Informationstechnik für Ingenieure

Informationstechnik
für Ingenieure
Computernetze und
Internet
Teil 3:
Transportschicht
(C) U. Stein
Wintersemester 2004/2005
Prof. Dr. Thomas Wieland
Übersicht Teil 3
z
z
z
z
3.1
3.2
3.3
3.4
Einführung
Struktur von TCP/IP
Einfache IP-Protokolle
Transmission Control Protocol (TCP)
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3.1 Einführung
Entstehungsgeschichte des
Internet
z
z
z
Mythos: Internet wurde für militärische Zwecke
entwickelt
Tatsache: Ein Mitarbeiter der ARPA (Advanced
Research Projects Agency) ärgerte sich, dass für die
Verbindung mit drei Unis drei verschiedene
Terminals nötig waren
Näheres in "ARPA Kadabra"
von K. Hafner und M. Lyon
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4
Pionierzeit
z
z
1967: ARPA des DoD vergibt Auftrag “Projektstudie
ausfalltolerantes Paketnetz” an SRI (Stanford Research
Institute)
1969: Erstes “Internet” aus 4 Knoten: University of California
at Los Angeles (UCLA), Stanford Research Institute (SRI),
University of California at Santa Barbara (UCSB), University of
Utah
z
Entscheidung für paketvermittelndes Netz nach Store-AndForward-Prinzip
z
z
z
z
z
Paket wird von Vermittlungsstation komplett entgegengenommen
Weiterleitung erst nach vollständigem Empfang
1971: Betriebsaufnahme des ARPANet
1972: Erste öffentliche Demonstration
1974: Neue Protokollsuite: TCP/IP
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5
Verbreitung und
Kommerzialisierung
z
z
z
z
z
z
1980: Integration der TCP/IP-Protokolle in UNIX
1986: NSFNet (National Science Foundation) als
zweiter Backbone
1988: IP-Verbindung zum Internet aus Deutschland
1991: WWW wird entwickelt
1995: Kommerzielle Provider für Internetzugänge
von Privatleuten
1999: Mehr als 200 Mio. Internet-Nutzer weltweit
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3.2 Struktur
von TCP/IP
Struktur von TCP/IP
Application
ApplicationLayer
Layer
• korrekte Zustellung
von Paketen
• Definition von
Paketformaten
• Protokoll: IP
• Zugang zum
physikalischen
Übertragungsmedium
Host-to-Host
Host-to-Host
Transport
Transport Layer
Layer
Internet
InternetLayer
Layer
• anwendungsnahe
Protokolle,
z.B. TELNET,
FTP, SMTP, DNS
• Ende-zu-EndeVerbindung
zwischen Hosts
• Protokolle: TCP
und UDP
Network
NetworkAccess
Access
Layer
Layer
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8
Internet-Architektur
z
z
z
Definiert von der Internet Engineering Task Force
(IETF)
"Doppelkegel"-Design
Anwendung vs. Anwendungsprotokoll (FTP, HTTP)
FTP
HTTP
NV
TFTP
UDP
TCP
IP
NET1
NET2
…
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NETn
9
Network Access Layer
z
Definiert, wie zugrunde liegendes Netz zur
Übertragung von Daten der höheren Schichten
genutzt wird
z
z
z
⇒
Anpassung an das Datenformat des Netzes
Abbildung von logischen Adressen auf physikalische
Adressen des Netzwerks
Umfasst etwa Bitübertragungs- und
Sicherungsschicht aus ISO/OSI-Modell
Protokolle spezifisch für zugrunde liegende
Netzvariante
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Internet Protocol (IP)
z
Protokoll auf Internet Layer
z
verantwortlich für Übermittlung von Daten zwischen Stationen
z
z
z
Entspricht etwa Vermittlungsschicht bei ISO/OSI
Erledigt auch Netzüberwachung
z
z
Fehlerbehandlung erfolgt durch andere Schichten
Sorgt für Routing der Pakete
z
z
Identifikation und Weitermeldung nicht erreichbarer
Empfangsstationen
IP: ungesichertes, verbindungsloses Protokoll
z
z
Stationen sind entweder Hosts (Endstationen) oder Gateways
(Transitstationen)
Suche geeigneter Übermittlungspfade von Sender zum Empfänger
"Best effort": Pakete können u.U. verloren gehen oder
verfälscht ankommen
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Dienstmodell bei IP
z
IP: ungesichertes, verbindungsloses Protokoll
z
z
Dienstmodell "Best effort"
z
z
z
z
z
Fehlerbehandlung erfolgt durch andere Schichten
Pakete können verloren gehen
Pakete können in anderer Reihenfolge
eintreffen als gesendet
Duplikate von Paketen können eintreffen
Pakete können lange verzögert werden
D.h.: Übertragung nicht garantiert, Zeit bis zu
Auslieferung nicht garantiert
z
Ungeeignet für Echtzeitanforderungen!
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User Datagram Protocol (UDP)
z
Unzuverlässiges
verbindungsloses Protokoll
z
z
z
ungesichert hinsichtlich
Paketverlust
broadcast- und multicastfähig
Arbeitet im Host-to-Host
Transport Layer
z
z
Zuständig für Ende-zu-EndeÜbertragung
Entspricht der Transportschicht
Merkmale:
z
z
z
z
Vermeidung von Overhead
zugunsten möglichst schneller
Übermittlung, vor allem für
kleine Datenmengen geeignet
Flusskontrolle, Fehlererkennung und -behandlung
muss anderweitig gewährleistet
werden
Im Wesentlichen Hinzufügen
von Port-Nummern
(“Transportadressen”) zu IP
Ports können von (den
Prozessen) einer Anwendung
benutzt werden
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Transmission Control
Protocol (TCP)
z
z
z
Alternatives Protokoll im Hostto-Host Transport Layer
Aufwändiger als UDP
zuverlässiges verbindungsorientiertes Protokoll
z
Segmentierung des
eingehenden bzw. Erzeugung
des ausgehenden Bytestroms
Merkmale:
z
z
Stellt Aspekte der Flusssteuerung bereit
Verwendet Sendewiederholung
und positiver Bestätigung
z
z
z
z
Sequenznummern und
acknowledge / retransmit
Timeouts und Fenstergrössen
werden dynamisch angepasst
Ebenfalls Ports (16-Bit-Nummern) als Kommunikationsendpunkte
Verbindung besteht aus
Sendeportnummer, Sende-IPNummer, Empfangsportnummer, Empfangs-IPNummer
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Datenstrukturen in TCP/IP
Application
Layer
Transport
Layer
Bytestrom
Nachricht
Segment
Paket
Datagramm
Datagramm
Rahmen
Rahmen
TCP
UDP
Internet Layer
Network
Access Layer
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3.3 Einfache IPProtokolle
Internet Control Message
Protocol (ICMP)
z
Hilfsprotokoll auf IP-Ebene
z
z
z
z
ICMP nutzt IP als Transportdienst
z
z
"Partnerprotokoll"
Wird bei Fehlern an Quell-Host zurückgeschickt
Unterstützt Statusanfragen zur Kontrolle und Fehlersuche
Meldet aber keine Fehler über ICMP-Pakete
Verschiedene Meldungen definiert, z.B.
z
z
z
z
Destination unreachable
Time exceeded
Source quench (Transitstation überlastet, fordert Absender
zur Absenkung der Datenrate auf)
Redirect (Router informiert Station über bessere Route)
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Statusanfragen mit ICMP
z
Echo und Echoantwort (echo
request and echo reply)
z
z
Zur Überprüfung der
Aktivität von
Kommunikationssystemen
Empfänger einer Anfrage
sendet in Antwort die
erhaltenen Daten zurück
z
Zeitstempel und
Zeitstempelantwort
(timestamp request and
timestamp reply)
z
z
z
Zur Bestimmung von Paketumlaufzeiten
Meldungen umfassen mehrere Felder zur Aufnahme
von Zeitstempeln,
Damit können Paketbearbeitungszeiten beim
Empfänger und die
Verzögerung im Netz
bestimmt werden
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Beispiel ping
z
Hilfsprogramm zur Bestimmung von RTTs und
Paketverlusten
z
z
Verwendet ICMP-Echo
Erster Test beim Aufbau von Netzverbindungen!
E:\>ping anna.fh-coburg.de
Ping anna.fh-coburg.de [192.129.26.52] mit 32 Bytes Daten:
Antwort
Antwort
Antwort
Antwort
von
von
von
von
192.129.26.52:
192.129.26.52:
192.129.26.52:
192.129.26.52:
Bytes=32
Bytes=32
Bytes=32
Bytes=32
Zeit=76ms
Zeit=76ms
Zeit=75ms
Zeit=75ms
TTL=118
TTL=118
TTL=118
TTL=118
Ping-Statistik für 192.129.26.52:
Pakete: Gesendet = 4, Empfangen = 4, Verloren = 0 (0% Verlust),
Ca. Zeitangaben in Millisek.:
Minimum = 75ms, Maximum = 76ms, Mittelwert = 75ms
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19
Beispiel traceroute
z
z
Bestimmt die Route eines IP-Pakets
Verfahren:
z
z
z
z
z
Absenden von UDP Testpaketen mit kleiner Lebensdauer
(time to live, TTL)
Warten auf eine ICMP-Nachricht "Time exceeded" von
einem Router
Beginnt mit einer TTL von 1 und erhöht dann immer um 1
Drei Testpakete werden mit jeder TTL gesendet
Ausgabe: TTL, Adresse des Routers, RTT
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20
Der schnellste Weg zu Yahoo!
e:\fh>tracert www.yahoo.de
Routenverfolgung zu www2.vip.lng.yahoo.com [217.12.3.11]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
2 ms
3 ms
10 ms
6 ms
15 ms
8 ms
7 ms
6 ms
12 ms
11 ms
15 ms
15 ms
15 ms
16 ms
16 ms
16 ms
33 ms
32 ms
36 ms
31 ms
31 ms
33 ms
[208.51.239.162]
12
32 ms
33 ms
13
31 ms
34 ms
14
33 ms
32 ms
.167]
15
32 ms
32 ms
16
32 ms
32 ms
2
4
14
7
10
14
14
15
31
32
31
über maximal 30 Abschnitte:
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
back26.fh-coburg.de [192.129.26.1]
Wingate.fh-coburg.de [192.129.26.231]
ar-ilmenau2.g-win.dfn.de [188.1.35.197]
ar-ilmenau1-ge4-0.g-win.dfn.de [188.1.69.129]
cr-leipzig1-po5-1.g-win.dfn.de [188.1.70.45]
cr-frankfurt1-po10-0.g-win.dfn.de [188.1.18.189]
so-6-0-0.ar2.FRA2.gblx.net [208.48.23.141]
pos5-0-2488M.cr2.FRA2.gblx.net [62.16.32.77]
pos0-0-2488M.cr1.LON3.gblx.net [67.17.64.34]
so6-0-0-2488M.ar2.LON3.gblx.net [64.212.107.146]
Level-3public-peering.ge-5-0-0.ar2.LON3.gblx.net
32 ms
37 ms
37 ms
ae0-16.mp2.London1.Level3.net [212.187.131.146]
so-3-0-0.mp1.London2.Level3.net [212.187.128.46]
gige11-0.ipcolo1.London2.Level3.net [212.187.129
32 ms
32 ms
unknown.Level3.net [212.113.10.210]
www2.vip.lng.yahoo.com [217.12.3.11]
Ablaufverfolgung beendet.
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21
3.4 Transmission
Control Protocol (TCP)
Ende-zu-Ende-Protokolle
z
Das Netz arbeitet nur "best
effort"
z
z
z
z
z
Verlust von Nachrichten
Umordnung von
Nachrichten
Verdopplung von
Nachrichten
Begrenzung der
Nachrichtengröße
Verzögerung von
Nachrichten
z
Ende-zu-Ende-Dienste:
z
z
z
z
z
z
Garantieren die
Nachrichtenauslieferung
Liefern Nachrichten in der
gesendeten Reihenfolge aus
Liefern genau ein Exemplar
jeder Nachricht
Unterstützen beliebig lange
Nachrichten
Erlauben dem Empfänger,
auf den Nachrichtenfluss
einzuwirken
Unterstützen mehrere
Anwendungsprozesse auf
jeder Station
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23
Transmission Control Protocol
(TCP)
z
z
Protokoll des Transport Layer
Aufgaben
z
z
z
z
z
z
z
z
verbindungsorientierte zuverlässige Übermittlung eines
Bytestroms
Aufbau logischer Ende-zu-Ende-Verbindung zwischen Quell-
und Zielhost
Zerlegung bzw. Wiederzusammensetzen eines Bytestroms in/aus
IP-Paketen
positive Bestätigungen mit Neuübertragung
Flusssteuerung: Sender soll Empfänger nicht überfordern
Überlaufkontrolle: Sender soll Netz nicht überfordern
Multiplexen von Übertragungen innerhalb einer Verbindung bei
Vollduplexbetrieb
ursprüngliche Definition von TCP im RFC 793
z
z
Klarstellungen und Fehlerkorrekturen im RFC 1122
Erweiterungen in RFCs 1323, 2018 und 2581
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24
TCP Overview
Anwendungsprozess
Anwendungsprozess
Schreibe Bytes
…
…
Lies Bytes
TCP
TCP
Empfangspuffer
Sendepuffer
Segment
Segment
…
Segment
Übertrage Segmente
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25
Sockets und Ports
z
Sockets als sender- und empfängerseitige
Kommunikationsendpunkte
z
Socket kann mehrere (ungerichtete) Verbindungen gleichzeitig bedienen
z
z
z
Socketadresse ergibt sich aus IP-Adresse des Hosts und Portnummer
Ports als Dienstzugriffspunkte
z
standardisierte Belegung von Portnummern für Standarddienste, z.B.
z
z
Kennung einer Verbindung durch Paar beteiligter Sockets
Port 21 für FTP, 23 für TELNET, 80 für HTTP ...
Segmente als zwischen Sender und Empfänger ausgetauschte
Dateneinheiten
z
z
ggf. unterwegs Zerlegung von Segmenten durch Router in kleinere
Fragmente
maximale Länge von IP-Paketen definiert Obergrenze für Segmentlänge
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26
Verbindungsaufbau auf TCPEbene
z
Dreiweg-Handshake
Host 1
Host 2
SYN(x)
SYN(y), ACK(x+1)
Angestoßen
durch
CONNECT
ACK(y+1), Daten
•
•
•
SYN : Anfrage Verbindungsaufbau
SYN + ACK : Annahme Verbindung
plus Synchronisation über Folgenummern x, y ...
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27
Verbindungsabbau auf TCPEbene
z
symmetrischer Abbau
z
jede Richtung der Verbindung wird separat beendet
z
z
nach Abbau der einen Richtung können in der anderen weiterhin Daten
übertragen werden
erst nach Abbau beider Verbindungsrichtungen wird Verbindung insgesamt
gelöst
Host 1
Host 2
FIN(x)
ACK(x+1)
Angestoßen
durch
CLOSE
FIN(y)
ACK(y+1)
Angestoßen
durch
CLOSE
• FIN : (gerichteter) Verbindungsabbau
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28
• ACK2004/2005
: Bestätigung Verbindungsabbau
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• plus Synchronisation über Folgenummern x, y ...
TCP-Zustände eines Client
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29
TCP-Zustände eines Servers
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30
Segmentheader
32 bit
Quellport
Zielport
Folgenummer
Bestätigungsnummer
≈Länge
≈
reserviert
Flags
Fenstergröße
Urgent-Zeiger
Prüfsumme
Optionen (beliebig viele 32 Bit-Worte)
≈
≈
Daten (optional)
z
Quellport / Zielport
z
Endpunkte der Verbindung
z
z
zusammen mit IP-Adressen von Sender und Empfänger (aus IP-Header)
Identifikation der Sockets und damit der Verbindung
Portnummer > 255 beliebig belegbar, kleinere Portnummern standardisiert
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31
Segmentheader (2)
32 bit
Quellport
Zielport
Folgenummer
Bestätigungsnummer
Länge
reserviert
Flags
Prüfsumme
≈
≈
z
Urgent-Zeiger
≈
≈
Optionen (beliebig viele 32 Bit-Worte)
Daten (optional)
Folgenummer
z
Bytes eines TCP-Datenstroms fortlaufend numeriert
Segment-Folgenummer ist Nummer des ersten Datenbytes
z
Nummer des als nächstes erwarteten Datenbytes
z
z
Fenstergröße
Bestätigungsnummer
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32
Segmentheader (3)
32 bit
Quellport
Zielport
Folgenummer
Bestätigungsnummer
Länge
reserviert
Flags
Prüfsumme
≈
≈
z
Urgent-Zeiger
≈
≈
Optionen (beliebig viele 32 Bit-Worte)
Daten (optional)
Länge
z
z
Fenstergröße
Zahl der 32-Bit-Worte im Header
Fenstergröße
z
Zahl der Datenbytes ab der Bestätigungsnummer (einschließlich),
die im nächsten Segment der Gegenseite gesendet werden dürfen
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33
Segmentheader (4)
z
Flags: 6 Flags von jeweils 1 Bit Länge
z URG: Kennzeichnung, ob Urgent-Zeiger benutzt wird oder nicht
z ACK: Kennzeichnung, ob Bestätigungsnummer gültig ist oder
z
nicht
PSH: Kennzeichnung von PUSH-Daten
z
z
RST: Signal zum Rücksetzen einer Verbindung
z
z
Verwendung z.B. nach Absturz eines Kommunikationspartners oder
zum Ab-weisen einer Verbindungsanfrage oder eines ungültigen
Segments
SYN: Verbindungsaufbau
z
z
Sendepuffer durch Segment mit gesetztem PSH-Flag geleert
entweder Verbindungsanfrage oder Verbindungsbestätigung (in
Abhängigkeit vom ACK-Flag)
FIN: Verbindungsabbau
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Segmentheader (5)
32 bit
Quellport
Zielport
Folgenummer
Bestätigungsnummer
Länge
reserviert
Flags
Prüfsumme
≈
≈
z
Urgent-Zeiger
≈
≈
Optionen (beliebig viele 32 Bit-Worte)
Daten (optional)
Prüfsumme
z
z
Fenstergröße
Summe der Komplemente aller 16-Bit-Halbworte des Segments
einschließlich IP-Pseudoheader (Quell-, Zieladresse, Protokoll,
Datenlänge)
Urgent-Zeiger
z
Nummer
des- ersten
Bytes
nicht dringlicher
Daten innerhalb
Informationstechnik
für Ingenieure
Computernetze,
Wintersemester
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z
davor liegende Bytes damit implizit als dringend gekennzeichnet
des Segment 35
Segmentheader (6)
32 bit
Quellport
Zielport
Folgenummer
Bestätigungsnummer
Länge
reserviert
Flags
Prüfsumme
≈
≈
z
Fenstergröße
Urgent-Zeiger
≈
≈
Optionen (beliebig viele 32 Bit-Worte)
Daten (optional)
Optionen u.a.
z
z
z
Einigung der Hosts auf maximale Segmentlänge (Voreinstellung: 536 Byte)
Skalierungsfaktor für Fenstergröße
Negative Bestätigung einzelner Segmente
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36
User Datagram Protocol (UDP)
32 bit
Quellport
Gesamtlänge
z
Länge der Daten plus 8 Byte für den Header
Prüfsumme
z
⇒
Dienstzugriffspunkte auf Quell- und Zielhost wie bei TCP
Länge
z
z
Prüfsumme
Quellport / Zielport
z
z
Zielport
Addition der Komplemente aller 16-Bit-Halbworte wie bei TCP
damit Möglichkeit zur verbindungslosen Übertragung roher
IP-Datagramme zwischen Anwendungen
•
z.B. Client/Server-Anwendungen
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