23.05.00

Übersicht OSI-MODEL
Schicht
Layer
7
A p plic at ion
Anwendungsprotokoll
A n wendung
7
Schnittstelle
Interface
Darstellungsprotokoll
6
P res entation
5
S e s s io n
4
T ra n s p o rt
3
N et w o r k
Vermittlung
2
D at a l in k
Sicherung
Sicherung
1
P h y s ic al
Bitübertragung
Bitübertragung
Sitzungsprotokoll
Transportprotokoll
D ar s tellung
6
S itz u ng
5
Trans port
4
V e rmittlung
3
S ic herung
2
Bitübertragung
1
Grenze des Kommunikations-Subnets
Vermittlung
Internes Subnet-Protokoll
Host B
Host A
Schicht 3
Vermittlungsschicht ermöglicht netzübergreifenden Verkehr
Aufgaben:
• netzweite Adressierung
• Routing
• Aufbau, Betrieb, Abbau netzweiter Verbindungen
• Kopplung von Teilnetzen
• Umsetzung unterschiedlicher Formatierungen von Nachrichten
• unterschiedliche Zugriffsverfahren
• Anpassung unterschiedlicher Netzdienste
Kopplung von Teilnetzen
– Repeater
→
Schicht 1
– Brücke (bridge)
→
Schicht 2
– Router
→
Schicht 3
– Gateways
→
höhere Schichten
Verkehrsseparierung, Adressierung,
Routing, ...
Netz
Datagramm-Netz
Nachrichten in einzelne Datagramme zerlegen
evtl. auf unterschiedlichen Wegen zum Empfänger
Probleme: Reihenfolgeumstellung
Unzuverlässigkeit
Verlust von Paketen
Laufzeitunterschiede
Netze mit virtuellen Schaltkreisen
1. Verbindungsaufbau
2. Datentransferphase
3. Verbindungsabbau
Schicht - 3- Dienste
verbindungslos/verbindungsorientiert
Dienst
verbindungsorientiert
verbindungslos
Netz
virtuelle Schaltkreise
verbindungslos
Datagramm
V erb in d u n g sp ro to k o ll:
– V e rb in d u n g sau fb au, D aten tra n sfer, V e rb in d u n g sab bau
– K a n aln um m e rn
– P aram e ter d es Q o S
– reih e n fo lg etreu e Ü b ertra g u n g
– F lu ß k o n tro lle
2 Philosophien
1) Möglichst umfassender, zuverlässiger Netzdienst
(wird vom Netzbetreiber angeboten)
– einfache Tarifierung für den Netzbetreiber
– zuverlässiger Ende-zu-Ende - Dienst für den Nutzer
(wenig Komplexität nötig)
2) Netzdienst nicht garantiert zuverlässig
– Nutzer muß für zuverlässige Ende-zu-Ende-Verbindung
Komplexität auf Schicht 4 hinzufügen
→ Schicht 3 kann einfach (verbindungslos) gestaltet werden
Routing
Aufgabe: "günstigsten" Weg vom Sender zum Empfänger bestimmen
Routingtabellen in den einzelnen Knoten
eindimensional
–
Entscheidung hängt nur vom Zielknoten ab
zweidimensional
–
Entscheidung hängt vom Sende- und Zielknoten ab
A
C/B
Sender
C
B
A/B
Empfänger
S Z
L
Routing
Kriterien für "Optimalität"
• kurze Antwortzeit
• hoher Durchsatz
• Vermeidung lokaler Überlastsituationen
• Sicherheitsanforderungen
• kürzester Weg
"optimale" Wegwahl ist prinzipiell nicht möglich, da:
– keine vollständige Information über das Netz
in den einzelnen Knoten vorliegt
– Wegwahl auf gewissen Zeitraum Auswirkungen hat
Routing-Algorithmen
Routing
statisch
determ.
adaptiv
stochastisch
zentralisiert
determ.
isoliert
stochast. determ.
verteilt
stochast.
global
lokal
determ.
stochast.d eterm.
stochastisch
Festes Routing
• Source-Routing: Route wird vom Sender vorgegeben
IP-Header
Payload
3,5,7,8
• Internes Routing:Routingentscheidung durch Zwischenknoten
starres Auswahlkriterium
2
3
L3
L2
1
4
L1
5
nach Knoten 1
2
3
4
5
via Leitung L2
L2
L3
–
L1
y
stabil
y einfach
y
y
keine Reaktion auf sich ändernden Netzzustand
katastrophal bei Ausfall von Links oder Knoten
Flooding
in
Knoten gibt Paket über alle Links
→ hohe Zuverlässigkeit
große Anzahl von kopierten Datenpaketen
→ militärische Anwendungen
Probabilistisches Routing
1
p1
2
p2
3
A
B
L
P(L)
1
25%
2
25%
3
30%
4
20%
L
P(L)
1
75%
2
25%
3
-
4
-
4
A
pn
B
"Hot Potato"
Ausgangsleitung, die aktuell am wenigsten belastet ist
1 50 %
2 20 %
L3
L4
3 90 %
L2
A
B
L4
Problem: "Kreisen"
Abhilfe: Liste der zuletzt besuchten Knoten mitführen
"Hot Potato"
Berücksichtigung der
Handovernummer
–
Shortest Queue ohne Bias
–
Shortest Queue mit Bias
Lokale Schätzverfahren
nach via
Knoten
L1
L2
L3
1
4
8
7
2
5
1
3
6
4
L1
in
L2
L3
Knoten
via
1
L1
3
2
L2
3
3
L3
min
Routing-Kriterium
TD = Time Delay
i = Zielknoten
L = ausgehende Leitungen
min TD (i,r)
r
z.B. L1, L2, L3
♦ "Hot Potato":
TD(i,r) =
Restabarbeitungszeit
an der Leitung Lr
♦ festes Routing:
TD(i,r) =
minimale Laufzeit nach
Zielknoten i über Lr
♦ Backwards Learning: TD(i,r) = k·TD(i,r)+(1-k)·Tin(i,r) 0 ≤ k < 1
i
j
Adaptive Verfahren
NCC
y Network Control Center (NCC)
– gibt Routingstrategien und Netzinformationen in regelmäßigen
Zeitabständen an alle Knoten
– Routingentscheidung lokal durch Knoten
y verteiltes Routing
– lokal aufgestellte Routingtabellen werden durch regelmäßigen
Informationsaustausch mit Nachbarknoten aktualisiert
LSA: Link State Advertisement / Announcement
i
Kooperierende Routing - Verfahren
• eigene (lokale) Delay-Schätzungen
• regelmäßiger Informationsaustausch zwischen Nachbarknoten
Ui
i
Uj
• Tabelle TDj mit Einträgen TDj(i, L) wird geschätzt
j = Knoten
i = Ziel
L = Leitung
 min {TDj (i, L)}
i≠j
• Uj(i) := 
 0
i=j
Tabelle der erwarteten Restlaufzeiten
• Tabellen Uj werden regelmäßig zwischen Nachbarn ausgetauscht
• Aktualisierung der Tabelle TDj anhand
der Informationen von den Nachbarknoten:
Uk(i)
j→K → i

TDj(i, Ljk) := 

P(i, Ljk) + Uk(i)
i≠j
0
i=j
Sukzessive Informationsfortpflanzung
Informationen müssen zuverlässig sein
sonst: (bekannteKatastrophe)
Christmas Deadlock:
Ein Knoten j meldete Uj = (0, . . . , 0)
Folge: Fast gesamter Verkehr wurde über j geleitet
⇒ Zusammenbruch
Nachteile:
– unzuverlässige Informationen gefährlich
–
Informationsausbreitung dauert eine gewisse Zeit
–"Schweinezyklus"-Effekt
–
zusätzlicher Overhead
Informationsaustausch
1.) Informationsaustausch mit Nachbarn
- RIP
- Bellmann-Ford, Ford-Fulkerson
- Distance Vector Routing
SP1
SP3
SP2
2.) Globaler Informationsaustausch
→ Link State Routing
Knoten LSA: Link State Advertisements
LSA1
.
.
.
LSAm
Service Provider
j
Internet – Protokoll (IP)
" T C P / IP " e n ts p ric h t S c h ic h te n 3 u n d 4 d e s O S I-M o d e ls
OSI
vs.
TCP / IP
Verarbeitung
Darstellung
Sitzung
Transport
Vermittlung
Sicherung
Bitübertragung
Application
Transport
Network
Link
Media
Telnet, FTP, SMTP, HTTP
TCP, UDP
IP, ICMP, IGMP
Device Drivers
Interface Card
I P : tra n s p a re n te , v e rb in d u n g s lo s e Ü b e rtra g u n g v o n D a ta g ra m m e n
I P - A d r e s s i e r u n g : ( I P V s .4 )
• h ie ra rc h is c h
• 4 A d re s s e n fo rm a te
• A d re s s e n lä n g e : 3 2 b it
• 3 N e tz k la s se n
• M u ltic a s t
IP - Routing
FTP Client
FTP Client
TCP
TCP
Routing
IP
IP
IP-Protocol
Ethernet Driver
Ethernet
Protocol
Ethernet
Driver
IP
IP-Protocol
Token Ring
Driver
Token
Ring Token Ring Driver
Protocol
Token Ring
Ethernet
IP-Datagramm IPv4
0 4 Bit
Version
31
4 Bit
IHL
F D M Fragment Offset
Identification
Time-to-live
Header
total length
Type of Service
Protocol
Header Checksum
Sender IP-Name
fester
Headerteil
20 Byte
Receiver IP-Address
Options
Datenteil
Optionen
0...40 Byte
DATA
Version:
IP-Versionsnummer (⇒ mehrere IP-Versionen gleichzeitig einsetzen)
IHL:
IP-Header-Length (in 32 Bit-Worten ≥ 5, ≤ 15 ⇒ Optionen max. 40 Byte)
IP-Datagramm IPv4
Type of Service:
3Bit Precedence Priorität
( 0 (normale Datagramme) bis 7 (Steuerungspakete))
D Delay
- (kurze) Verzögerung
T Throughput
- hoher Datendurchsatz
R Reliability
- große Zuverläsigkeit
C Minimize Monitoring Cost
1 Bit
- frei
wird in der Regel nicht beachtet !
total length:
Länge gesammtes Datagramm (in Bytes) ≤ 216-1 = 65535 Bytes
Identification:
alle Fragmente eines Datagrammes erhalten gleiche Identification
D-Bit:
Don't Fragment
(alle Router müssen Fragmente ≤ 576 Byte bearbeiten)
M-Bit:
More Fragments
(auf "1" gesetzt bei allen Fragmenten bis auf das letzte eines
Datagrammes)
IP-Datagramm IPv4
Fragment Offset:
(13 Bits) Numerierung der Fragmente eines Datagrammes
[13 Bits ⇒ 213 = 8192 Fragmente numerieren
jedes Fragment muß mind. 8 Byte Daten haben
⇒ 8192 * 8 Byte = 65536 Byte]
Time-to-Live:
(8 Bits) Lebenszeit von Datagrammen begrenzen
max. 255s Lebensdauer zulässig (Hops und Verweilzeit in Routern)
tatsächlich werden nur Hops gezählt
max. Wert erreicht ⇒ Datagramm verwerfen + Warnpaket an
Quellhost
Protocol:
welches Transportprotokoll in Datenteil (UDP,TCP,...), feste Nummer
Header Checksum:
Komplement der Summe der 16-Bit-Wörter des Headers (nur des
Headers)
Header ändert sich von Router zu Router (Time-to-Live-Feld)
⇒ jeweils Checksum neu berechnen
IP-Datagramm IPv4
OPTIONEN:
Security:
wie geheim ist Paket (Ziel z.B. bestimmte Länder/Netze umgehen)
Strict Source Routing:
Kompletter Pfad vom Quell- zum Zielhost
Loose Source Routing:
Liste von Routern, die in angegebener Reihenfolge durchlaufen
werden sollen (weitere Router erlaubt)
Record Route:
Aufzeichnen IP-Adressen der durchlaufenen Router
(max. 9 IP-Adressen möglich)
Time Stamp:
Record Route (je 32 Bit) + Zeitstempel (je 32 Bit)
Subnet und Broadcast
000...00
Für Sonderzwecke
Class A
1 - 126
126 Netze
111...11
0
24Bit für Host
≈16 Mio Hosts
Netzteil
16382 Netze
Class B
Subnet
128.1 - 191.254
1 0
16 Bit für Host
Netzteil
Class C
Host
≈ 64000 Hosts
192.1.1 - 223.254.254
1 1 0
8 Bit für Host
Netzteil
≈ 2 Mio Netze
Class D
1110
Class(E 11110
254 Hosts
Multicast-Adresse 28 Bits
für zukünftige Anwendungen)
Subnet und Broadcast
Class B: 3. Octet subnet 137.226.12.xxx
,,
Class B Subnet
Blaubaer: 137.226.12.136
10 001001. 11100010. 00001100. 10001000
PC´s, Mac´s
Unix-WS
(Fachgruppe Informatik)
Serial Line IP SLIP
- nur für IP
- keine Fehlerüberwachung
(→ Fehlerüberwachung in höheren Schichten)
- keine dynamische Adressenzuweisung Für
Internet
- keine Authentifikation
-zugang
über
Provider
wenig
geeignet
Point-to-Point Protokoll PPP
Ähnlich HDLC
- Verbindungssteuerung
LCP Link Control Protocol
- Übertragung in Rahmen mit (optionaler) Fehlersicherung
- Unterstützung der Vermittlungsschicht
NCP Network Control Protocol
(pro Protokoll der Vermittlungsschicht jeweils eigenen
NCP)
IP: dynamische Zuweisung von IP-Adressen
- Verbindungsaufbau Schicht 1 (Modem-Verbindung)
- Verbindungsaufbau auf Schicht 2 (PPP-Verbindung)
Mit LCP (LCP-Pakete im Nutzdatenteil von PPPRahmen)
Festlegen von PPP-Parameter
Point-to-Point Protokoll PPP
- Konfiguration der Schicht 3 mit NCP (NCP-Pakete in
PPP-Paketen)
- Schicht 3-Übertragung möglich (Internet-Zugang)
- Internet-Zugang beenden
- Vermittlungsschicht beenden mit NCP (IP-Adresse
freigeben)
- Mit dem LCP Verbindungsabbau auf Schicht 2 (PPP)
- Modem-Verbindung (phys. Schicht) beenden
Internet-Service-Provider ISP
Internet
Modempool
a/b
Modem
ISDN
User
ISP
PPP-Rahmen
1
1
01111110
11111111
Address
1
00000011
1/2
Protokoll
Standard ≤ 1500 Byte
Nutzdaten
2/4
1
Prüfsumme Flagge 01111110
Steuerung
i.d.R keine Folgenummern
Protokoll : (Standard 2 Byte)
Pakete welchen Protkolls im Nutzdatenfeld
0.......
Protokolle der Vermittlungsschicht
1.......
Protokolle für die Verhandlung mit anderen Protokollen (LCP, NCP,...)
Flagge wird - im Gegensatz zu HDLC- zeichengestopft
LLC: : Länge des Protokollfelds
max. Länge des Nutzdatenfeldes
Länge der Prüfsumme
Folgenummern ja/nein
Address Steuerungs-Byte weglassen
....
INTERNET
Hosts
Hosts
Ethernetadressen
Teilnetz
LAN
LAN
Ethernet
Router
ISP
LAN
a/b
ISDN
(HDSL)
User/Host
Ethernet
Ethernet
flache Adressierung
48 Bit
IP-Adresse:
weltweit bekannt
Ethernet-Adresse:
i.d.R. nur im lokalen Netz bekannt
Abbildung IP-Adresse auf die Ethernet-Adresse erforderlich
ARP (Adress Resolution Protocol)
lokal:
IP-Adresse
Ethernet Adresse
ARP
liegt kein Tabelleneintrag vor:
Broadcast-Anfrage
Sender
Sender
IP-Adresse
Ethernet-Adresse
Ziel
Ziel
IP-Adresse
Ethernet-Adresse
RI
RE
Router
ZI
Antwort
Sender
Sender
IP
Ethernet
ZI
ZE
Ziel
Ziel
IP
Ethernet
RI
RE
ARP
D
A
B
C
E
H
B kennt
I
J
F
G
K
IP + Ethernet-Adressen von A, C, D und die eigene
IP-Adressen der anderen Rechner
B sendet an E ein Datenpaket
B:
D:
Adresse
IP
Quelle
B
Ziel
E
Ethernet
B
D
IP
B
E
Ethernet
D
E
RARP
Reverse Address Resulution Protocol
Ethernet-Adresse bekannt,
Internet-Adresse erfragen
Internet-Anwendungen
ANWENDUNGEN
TCP
UDP
IP
ARP
ARP
IP-Adresse
IP-Adresse
Ethernet-Adapter
Ethernet-Adapter
IP-Router
Ethernet 1
Ethernet 2