• Anwendungsschicht:

  • Unterstützung von Netzwerkanwendungen

    • FTP

    • SMTP

    • HTTP

• Transportschicht:

  • Datentransfer zwischen Prozessen

    • TCP

    • UDP

• Netzwerkschicht (auch Vermittlungsschicht):

  • Weiterleiten der Daten von einem Sender zu einem Empfänger

    • IP

    • Routing-Protokolle

• Sicherungsschicht:

  • Datentransfer zwischen benachbarten Netzwerksystemen

    • PPP

    • Ethernet

• Bitübertragungsschicht:

  • Bits auf der Leitung

Netzwerkschicht:

• Auch: Vermittlungsschicht oder Network Layer

• Daten von der nächsthöheren Schicht (Transportschicht) des Senders entgegennehmen

• In Datagramme verpacken

• Durch das Netzwerk leiten

• Auspacken des Vermittlungspakets beim Empfänger

• Ausliefern der Daten an die nächsthöhere Schicht (Transportschicht) des Empfängers

• Netzwerkschicht existiert in jedem Host und Router!

• Weiterleiten von Paketen (Forwarding):

  • Router nimmt Paket auf einer Eingangsleitung entgegen

  • Router bestimmt die Ausgangsleitung anhand lokaler Informationen (z.B. Routing-Tabelle)

  • Router legt das Paket auf die Ausgangsleitung

• Wegewahl (Routing):

  • Router kommunizieren miteinander, um geeignete Wege durch das Netzwerk zu bestimmen

  • Als Ergebnis erhalten sie Informationen, wie welches System im Netzwerk zu erreichen ist (z.B. wird eine Routingtabelle mit Einträgen gefüllt)

Analogie:

Routing = Planen einer Strecke für eine Autofahrt

Weiterleitung = Verhalten an einer Autobahnkreuzung

• Kein Verbindungsaufbau auf der Netzwerkschicht

• Router halten keinen Zustand für Ende-zu-Ende-Verbindungen

  • Auf Netzwerkebene gibt es das Konzept einer “Verbindung” nicht

• Pakete werden unter Verwendung einer Zieladresse weitergeleitet

  • Pakete für dasselbe Sender-Empfänger-Paar können unterschiedliche Pfade nehmen

• Links haben eine Maximalgröße für Rahmen

• Diese nennt man Maximum Transmission Unit (MTU)

• Verschiedene Links haben unterschiedliche MTUs

• IP-Datagramme müssen unter Umständen aufgeteilt werden

  • Aufteilung (Fragmentierung) erfolgt in den Routern

  • Zusammensetzen (Reassembly) erfolgt beim Empfänger

  • IP-Header enthält die notwendigen Informationen hierzu

• Praktisch:

  • Endsystem/Anwendung muss sich keine Gedanken über die Größe von MTUs verschiedener Links auf dem Weg vom Sender zum Empfänger machen

• Entspricht dem Prinzip einer geschichteten Architektur

  • Aber:

    • Aufwand in den Routern

    • Wenn ein Fragment verloren geht, ist das ganze Datagramm verloren

  • Daher: Fragmentation considered harmful!

  • Lösung:

    • Bestimmen der kleinsten MTU des Weges (Path MTU)

    • Setze DF (Don't-Fragment-Bit) im Header des IP-Paketes

    • Wenn fragmentiert werden soll, wird das Paket verworfen und der Sender per ICMP benachrichtigt

    • Sender wählt dann kleinere MTU

    • Wiederholen, bis akzeptable MTU gefunden wurde

• IP-Adresse: 32-Bit-Kennung für das Interface (Schnittstelle) eines Endsystems oder eines Routers

• Interface: Verbindung zwischen dem System und dem Link

  • Wird normalerweise durch eine Netzwerkkarte bereitgestellt

  • Router haben typischerweise mehrere Interfaces

  • Endsysteme können ebenfalls mehrere Interfaces haben

  • Jedes Interface besitzt eine IP-Adresse

IP-Adresse

• netID: die oberen Bits der Adresse, identifiziert ein Netzwerk

• hostID: die unteren Bits der Adresse, identifiziert ein Interface eines Systems

  
  

(Sub-)Netzwerk

• Alle Interfaces mit derselben netid formen ein Netzwerk

• Alle Interfaces eines Netzwerkes können sich direkt (ohne einen Router zu durchqueren) erreichen

• Früher wurden IP-Adressen in Adressklassen aufgeteilt

• Die Klasse bestimmte das Verhältnis der Längen netid/hostid

• Dies nennt man „classfull“ addressing oder auch klassenbasierte Adressierung

Netz-Adressierung

• Reservierte Adressen

  • Host-ID = 0; kennzeichnet das Netz als Ganzes

  • Netz-ID = 0; interpretiert als „dieses Netz“

  • Netz-ID = 0 und Host-ID = 0; „Ausgangsadresse“ beim Bootvorgang

  • Netz-ID = 127; Software-Loopback-Tests

  • Host-ID = 255; Broadcast-Adresse

  • Net-ID und Host-ID = 255.255.255.255; lokale Broadcast-Adresse

• Netz-Adressierung

  • „Private“ IP-Netze Für kleinere „private“ LAN wurde aus jeder dieser Adress-Klassen bestimmte Bereiche ausgeklammert.

    • Adressen aus diesen Bereichen werden niemals öffentlich vergeben

    • Adressen aus diesen Bereichen werden niemals im Internet geroutet

      10.0.0.0 bis 10.255.255.255 (ca. 16 Mill. Hosts) 172.16.0.0 bis 172.31.255.255 (ca. 16 x 65.000) 192.168.0.0 bis 192.168.255.255 (ca. 256 x 256)

• Verteilung der Adressen:

  • Durch zentrale Organisationen (z.B. IANA)

  • Netzweise (also z.B. Klasse-B-Netz für ein Unternehmen)

  • Relativ chaotisch:

    • Zuteilung der numerisch nächsten netid an den nächsten Nachfrager

• Probleme:

  • Verschwendung von IP-Adressen:

    • Das Unternehmen könnte 2 16, also mehr als 65.000 Adressen vergeben

    • Nur ein Bruchteil davon wird genutzt

  • Routing-Tabellen werden schnell sehr groß:

    • Ein Eintrag für jede netid

    • Keine Möglichkeit, Einträge zusammenzufassen

  • Routing-Tabellen müssen mit hoher Frequenz aufgefrischt werden

    • Immer, wenn ein Netzwerk hinzukommt, wegfällt oder sich verändert, muss dies im ganzen Internet bekanntgegeben werden

• Idee:

  • Die Aufteilung nach netid/hostid wird immer explizit per Subnetzmaske durchgeführt

  • Keine explizite Unterscheidung zwischen netid und subnetid

• Schreibweise:

  • a.b.c.d/x, wobei x die Länge der netid (hier auch Präfix oder englisch prefix) bestimmt

  • Alternative Schreibweise zur Subnetzmaske

    • 192.48.96.0/23

• Durch manuelle Konfiguration:

  • IP-Adresse

  • Subnetzmaske

  • Weitere Parameter

• DHCP:

  Dynamic Host Configuration Protocol:

  • dynamisches Beziehen der Adresse von einem Server

  • “Plug-and-Play”

Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP)

• Ziele von DHCP

  • Automatische Vergabe von Adressen und Parametern

  • Keine Konfiguration der Endsysteme notwendig

  • Unterstützung von mobilen Benutzern

• Prinzipieller Ablauf

  • Endsystem schickt eine DHCP-Discover-Nachricht per IP-Broadcast (Adresse 255.255.255.255)

  • DHCP-Server antwortet mit einer DHCP-Offer-Nachricht

  • Endsystem beantragt eine IP-Adresse: DHCP-Request-Nachricht

  • DHCP-Server vergibt Adresse: DHCP-Ack-Nachricht

• Wie bekommen Endsysteme ihre IP-Adresse (und andere Parameter der Netzwerkschicht, wie z.B. die Subnetzmaske)?

  • Manuelle Konfiguration ist Fehleranfällig

    ->Lösung: Automatische Zuweisung mithilfe des Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP), RFC 2131

• DHCP kann zudem:

  • Verschiedene Arten der Adresszuweisung (vorkonfiguriert, permanent, temporär)

  • Verlängerung und Rückgabe der Adresse durch den Client

  • Konfigurieren von Parametern

Motivation:

• Häufig hat man nur eine IP-Adresse, aber mehrere Endsysteme

• Diese ist meist nur temporär (per DHCP) zugewiesen

• Man möchte bei einem Provider-Wechsel nicht die IP-Adressen der Endsysteme verändern

• IP-Adressen im eigenen Netzwerk sollen aus Sicherheitsgründen nicht vom Internet aus sichtbar sein

• Interne IP-Adressen sollen veränderbar sein, ohne dass der Rest des Internets darüber informiert werden muss

Idee:

• Vergebe lokale (weltweit nicht eindeutige) Adressen an die Systeme im eigenen Netzwerk

• Router zur Anbindung an das Internet übersetzt diese Adressen in eine gültige, weltweit eindeutige IP-Adresse

• Dazu wird die Adressierung auf der Transportschicht gebraucht (missbraucht): Ports

• Alle Datagramme, die das lokale Netz verlassen, haben die gleiche NAT-IPAdresse als Absender: 138.76.29.7

• Unterscheidung durch Portnummern

• Datagramme mit Sender oder Empfänger in diesem Netzwerk haben 10.0.0/24 als Adresse für diesen Sender/Empfänger

Implementierung:

Ein NAT-Router muss Folgendes tun

• Ausgehende Datagramme: ersetze (Sender-IP-Adresse, Portnummer) im Absenderfeld für jedes ins Internet geleitete Datagramm durch (NAT-IP-Adresse, neue Portnummer)

  • Kommunikationspartner wird die Antworten an (NAT-IP-Adresse, neue Portnummer) schicken

• Speichere in einer NAT-Tabelle die Abbildung zwischen (Sender-IPAdresse, Portnummer) und (NAT-IP-Adresse, neue Portnummer)

• Ankommende Datagramme: ersetze (NAT-IP-Adresse, neue Portnummer) im Empfängerfeld durch (Sender-IP-Adresse, Portnummer) aus der NAT-Tabelle

ICMP

• Wird von Hosts und Routern verwendet, um Informationen über das Netzwerk selbst zu verbreiten

  • Fehlermeldungen: Host, Netzwerk, Port, Protokoll nicht erreichbar

  • Echo-Anforderung und Antwort (von ping genutzt)

• Gehört zur Netzwerkschicht, wird aber in IP-Datagrammen transportiert

• ICMP-Nachricht: Type, Code und die ersten 8 Byte des IPDatagramms, welches die Nachricht ausgelöst hat

Ursprüngliche Motivation:

• 32-Bit-Adressen sind komplett zugeteilt

  • NAT hat dies ein wenig herausgezögert, aber das grundlegende Problem nicht gelöst

  • Beispiel: Was passiert, wenn jedes Handy eine feste IP-Adresse bekommen soll?

• Weitere Motivation:

  • Vereinfachtes Header-Format für eine schnellere Verarbeitung in den Routern

  • Header soll Dienstgütemechanismen (Quality of Service, QoS) unterstützen

• IPv6-Datagrammformat:

  • Header fester Länge (40 Byte)

  • keine Fragmentierung in den Routern

• Seit dem Jahr 2000 gibt es die IPv6

• Änderungen gegenüber IPv4

  • Adressgröße von 32 Bits auf 128 Bits erhöht

  • Adresse: (123:15:44:66:144:33:12:123:0:15:44:0:144:33:12:123) bzw. mehr üblich im Hex-Format (7B0F:2C42:9021:C7B:F:2C00: 9021:C7B)

  • Header-Format vollständig geändert

    -> Statt einem Header mehrere Header möglich.

  • Unterstützung vieler neuer Dienstarten

  • Einbau von Sicherheitsmechanismen

  • Erweiterbarkeit des Protokolls

Probleme

• Adresswachstum im Internet

• Kommerzialisierung

• Sicherheit

• Multimedia

• 128 Bit statt 32 Bit für Adressierung = 3,4 * 1038 Adressen

• Wesentlich sicherer bzgl. DoS, IP-Spoofing, ...

• QoS

• Verkehrsklasse:

  Priorisierung von Datagrammen

• Flow Label:

  Identifikation von zusammengehörigen Flüssen von Datagrammen

  Bsp: ein Voice-over-IP-Telefonat

• Nächster Header:

  An welches Protokoll sollen die Daten im Datenteil übergeben werden?

  Bsp: TCP!

• Checksumme:

  entfernt, um die Verarbeitung in den Routern zu erleichtern

• Optionen:

  als separate Header, die auf den IPHeader folgen

  • Werden durch das “Nächster Header”-Feld angezeigt

  • Einfachere Behandlung in Hosts und Routern

• ICMPv6:

  neue Version von ICMP

  • Zusätzliche Pakettypen, z.B. “Packet Too Big”

  • Funktionen zur Verwaltung von Multicast-Gruppen (später mehr)