußkontrolle möglich
Nicht behebbare Fehler der darunterliegenden Schicht 2 können
von IP im allgemeinen ebenfalls nicht behandelt werden
Aber mit dem Protokoll ICMP (Internet Control Message Protocol)
existiert eine Möglichkeit zur Fehleranzeige
Verwendung
Der Einsatzbereich erstreckt sich von privaten bis hin zu
öffentlichen Netzen
Aufsetzend auf die Sicherungssschicht (LLC/MAC), als Netzwerkschnittstelle bzw. Treiber, bietet IP seine Dienste TCP/UDP an
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.65 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
IP-Adressen (NSAP in OSI-Terminologie)
Die klassische Adressierung bei IPv4 erfolgt
hierarchisch (gleicher Präfix der Knoten bedeutet Nachbarschaft)
mit 4 Oktetten:
Oktett 1 [0..255] · Oktett 2 [0..255] · Oktett 3 [0..255] · Oktett 4 [0..255]
141
52
80
4
·
·
·
Der gesamte Adressbereich wird
in Zuständigkeitsbereiche (Domänen) partitioniert
Prinzip der E.164-Adressierung (Telefonnummern)
Für bestimmte Funktionen (Broadcast) werden ausgewählte
Adressen festgelegt:
Netzwerkpräfix ⊕ 0λ und Netzwerkpräfix ⊕ 1λ
(λ bezeichnet die Anzahl der nach dem Netzwerkpräfix verbleibenden
Bitstellen bis zur vollen Adresslänge)
141
·
52
·
80
·
255
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.66 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
IP-Adressen (NSAP in OSI-Terminologie)
Klassisches IP unterstützt fünf verschiedene Adreßklassen:
1.
Class A für 128 Netze
0
mit bis zu
Netz-ID
Host-ID
1 2 3 4 5 6 7 8 9
2.
Class B
1 0
16 17
für 16.384 Netze
Netz-ID
mit bis zu
1 2 3 4 5 6 7 8 9
3.
16 17
32
65534 Knoten
Host-ID
24 25
16 17
Class D für Gruppenkommunikation (Multicast)
Host-ID
24 25
32
268435454 Knoten
Multicast-Anwendungen
1 1 1 0
1 2 3 4 5 6 7 8 9
16 17
24 25
Class E, noch reserviert für zukünftige Anwendungen
1 1 1 1 0
32
254 Knoten
Netz-ID
1 2 3 4 5 6 7 8 9
5.
24 25
Class C für 2.097.152 Netze mit bis zu
1 1 0
4.
16777214 Knoten
32
Reserviert für künftige Anwendungen
1 2 3 4 5 6 7 8 9
16 17
24 25
32
"manitu.telematik.informatik.uni-karlsruhe.de" hat die IP-Adresse 129.13.3.72 (Class B)
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in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.67 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
IP-Netzklassen: Übersicht
Class A:
Bereich gültiger Adressen:
Private Netze (RFC 1597):
1
1.0.0.1
...
126.255.255.254
10.0.0.1
...
10.255.255.254
128.1.0.1
...
191.254.255.254
Class B:
Bereich gültiger Adressen:
Private Netze (RFC 1597):
16
172.16.0.1 ...
172.31.255.254
192.0.1.1
...
223.255.254.254
192.168.0.1 ...
192.168.255.254
224.0.0.1
239.255.255.254
Class C:
Bereich gültiger Adressen:
Private Netze (RFC 1597):
256
Multicast Class D:
Bereich gültiger Adressen:
...
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.68 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
IP-Subnetz-Adressen
IP-Adresse (hier Klasse B):
Netzwerk-Teil
Netzwerk-Teil
Lokaler 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
Beispiel:
IP-Adresse:
129.
13.
3.
Subnetzmaske: 255. 255. 255.
Netzwerk:
129.
13.
Subnetz:
3.
Endsystem:
64
0
1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000
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)
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.69 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
IP Datagramm — Aufbau (klassisch)
Version (4)
Header Length (4)
Type of Service (8)
Precedence
0
Total Length (16)
Flags (3)
Identifier (16)
Fragment Offset (13)
Time to Live (8)
Protocol (8)
Header Checksum (16)
Source Address (32)
Destination Address (32)
Options and Padding (var.)
Data (var.)
1
2
Throughput
3
4
Cost
5
6
7
Delay Reliability Reserved
Precedence: (derzeit i.d.R. nicht ausgewertet)
111 Network Control
110 Internetwork Control
101 CEITIC/ECP
100 Flash Override
011 Flash
010 Immediate
001 Priority
000 Routine
Delay:
0 Normal
1 Low
Throughput: Reliability:
0 Normal
0 Normal
1 High
1 High
Cost:
0 Normal
1 Low
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.70 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
IP Datagramm - Felder
Version
Header Length
Type of Service
Total Length Field
Identifier
Flags
Fragmentation Offset
Time to Live
Protocol
Header Checksum
Source/Destination Address
Options
Padding
Data
Versionsnummer für IP
Länge des IP Headers in 32-bit-Worten
Festlegung des QoS
Länge des gesamten Datagrammes
Identifikation der Dateneinheit
Notwendig für Segmentierung
Zur Reassemblierung
Lebenszeitbegrenzung des Pakets
Protokoll der darüberliegenden Schicht (z.B. 6=TCP, 17=UDP)
Fehlerüberprüfung für Header
Quell- und Zielrechner
Zusätzliche Dienstleistungen
Für 32-Bit-Ausrichtung (Option)
Benutzerdaten
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.71 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
IP-Dienste: Überprüfung des Paketkopfes
Überprüfungen, die nach dem Empfang eines
IP-Datagrammes am Header durchgeführt werden
Überprüfung der korrekten Länge des Headers
Test der IP-Versionsnummer
Überprüfung der korrekten Datagrammlänge
Prüfsummenbildung über den IP-Header
Überprüfung der Paketlebenszeit
Überprüfung der Protokoll-ID
Überprüfung der Adreßklassen beider Adressen
(Quell- und Zieladresse)
Bei negativem Resultat eines der oben aufgeführten Tests
wird das Paket einfach verworfen und eine Fehlermeldung
über ICMP an den Sender des Pakets gesendet
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.72 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
IP-Dienste: Source Routing
Das Protokoll der Schicht oberhalb IP legt den Weg zum Empfänger
fest, indem das zu übertragende Paket eine Liste von Knoten
enthält,
die den Weg zum Zielknoten im Optionen-Feld beschreiben
Benutze die durch den Pointer P definierte Adresse, um den
nächsten Router zu adressieren
Dieser Router ersetzt diese Adresse durch die eigene für das
nächste Subnetz und erhöht dann P um 4
Strict Source Routing
Der Sender gibt den gesamten Weg im Optionsfeld vor
Loose Source Routing
Der Sender gibt nur eine Teilmenge der Router an
Auf dem Weg zum Empfänger werden neben den angegebenen
auch andere, dazwischenliegende Router benötigt
Mittels einer zusätzlichen "Route Recording"-Option kann der
Empfänger den tatsächlich durchlaufenen Weg erkennen
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.73 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
IP-Dienste: Source Routing - Beispiel
128.2.14.16 (1)
S
128.2.5.7/
128.11.2.4
128.2.3.4/
128.7.1.3
(2)
128.7.3.9/
128.33.5.8
128.7.8.9/
128.10.4.2 (3)
128.10.4.12/
128.9.12.4
D
128.33.7.6/
128.10.7.7
128.11.2.7/
128.33.4.4
128.9.3.17
128.33.4.9/
128.9.1.2
Options
P 128.2.3.4
128.7.8.9
128.10.4.12
(1)
IPDatagramm
P 128.7.1.3
128.7.8.9
128.10.4.12
(2)
P 128.7.1.3
128.10.4.2
128.10.4.12
(3)
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.74 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
IP-Dienste: Route Recording
Im Datagramm wird der durchlaufene Weg festgehalten
128.2.14.16
S
128.2.5.7/
128.11.2.4
128.2.3.4/
128.7.1.3
128.7.8.9/
128.10.4.2
128.7.3.9/
128.33.5.8
128.11.2.7/
128.33.4.4
Options
IPDatagramm
128.10.4.12/
128.9.12.4
D
128.33.7.6/
128.10.7.7
128.9.3.17
128.33.4.9/
128.9.1.2
P 128.2.3.4
leer
leer
1. Füge eigene Adresse an der durch den Pointer P festgelegten Stelle ein ...
P 128.2.3.4
leer
leer
2. ... und erhöhe dann den Pointer P um 4 [Byte], so daß er auf das nächste leere Feld in der Liste zeigt
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.75 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
IP-Routing Protokolle
IGP (Interior Gateway Protocol): zur Wegewahl innerhalb einer
Verwaltungseinheit (administrative domain oder autonomous system)
RIP (Routing Information Protocol) basierend auf distance vector
Algorithmus (überall verfügbar, aber veraltet)
OSPF (Open Shortest Path First) basierend auf link state Algorithmus
(neuer Standard)
IS-IS (Intermediate System-Intermediate System), ebenfalls link-state
Algorithmus, vornehmlich in backbones eingesetzt
EGP (Exterior Gateway Protocol): Wegewahl zwischen
Verwaltungseinheiten, sog. „politische Firewall“
EGP (Protokoll gleichen Namens!, veraltet)
BGP (Border Gateway Protocol, derzeit Version BGP4, RFC 1654)
Anwendungen: z.B. Verhindern von Leiten „fremder“ Pakete durch
eigenes Netz, obwohl der Weg kürzer ist; politische Restriktionen;
Firmenpolitik (Firma X will nicht für den Transport der Pakete von
Firma Y bezahlen)
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.76 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
IP-Dienste: Zeitstempel
Jede Router fügt im Optionsfeld einen Zeitstempel ein, der den
Zeitpunkt charakterisiert, zu dem das Paket vom Router bearbeitet wurde.
Aussagen über die Belastung der Netzwerke sind möglich
Die Effizienz der benutzten Routing-Algorithmen kann
abgeschätzt werden
Dabei existieren folgende Möglichkeiten, die durch ein vier Bit
langes Flag-Feld definiert werden:
Flag-Wert = 0: Nur Zeitstempel aufzeichnen, keine Adressen.
Flag-Wert = 1: Sowohl Zeitstempel als auch Adressen
(Route Recording) aufzeichnen
Flag-Wert = 3: Die Adressen sind vom Sender vorgegeben
(Source Routing), die adressierten Router
tragen nur ihren Zeitstempel ein
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.77 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
IP-Dienste: Segmentierung und Reassemblierung
Um unterschiedliche Netzwerken unterstützen zu können, die
ihrerseits unterschiedlich lange Maximal-Paketlängen (MTU,
Maximum Transmission Unit) erlauben, bietet IP die Möglichkeit
der Segmentierung und Reassemblierung
Beispiel Ethernet: 1500 byte Nutzdaten
Zum Segmentieren/Reassemblieren werden aus dem IP-Header
benötigt
Flags
Bit 0:
Bit 1:
Bit 2:
Reserviert
0 = darf fragmentiert werden
1 = darf nicht fragmentiert werden
0 = letztes Fragment
1 = es folgen weitere Fragmente
Fragment Offset
Definiert die Stelle, an der das Fragment in die
Original-PDU eingesetzt werden muß (in der Einheit 8 byte)
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.78 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
IP-Dienste: Segmentierung und Reassemblierung - Beispiel
Beispiel für die Berechnung des Fragment-Offsets
DatagrammHeader
Daten 1400 byte
Daten 1
600 byte
Daten 2
600 byte
Fragment 1Header
Daten 1
Fragment Offset 0
Fragment 2Header
Daten 2
Fragment Offset 600/8 = 75
Fragment 3Header
Daten 3
Daten 3
200 byte
Fragment Offset 1200/8 = 150
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.79 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
IP-Multicasting
Ein einzelnes IP-Datagramm wird an mehr als eine Station adressiert.
Multicast-Verwaltung erfolgt über das IGMP (Internet Group Management
Protocol).
Es muß eine Class D-Adresse verwendet werden.
Die ersten vier Bits des Adreßfelds im Kopfes entsprechen 1110.
Danach folgt die 28-Bit-lange ID der Gruppe.
Beispiel
A
B
C
Aus dem Internet
kommt ein Datagramm
mit der Zieladresse
1110 + Multicast Group.
MulticastGruppenmitglied
R1
Multicast-Datagramm
wird abgeliefert
D
F
E
(Multicast-)Router
R2
H
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.80 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
ICMP: Internet Control Message Protocol
Einzelne Paketverluste werden im Normalfall von IP nicht gemeldet
(unzuverlässiger Datagrammdienst).
Schwerwiegende Probleme (z.B. Unterbrechung einer Leitung) werden zur
Vermeidung von Folgefehlern mittels ICMP den Kommunikationspartnern
mitgeteilt.
S
Router
Leitung
Router unterbrochen
Router
Router
E
S Sender
E Empfänger
ICMP-Nachrichten
ICMP unterstützt den Austausch von Statusanfragen und Zustandsinformation.
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.81 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
ICMP: Fehlermeldungen
Zieladresse nicht erreichbar (destination unreachable): Ein Datenpaket konnte
z.B. wegen einer unterbrochenen Leitung, eines ausgefallenen Routers oder
eines ausgefallenen Endsystems nicht zugestellt werden.
Zeit abgelaufen (time exceeded): Ein Datenpaket wurde wegen Ablauf seiner
Lebenszeit von einem Router verworfen.
Falscher Parameter (parameter problem): Ein Datenpaket wurde wegen eines
unzulässigen Wertes im IP-Paketkopf verworfen.
Quellendämpfung (source quench): Ein überlastetes Kommunikationssystem
fordert den Sender auf, die Übertragungsrate zu senken.
Umleiten (redirect): Ein Datenpaket sollte besser über einen anderen Router
gesendet werden.
⇒ Die Fehlermeldungen enthalten jeweils ein Feld zur genauen Angabe
der Fehlerursache (z.B. "Netzwerk nicht erreichbar" oder "Endsystem
nicht erreichbar" für die Meldung "Zieladresse nicht erreichbar")
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.82 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
ICMP: Statusanfragen
Echo und Echoantwort (echo and echo reply): Dient der Überprüfung der
Aktivität von Kommunikationssystemen. Der Empfänger einer Echo-Anfrage
sendet in der Echo-Antwort die erhaltenen Daten an den Kommunikationspartner zurück.
Zeitstempel und Zeitstempelantwort (timestamp and timestamp reply): Dient
der Bestimmung von Paketumlaufzeiten. Die Meldungen umfassen mehrere
Felder zur Aufnahme von Zeitstempeln, an Hand derer die Paketbearbeitungszeiten beim Empfänger und die Verzögerung im Netzwerk bestimmt werden
können.
Empfänger
Sender
Originalzeit T0
Anfrage [T0 , x, x]
Empfängszeit TE
Zeit
Sendezeit TS
Antwort [T0 , TE, TS]
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.83 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
ICMP: Paketformat
Übertragung der ICMP-Meldungen
ICMP-Meldungen werden im Datenteil von IP-Paketen übertragen und durch
den Wert 1 im Protocol-Feld des IP-Paketkopfes kenntlich gemacht.
IP-Paketkopf
[Protocol=1]
ICMP-Melung
Format der ICMP-Meldungen
Jede ICMP-Meldung beginnt mit den 3 Feldern:
Type: Typ der Meldung (z.B. Type=3 enspricht "Zieladresse nicht
erreichbar");
Code: Genaue Beschreibung der Meldung (z.B. "Netzwerk nicht
erreichbar");
Checksum: Prüfsumme über die gesamte ICMP-Meldung.
IP-Header
Type
Code
Checksum
Info
Der Inhalt des Info-Teils ist abhängig vom Typ der ICMP-Meldung (z.B. Felder
für Zeitstempel bei Meldung "Zeitstempel und Zeitstempelantwort")
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.84 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
ARP: Address Resolution Protocol
Problem:
Abbildung der Internet-Adresse eines Rechners auf die physikalische
Adresse der Station (Adresse der Adapterkarte).
Lösung:
Unterhalten einer Abbildungstabelle in jedem Rechner.
Unterhalten einer Abbildungstabelle in einem Server, der die
Anfragen der Kommunikationssysteme beantwortet.
Dynamische Abbildung der Adressen durch Senden einer
entsprechenden Anfrage an alle Rechner im LAN (BroadcastAnfrage)
Bei den beiden erstgenannten Methoden müssen die
Abbildungstabellen bei jeder Änderung manuell abgeglichen werden.
Ein Verfahren zur dynamischen Abbildung der Adressen wird durch
das Address Resolution Protocol (ARP) festgelegt.
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.85 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
ARP: Protokollablauf
1. Der Initiator der Anfrage sendet mittels Rundruf ein ARP-Request, welcher
neben der physikalischen und der Internet-Adresse des Senders auch die
Internet-Adresse des gesuchten Empfängers enthält.
2. Erkennt ein Rechner seine eigene IP-Adresse in einem ARP-Request, sendet er
ein ARP-Reply mit seiner physikalischen Adresse an die anfragende Station
zurück. Die restlichen Rechner reagieren auf die Anfrage nicht.
3. Der Initiator der Anfrage speichert die in der Antwort enthaltene physikalische
Adresse mit der Internet-Adresse für spätere Anfragen in einer Tabelle ab.
X
A
B
Wer hat
IP-Adresse B ?
1
Ich habe
IP-Adresse B !
2
Verbesserung: Der Empfänger des ARP-Requests speichert die Adressen des
Initiators der Anfrage in einer Tabelle ab.
Zeitgebergesteuertes Löschen von Einträgen in der dynamischen ARP-Tabelle.
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.86 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
ARP: Paketformat
Übertragung der ARP-Meldungen
Eine ARP-Meldung wird im Datenteil eines Paketes der
Sicherungsschicht über-tragen.
MAC/LLC
Paketkopf
ARP-Melung
Format der ARP-Meldungen
Bit 16
Bit 1
Typ der physikalischen Adresse
Protokoll der Vermittlungsschicht
Länge der
physik. Adresse
Länge der
Schicht-3-Adresse
Typ der Meldung
Adreßfelder
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
⇒ Länge und Aufbau der Adreßfelder sind vom Typ der Adressen abhängig
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.87 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
RARP: Reverse Address Resolution Protocol
Problem:
Wie kann die Internet-Adresse eines Rechners ermittelt werden? Diese ist
beispielsweise für die Initialisierung eines Kommunikationssystems
notwendig.
Lösung:
Manuelle Eingabe der IP-Adresse bei jeder Neuinitialisierung.
Einlesen der IP-Adresse aus einer Konfigurationsdatei
⇒ kann bei "Diskless Stations" nicht angewendet werden.
Ermittlung der IP-Adresse basierend auf der global eindeutigen Adresse der
Adapterkarte.
Ein Verfahren zur Abbildung der physikalischen Adresse auf die IP-Adresse des
Rechners wird durch das Reverse Address Resolution Protocol (RARP) festgelegt.
Protokollablauf:
Die Station sendet mittels Rundruf eine Anfrage, welche die physikalische
Adresse des Rechners beinhaltet. Ein RARP-Server bildet diese auf die zugehörige IP-Adresse ab und sendet eine Antwort an den Initiator der Anfrage.
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.88 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
DNS (Domain Name Service) - Namensdienst im Internet
Hierarchische, domain-basierte Namensstruktur
DNS stellt eine weltweit verteilte Datenbank dar
DNS bildet Namen auf Information ab
www.nasa.gov wird zur IP-Adresse 128.183.243.3 (wobei sich die Adresse,
auf die abgebildet wird, ändern kann, selten der Name!)
mailhost für die NASA wird auf konkrete Rechner abgebildet
etc.
> nslookup -q=mx nasa.gov
Server: sioux.telematik.informatik.uni-karlsruhe.de
Address: 129.13.35.73
nasa.gov
preference =
nasa.gov
nameserver =
nasa.gov
nameserver =
nasa.gov
nameserver =
nasa.gov
nameserver =
POBOX.nasa.gov inet address
NS.nasa.gov
inet address
NS.nasa.gov
inet address
NS.nasa.gov
inet address
DFTSRV.GSFC.nasa.gov
inet
MX.NSI.nasa.gov inet address
5, mail exchanger = POBOX.nasa.gov
NS.nasa.gov
DFTSRV.GSFC.nasa.gov
JPL-MIL.JPL.nasa.gov
MX.NSI.nasa.gov
= 128.102.92.11
= 128.102.16.10
= 192.52.195.10
= 192.203.230.10
address = 128.183.10.134
= 128.102.18.31
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in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.89 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
DNS-Namensraum
Namensraum ist in Zonen aufgeteilt
Funktion
(vorrangig innerhalb
der USA)
Länder
us
de
se
...
uk net org gov mil
uni-karlsruhe
informatik
telematik
nasa
rz
www
osiris
bolero
edu
com
Geplante weitere Zonen
(top level domains):
arts
firm
info
nom
rec
shop
web
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.90 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
DNS: Nameserver
Jede Zone hat einen primären und beliebig weitere sekundäre Nameserver
Anfragen können rekursiv oder nicht-rekursiv beantwortet werden
rekursiv:
Name
Name
System
Nameserver1
Nameserver2
etc.
Info
Info
nicht-rekursiv:
Name
System
Info
Nameserver1
Name
Nameserver2
Info
etc.
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.91 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
DNS: Beispiele
IP-Adresse für
www.nasa.gov ?
http://www.nasa.gov/
Endsystem
http 128.183.243.3
DNS-Name Server
128.183.243.3
Router
mail [email protected]
Endsystem
smtp 140.98.2.18
Router
MX-Daten für ieee.org ?
DNS-Name Server
ruebert.ieee.org,
IP-Adresse 140.98.2.18, SMTP
MX: Mail Exchange
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.92 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
TCP (Transmission Control Protocol) - Dienste
Verbindungsverwaltung:
Verbindungsaufbau zwischen zwei "Sockets" (entspricht CEP im TSAP).
Datentransfer über virtuelle Verbindung.
Gesicherter Verbindungsabbau (alle Daten müssen quittiert sein).
Multiplexen
Datenübertragung:
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.
Fehleranzeige
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.93 (01/03/08)
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Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
TCP - Adressierung
Identifikation von TCP-Diensten über
Ports (entsprechen in OSI-Terminologie TSAPs).
Portnummern bis 255 für häufig benutzte Dienste reserviert [RFC1700:
Assigned Numbers] (z.B. 21 für FTP, 23 für TELNET, 80 für HTTP).
Ein Socket (entspricht in OSI-Terminologie einem CEP im TSAP).
Er besteht aus einem Port verbunden mit einer Internetadresse und ist
eindeutig im Internet.
Beispiel: Verbindung mehrerer Benutzer mit der Portnummer 400 zu
einem FTP-Server: Identifizierung über IP-Adresse und Portnummer.
MANITU
129.13.3.72
Benutzer 1
FTP-Server
Port 400
Port 21
TCP
IP
APACHE
129.13.3.71
TCP
IP
Benutzer 2
Port 400
CHEYENNE
129.13.3.75
TCP
IP
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.94 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
TCP - Verbindungsaufbau
Verbindungen können nach der Erstellung eines Sockets aktiv (connect)
oder passiv (listen/accept) aufgebaut werden.
Aktiver Modus: Anforderung einer TCP-Verbindung mit dem
spezifizierten Socket.
Passiver Modus: Ein Benutzer informiert TCP, daß er auf eine
eingehende Verbindung wartet. Er kann entweder einen speziellen
Socket spezifizieren, von dem er eine eingehende Verbindung
erwartet (fully specified passive open) oder alle Verbindungen
annehmen (unspecified passive open). Geht ein
Verbindungsaufbauwunsch ein, wird ein neuer Socket erzeugt, der
dann als Verbindungsendpunkt dient.
Anmerkung: Die Verbindung wird von den TCP-Instanzen ohne
weiteres Eingreifen der Dienstbenutzer aufgebaut (es existiert z.B.
kein Primitiv, das T-Connect.rsp entspricht).
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.95 (01/03/08)
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Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
TCP-Paketformat: Aufbau
0
16
Source port
31
Destination port
Sequence number
Piggyback acknowledgement
4 bit TCP
6 bit
header
unused
length
U A E R S F
R C O S Y I
G K M T N N
Checksum
Paketkopf
Window
Urgent pointer
Optionen (0 oder mehr 32-Bitworte)
Daten ...
Dieses Bit wird in der Literatur auch durch
PSH (Push-Bit) bezeichnet.
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.96 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
TCP-Paketformat
Source- und Destinationport identifizieren die Endpunkte der Verbindung. Wie die
Hostes ihre Ports zuweisen, bleibt ihnen überlassen (bis auf die standardisierten bis
Nummer 255).
Sequence number enthält die Byte-Folgenummer.
Piggyback acknowledgement: Huckepackverschickung von Quittungen. Die nächste
erwartete Folgenummer.
TCP header length: Anzahl der 32 Bitwörter im Paketkopf.
URG: Wird auf 1 gesetzt, falls der Urgent Pointer verwendet wird.
SYN: Wird beim Verbindungsaufbau verwendet, um CONNECT Request/Indikation
anzuzeigen.
ACK: Unterscheidet bei gesetztem SYN-Bit ein CONNECT Request von einem
CONNECT Indikation. Signalisiert die Gültigkeit des Acknowledgement-Feldes.
FIN: Gibt an, daß der Sender keine Daten mehr senden möchte.
RST: Wird benutzt, um eine Verbindung zurückzusetzen.
EOM (bzw. PSH): Dieses Bit zeigt das Ende einer Nachricht an.
Window: Dient zur Flußkontrolle. Anzahl der Bytes, die nach dem höchsten
bestätigten Byte gesendet werden dürfen.
Checksum: Enthält die Prüfsumme über Paketkopf und Daten.
Urgent Pointer: Relativer Zeiger auf wichtige Daten.
Das Optionenfeld kann Optionen variabler Länge aufnehmen.
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.97 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
TCP Flußkontrolle / Staukontrolle
Flußkontrolle regelt den Datenfluß zwischen den Endsystemen.
Staukontrolle befaßt sich mit Stausituationen in den Zwischensystemen.
Flußkontrolle in TCP: Fenstermechanismus mit Kreditvergabe.
Ack-Feld im Paketkopf bestätigt alle niedrigeren Bytefolgenummern.
Window-Feld gibt an, wieviele Bytes der Empfänger zusätzlich
akzeptiert.
Staukontrolle in TCP: Problem "congestion collapse":
Stau in Zwischensystemen führt oftmals dazu, daß Transportprotokolle nach
einem Timeout Pakete wiederholen. Folge: Die Stausituation wird verstärkt.
TCP: "slow start" und "multiplicative decrease" Mechanismen
Bei Datenverlust reduziert TCP die Größe des Sendefensters um die
Hälfte (multiplicative decrease). Folge: Bei fortlaufendem Verlust wird die
Fenstergröße bis auf ein Datenpaket reduziert.
Nach einer Stauperiode wird die Fenstergröße um ein Datenpaket erhöht
und weiterhin nach jeder empfangenen Quittung (slow start). Folge: Der
"slow start" Mechanismus verhindert, daß nach einem Stau direkt zu
hoher Verkehr auftritt.
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.98 (01/03/08)
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Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
TCP: fest vereinbarte port-Nummern (well-known ports)
Viele Anwendungen wählen TCP als Protokoll, allerdings muß der richtige port
gewählt werden, um auf der Gegenseite mit der richtigen Anwendung zu
kommunizieren.
> telnet osiris 13
Trying 129.13.3.121...
13: Tageszeit
Connected to osiris.
20: FTP Daten
25: SMTP
(Simple Mail Transfer Protocol)
53: DNS
(Domain Name Server)
80: HTTP
(Hyper Text Transfer Protocol)
119: NNTP
(Network News Transfer Protocol)
Escape character is '^]'.
Mon Aug 4 16:57:19 1997
Connection closed by foreign host
> telnet sokrates 25
Trying 129.13.3.161...
Connected to sokrates .
Escape character is '^]'.
220 sokrates ESMTP Sendmail 8.8.5/8.8.5;
Mon, 4 Aug 1997 17:02:51 +0200
HELP
214-This is Sendmail version 8.8.5
214-Topics:
214HELO
EHLO
MAIL
RCPT
DATA
214RSET
NOOP
QUIT
HELP
VRFY
214EXPN
VERB
ETRN
DSN
214-For more info use "HELP <topic>".
...
214 End of HELP info
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.99 (01/03/08)
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Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
UDP (User Datagram Protocol)
unzuverlässig, verbindungslos, einfacher und schneller als TCP
Demultiplexing der empfangenen Pakete basiert auf der port-Nummer
optionale Prüfsumme
16
0
Source port
31
Destination port
Message Length
Paketkopf
Checksum
Daten ...
festgelegte, sog. „well-known“ ports:
13:
daytime
53:
domain name server
123: network time protocol
sehr viele Multimedia-Anwendungen nehmen UDP, nicht TCP wegen
Leistungsvorteilen
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.100 (01/03/08)
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Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
IPv6 — Motivation
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
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in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.101 (01/03/08)
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Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Überblick: Neuerungen in IPv6
Erweiterte Adressierung
Erhöhung der Adreßlänge von 32 Bit auf 128 Bit
Definition mehrerer Hierarchieebenen
Einführung von Anycast-Adressen (Kommunikation zu einem Mitglied einer
Gruppe)
Flexibles Paketformat
Vereinfachung des (Standard-) Paketkopfes
Verschieben zahlreicher Optionen vom (Standard-) Paketkopf in flexible
Paketkopferweiterungen
Unterstützung von Ressourcenreservierung
Einführung eines FlowLabel-Feldes (Flußmarke) pro IPv6-Paket
ermöglicht die Nutzung von Protokollen zur Ressourcenreservierung, z.B.
RSVP
Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten
Unterstützung von Authentifizierung und Datenintegrität
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K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.102 (01/03/08)
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Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
Das Paketformat
StandardKopf
0
optional
Paketkopferweiterung 1
4
Version
...
8
Traffic Class
Nutzlastlänge
12
Paketkopferweiterung N
16
Daten
24
32
FlowLabel (Flußmarke)
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
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.103 (01/03/08)
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Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
NAT - Network Adress Translation
Problem: Adressen müssen auch beim Einsatz von CIDR global eindeutig sein
Idee:
In einem Firmennetz brauchen nur die Rechner eine global eindeutige
Adresse, die gerade Verbindungen aus dem Firmennetz heraus aufbauen
Diese global eindeutige Adresse kann temporär vergeben werden
Verwaltung eines Adressenpools z.B. durch Gateway
LAN
Gateway
Internet-Verkehr
Lokale, nur im LAN eindeutige IP-Adressen
Adressenübersetzung
Internet
Adresspool
Global eindeutige IP-Adressen
Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz–Gemeinschaft
K744/K3D13: „Telematik“
Telematik“ – WS-2001/2002 — K07.104 (01/03/08)
Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt
Dipl.-Inform. Torsten E. Neck
