Kommunikationssysteme und das Internet – Teil I

Vorlesung vom 24. April 2017 Birger Krägelin

Inhalt 

OSI-Schichten-Modell  



Verkabelung Ethernet TCP/IP - Protokollfamilie

Grundlagen der Rechnerkommunikation Damit Rechner miteinander kommunizieren können, müssen verschiedene Festlegungen getroffen werden: 

Technische Eigenschaften



Darstellung von Informationen



Kommunikationsverhalten (wer darf wann?)



Verhalten im Fehlerfall

Die Festlegungen bezeichnet man als Protokolle.

Grundlagen der Rechnerkommunikation Für unterschiedliche Anforderungen gibt es jeweils angepasste Festlegungen. Um die Festlegungen einfach und übersichtlich zu machen, werden die Aufgaben in Schichten definiert, die aufeinander aufsetzen. In jeder Schicht gibt es verschiedene Varianten, die gegeneinander austauschbar sind.  

Technik: WLAN, UMTS, DSL verbindungsorientiert (Telefonie) verbindungslos (Daten)

OSI-Schichtenmodell

OSI-Schichtenmodell

Physical Layer – Bitübertragung Aufgaben 

Festlegen der Eigenschaften des Übertragungsmediums (Kupfer, Glasfaser, Funk)



Übertragungsgeschwindigkeit



Bit-Codierung



Modulationsverfahren

Link Layer - Sicherung Aufgaben 



Bilden von Datenpaketen

Sicherung der Übertragung durch RedundanzCodes (CRC)



Zugriffssteuerung



Datenflusskontrolle

Network Layer - Vermittlung Aufgaben 

Ende-zu-Ende-Adressierung



Ende-zu-Ende Datenvermittlung



Wegesuche



Datenpaket-Fragmentierung (Anpassung an Link-Layer-Eigenschaften)

Transport Layer - Datentransport Aufgaben 

Daten-Segmentierung (Paket-Bildung)



Paket-Sortierung und Re-Assembly



Fehler-Sicherung und Fehler-Behebung



Stau-Vermeidung

Session Layer – Kommunikationssteuerung Aufgaben 

Prozess-zu-Prozess-Kommunikation



Verbindungs-Aufbau und –Abbau



Synchronisierter Datenaustausch



Fehlerbehebung, Wiederaufsetzpunkte

Presentation Layer - Darstellung Aufgaben 

Systemabhängige Daten-Darstellung



Zeichencode-Wandlung



Datenkompression



Daten-Verschlüsselung

Application Layer - Anwendung Aufgaben 

Client-/Server-Verbindungen



Normierte Anwendungs-Protokolle   

   

E-Mail Web Dateitransfer Verzeichnisdienste Login Datei-Ablage Druck-Dienste

Physical Layer – im Detail Bitübertragungsschicht - Aufgaben 

Festlegen der Eigenschaften des Übertragungsmediums (Kupfer, Glasfaser, Funk)



Übertragungsgeschwindigkeit



Bit-Codierung



Modulationsverfahren

Strukturierte Verkabelung Es werden drei Verkabelungs-Bereiche unterschieden: 





Primärverkabelung Verbindung von Gebäuden auf einem Gelände Glasfaser oder Telefon-Kabel Sekundärverkabelung Verbindung von Stockwerken untereinander bzw. mit Gebäudeverteiler (Backbone) Glasfaser Tertiärverkabelung Verbindung von Büros auf einem Stockwerk mit Verteilerschrank Twisted-Pair-Kabel

Twisted Pair Kabel 8 Adern, paarweise verdrillt (twisted) 





UTP unshielded twisted pair billigste Variante STP shielded twisted pair paarweise mit Schirm (Folie oder Geflecht) S/UTP screened UTP Folienschirm um alle Paare

heutiges Standard-Kabel

Twisted Pair Kabel Verschiedene Normen 





Category 5 / 5e Standard-Kabel bis 100 MHz, ausreichend für GBit-Ethernet Category 6 bis 250 MHz, bei Neuverkabelungen verwendet mit anderen Steckern für 10GE geeignet Category 7 bis 600 MHz bisher keine Anwendung dafür

Glasfaser-Kabel 

Multimode-Kabel 62,5/125 μ 50/125 μ Moden-Dispersion



Monomode-Kabel 9/125 μ chromatische Dispersion

Serielle Datenübertragung Daten werden bitweise nacheinander übertragen. 

Billige Verkabelung mit wenigen Adern



Wenig Störungen (keine parallelen Kabel)



Nur serielle Übertragungen können moduliert werden.

Ausnahme:  Mit modernen Modulationsverfahren werden mehrere Bits pro Schritt übertragen.

Serielle Datenübertragung Bytes müssen auf der Sendeseite in Bitfolgen gewandelt werden und auf der Empfängerseite wieder zurückgewandelt werden. 

Welches Bit kommt als erstes? MSB - most significant bit first LSB - least significant bit first



Wie erkenne ich, wann das erste Bit kommt?



Wie trenne ich die Bytes?

Byteweise Übertragung Üblicherweise wird LSB-Übertragung verwendet. 







Ruhezustand auf der Leitung Mark - logisch 1 Startbit zeigt Beginn der Übertragung an Startbit - logisch 0 Datenbits in LSB-Reihenfolge Stopbit zeigt Byte-Ende an Stopbit - logisch 1

Fehlererkennung Bei der Übertragung können Störungen auftreten. Bei der ASCII-Übertragung werden Parity-Bits eingefügt. 

even parity -

gerade Anzahl 1



Odd parity

-

ungerade Anzahl 1

7E1 7O1 8N1

-

7 Datenbits + parity even 7 Datenbits + parity odd 8 Datenbits no parity



Byteweise Übertragung

Aufgabe: 

Zeichnen Sie ein Diagramm für die Übertragung des Zeichens h (0x68) in 8N1

Link Layer – im Detail Sicherungsschicht - Aufgaben 



Bilden von Datenpaketen

Sicherung der Übertragung durch RedundanzCodes (CRC)



Zugriffssteuerung



Datenflusskontrolle

Ethernet: Entwicklung Anfang der 70er Jahre am Xerox PARC von Robert Metcalfe entwickelt. 

Thickwire / Yellow cable



Thinwire / Cheapernet

Adressen Ethernet verwendet weltweit eindeutige Adressen: 

48 Bit, Schreibweise hexadezimal 00:14:51:ee:6e:da







Adressen werden vom Hersteller des Adapters vergeben

Hersteller-Codes (erste drei Bytes) von IEEE vergeben Broadcast-Adresse "alle Stationen" ff:ff:ff:ff:ff:ff

Datenpakete Ethernet-Pakete sind variabel lang, min. 64 Byte, max. 1518 Byte. 







Destination-Adresse, Source-Adresse jeweils 6 Byte Typ-Feld (höheres Protokoll) 2 Byte

Nutzdaten 46 – 1500 Byte CRC-32 (frame check sequence) 4 Byte

Datenpakete

Zugriffsverfahren: CSMA-CD







Carrier Sense Stationen erkennen, ob das Kabel elektrisch in Ordnung ist. Multiple Access Stationen dürfen unabhängig (gleichzeitig) auf das Netz zugreifen. Collision Detect Stationen erkennen, ob ein Datenpaket zerstört wurde.

Geschwindigkeiten Ethernet hat eine lange Entwicklung hinter sich. 

10 MBit/sec ursprüngliches Ethernet, auf Koax-Kabel



100 MBit/sec Fast-Ethernet, heute am meisten verbreitet



1 GBit/sec Gigabit-Ethernet, Standard für Stationen



10 GBit/sec 10GE, im Backbone, für Hochleistungs-Server



100 GBit/Sec 100GE, derzeit in Entwicklung und Normung

WLAN - Standards Drahtlose Netze sind unter den Bezeichnungen ihres Standards bekannt: 







802.11b (1999) 11 MBit/sec 802.11a (1999) 54 MBit/sec 802.11g (2003) 54 MBit/sec

802.11n (2009) bis 600 MBit/sec

2,4 GHz 802.11h (Europa 2002)

5 GHz

2,4 GHz Draft-N (Vorabversion)

2,4 GHz und 5GHz

Zugriffsverfahren CSMA-CA 





Carrier Sense Stationen lauschen, ob ein Datentransfer stattfindet Multiple Access Stationen dürfen unabhängig (gleichzeitig) auf das Netz zugreifen. Collision Avoidance Station sendet zuerst ein RTS (request to send) an Access-Point Access-Point genehmigt die Übertragung und antwortet mit CTS (clear to send)

Frequenzen und Kanäle Der Frequenzbereich ist in mehrere Kanäle aufgeteilt. 

13 Kanäle Breite Abstand



25 MHz 5 MHz

Kanäle überlappen sich

 Störungen

MIMO-Techniken 802.11n nutzt zur Steigerung der Geschwindigkeit die Überlagerung von mehreren gleichzeitigen Übertragungen. 

Mehrere Antennen für Senden und Empfangen



Reflexionen und Laufzeitunterschiede



Schnelle Signalprozessoren rekonstruieren die gesendeten Signale.

Verschlüsselungsverfahren Im Funknetz kann jeder mithören oder gefälschte Daten verschicken. 







Verschlüsselung der Daten zwischen Station und Access-Point ergibt Sicherheit einer kabelgebundenen Verbindung. WEP-Verfahren (wired equivalent privacy) ist wegen Design-Fehlern gebrochen. WPA mit TKIP (temporal key integrity protocol) ist ebenfalls unsicher. WPA2 verwendet AES zur Verschlüsselung (advanced encryption standard)

WPA2 Wi-Fi Protected Access Stufe 2 implementiert mehrere Sicherheitsverfahren: 





Verschlüsselung mit AES

Passwort-Authentifikation mit Preshared Key mit 63 Zeichen Länge Username/Passwort-Authentifikation in Unternehmensnetzen (benötigt einen RADIUS-Server)

Network Layer – im Detail Vermittlungsschicht - Aufgaben 

Ende-zu-Ende-Adressierung



Ende-zu-Ende Datenvermittlung



Wegesuche



Datenpaket-Fragmentierung (Anpassung an Link-Layer-Eigenschaften)

Die Protokolle des Internet

Historie des Internet 1969

Start des ARPANET als Forschungsnetz (US-Verteidigunsministerium)

1982

Netzwerk-Protoll TCP/IP

1989

Anschluss Deutschlands an das Internet

1989

Entwicklung der Hyperlinks (Tim Berners-Lee am CERN, Genf)

1993

Beginn des WWW (World Wide Web) 1. grafischer Browser Mosaic (entwickelt am NCSA, Illinois USA)

Normen des Internet Die Community selbst arbeitet an den Normen des Internet, es gibt keine offizielle Standardisierungs-Organisation. Die Normen des Internet werden als RFC veröffentlicht.

(request for comment) Ein RFC wird zur Norm  wenn das Beschriebene relevant ist  wenn die Community zustimmt  wenn es mehrere Implementierungen gibt

RFCs sind für Alle verbindlich und werden eingehalten.

Einige ausgewählte RFCs 

RFC 791

internet protocol



RFC 793

transmission control protocol



RFC 1035

domain names





 

RFC 5322 internet message format Nachfolger für RFC 822/2822/4021

RFC 1149 internet datagrams on avian carriers (Datenpaketbeförderung mit Brieftauben) RFC 2100 naming of hosts (… is difficult) RFC 2410 the NULL encryption algorithm

IP-Adressen IP verwendet weltweit eindeutige Adressen: 







32 Bit, Schreibweise dezimal 192.168.178.21 Adressen werden von einer Registrierstelle oder vom Internet Service Provider vergeben

IP-Adressen bestehen aus Netzwerknummer und Host-Adresse Broadcast-Adresse "alle Stationen" bei Hostadresse alle Bits 1

Klassen Früher wurden die Adressen in Klassen eingeteilt: 





Klasse A Netzwerknummer Hostadresse

8 Bit 24 Bit

(0 .. 127)

Klasse B Netzwerknummer Hostadresse

16 Bit 16 Bit

(128.0 .. 191.255)

Klasse C Netzwerknummer Hostadresse

24 Bit 8 Bit

(192.0.0 .. 223.255.255)

Subnetze / Netzmasken Heute wird für Adressen immer eine Netzmaske angegeben: 





Klasse A 84.0.0.0/8

Fa. Cisco

Klasse B 129.13.0.0/16

Universität Karlsruhe

Klasse C 192.196.6.0/24

Duale Hochschule Karlsruhe

Mit Netzmasken sind auch andere Netzwerkgrößen möglich: 

153.96.0.0/15

Fraunhofer-Gesellschaft



78.47.29.192/29

teamx.leute.server.de

Netzmasken Eine Folge von 1-Bits legt den Bereich der Netzwerknummer fest, die folgenden 0-Bits den Bereich der Host-Adresse. 

Netzmaske /24 11111111 11111111 11111111 00000000 255.255.255.0

Von den resultierenden Hostnummern sind zwei reserviert: 

Alle Bit 0

Netzwerknummer



Alle Bit 1

Broadcast-Adresse

IP - Datenpaket

IP - Datenpaket Kopf des Paketes besteht aus: 

Länge des Kopfes



Länge des Datenpaketes



Time to Live – Feld



Typ



IP-Adressen

verhindert endlos kreisende Pakete

höheres Protokoll (Sender, Empfänger)

Typfeld – höhere Protokolle Protokolle der Transportschicht: 

TCP

transmission control protocol

realisiert eine verlässliche Verbindung 

UDP

user datagram protocol

ungesicherte Verbindung Reaktion auf Datenverlust durch Anwendung

Routing Routing ist die Suche eines Weges zur Zielstation und die Vermittlung der Datenpakete: 

Zielstation im gleichen Netzwerk Versenden als Ethernet-Paket an Host



Zielstation in anderem Netzwerk Bestimmen des nächstgelegenen Routers Versenden als Ethernet-Paket an Router

Routing-Tabellen Informationen über Netze und next hop sind in umfangreichen Tabellen gespeichert. 





Normaler Host hat nur wenige Einträge Normaler Router kennt das vollständige Unternehmensnetzwerk Router bei Internet Service Provider kennt das ganze Internet

Default-Routing Jeder Host kennt seinen Default-Router. 





Über diesen Router sind der Rest des Unternehmens und das Internet erreichbar. Default-Router ist im eigenen Netzwerk. Wird vom Administrator konfiguriert oder dynamisch zugewiesen.

Video

Transport Layer – im Detail Datentransportschicht - Aufgaben 

Daten-Segmentierung (Paket-Bildung)



Paket-Sortierung und Re-Assembly



Fehler-Sicherung und Fehler-Behebung



Stau-Vermeidung

Variante 1: Das Protokoll TCP Transmission Control Protocol 

Dient zum zuverlässigen Datentransfer für Anwendungsprotokolle 

verbindungsorientiert



Ende-zu-Ende Verbindung



Voll-Duplex (gleichzeitig bidirektional)



behandelt Paketreihenfolge



behandelt Paket-Verlust

TCP-Datenpaket

TCP-Datenpaket Kopf des Paketes besteht aus: 

Port-Nummern

(Sender, Empfänger)



Sequenznummer



Acknowledge-Nummer



diverse Flags

Ports und höhere Protokolle Ports dienen zur Identifikation der höheren Protokolle (der Anwendungen). Client-seitig sind die Ports dynamisch. 

Port 25

SMTP

simple mail transfer



Port 80

HTTP

hypertext transfer



Port 110

POP3

post office

Port 139 Port 445

NETBIOS Microsoft

 

windows network active directory

Variante 2: Das Protokoll UDP User Datagram Protocol 

Dient zum (nicht zuverlässigen) Datentransfer für Anwendungsprotokolle 



verbindungslos Paketverlust und Paketreihenfolge müssen von Anwendung behandelt werden



Kaum Overhead



Hohe Datenraten im LAN

UDP-Datenpaket

UDP-Datenpaket Kopf des Paketes besteht aus: 

Port-Nummern

(Sender, Empfänger)



Länge

(Header + Daten)



Checksumme

Ports und höhere Protokolle Ports dienen zur Identifikation der höheren Protokolle (der Anwendungen). Client-seitig sind die Ports dynamisch. 

Port 53

DNS

domain name service



Port 69

TFTP

trivial file transfer

Port 137 Port 445

NETBIOS Microsoft

 

name service file sharing

Fragen ??