Wer benötigt eine Adresse?
Endgeräte:
Desktop PCs, Laptops
Smartphones
IP Telefone
Drucker
Intermediary Devices:
Router (pro Interface eine Adresse)
Switch (nur zum Management)
Warum benötigen wir eine IP Adresse?
IP Adressen ermöglichen Netze zu strukturieren:
Vereinfachung des Routing
Strukturierung erleichtert das Management (jedes Netz ist für sich verantwortlich)
Strukturierung vereinfacht das Routing (ermöglicht kleine Routingtabellen)
Ermöglicht Austausch der Netzwerkzugangsschicht (Ethernet, Wifi, 3G, 4G, …)
MAC-Adressen
Werden pro Netzwerkgerät zufällig vergeben
Ermöglichen dadurch keine Strukturierung
IP-Adressaufbau
Eine IP-Adresse ist eine 32-Bit-Sequenz
Zur besseren Lesbarkeit werden die 32 Bit in vier Blöcke zu je 8 Bit (Octet) gruppiert und durch einen Punkt getrennt = dotted decimal-Darstellung
IPv4 Adressierung - Klasse und Anzahl (historisch)
Zur Strukturierung wurden Klassen definiert.
Adressen werden in einem Netzwerkteil und einem Hostanteil getrennt.
Klassen unterschieden sich in der max. Anzahl von Netzen und Hosts pro Klasse.
Klassen werden durch die höchstwertigen Bits und die Längen des Netzwerkanteils festgelegt.
Klassen sind wie folgt definiert:
Routing
Hosts mit unterschiedlich Netzwerkanteil in der IP-Adresse befinden sich in unterschiedlichen Netzen, häufig auch als Subnetze bezeichnet.
Die Trennung wird durch die Klasse festgelegt.
Zur Kommunikation zwischen unterschiedlichen Netzen wird Routing benötigt.
IP - Adresstypen
Pro Netzwerk existieren die
Netzwerkadresse: Alle Bits des Netzwerkteil der Adresse sind 0.
Broadcastadresse: Alle Bits des Netzwerkteil der Adresse sind 1. Ein Broadcast adressiert alle Hosts im Netz.
Hostadresse: Eine Adresse zwischen der Netzwerkadresse und der Broadcastadresse. Diese adressiert einen Host im Netzwerk eindeutig.
Beispiel: Adresse 27.12.54.8 aus dem Class A Netz
Öffentliche und Private IP Adressen
Öffentliche IP-Adressen sind weltweit eindeutig, so dass zwei Rechner niemals die gleiche IP-Adresse besitzen.
Private Netzwerke, können jedoch IP-Adressen nutzen, für die diese Einschränkung nicht gilt.
RFC 1919 reserviert für jede Klasse IP-Adressblöcke zur privaten Nutzung
Zur Umwandlung von privaten in öffentliche IP-Adressen muss Network Adress Translation (NAT) genutzt werden.
Die private Adresse wird am Router gegen eine öffentliche ausgetauscht.
Adressstruktur
Adressvergabe Internet
Das Internet ist ein strukturiertes IP Netzwerk.
Die Adressbereiche werden von der Internet Assigned Numbers Authority (IANA) vergeben.
Regionale Vertretungen existieren:
Europa: Reseaux IP Europeens Network Coordination Centre (RIPE)
Deutsches Network Information Center (DENIC)
Internet Service Provider (ISP), Firmen und Institutionen können Adressbereiche beantragen.
Private Personen erhalten IP Adressen i.d.R. vom ISP.
Subnetze - Classless Interdomain Routing (CIDR)
Strukturierte nach Klassen ist ineffizient
Netze haben 254,65534 oder 16777214 mögliche Adressen.
Zur Verbesserung wurden variable Grenzen zwsichen Netzwerk- vom Hostteil eingeführt.
Die Grenze wird durch die Subnetzmaske festgelegt.
Subnetzmasken werden für Routing-Entscheidungen genutzt: alle Hosts eines Subnetzes nutzen die gleiche Maske - RFC 950, PFC1518, RFC4632
Wird als Classless Interdomain Routing (CIDR) bezeichnet.
Heutzutage haben die Klassen keine Bedeutung mehr.
Klassen und Subnetzmaske
Alle IP Interfaces benötigen eine IP Adresse und die Subnetzmaske
Klassen werden durch entsprechende Subnetzmasken ersetzt:
Class A => 255.0.0.0
Class B => 255.255.0.0
Class C => 255.255.255.0
Durch die Subnetzmaske lassen sich große Netze in kleinere unterteilen.
Subnetzbildung
Welcher Adressbereich ist verfügbar?
Zugehörige Subnetzmaske der gewählten Adressklasse
Wie viele Subnetze sollen gebildet werden?
Jedes LAN-Subnetz benötigt ein eigenes subnetz
Jede WAN-Verbindung (zwischen Routern) benötigt ein eigenes Subnetz
Wie viel Rechner befinden sich maximal im Subnetz?
Formaler Prozess
N Netzwerkmaske des verfügbaren IP Adressbereichs
z.B. ist der Adressbereich 12.12.18.0/24 d.h. mit der Maske 255.255.255.0 gegeben.
Berechne die minimale Anzahl der Subnetzbits S, so dass 2^s => der Zahl benötigter Subnetze entspricht
Weitere Unterteilung in 4 gleichgroße Netze gewünscht => 2 Bit
Berechne die minimale Zahl der Hostbits H, so dass 2^H-2 => der Zahl der benötigten Hosts entspricht
6 Bit ermöglichen 64 Adressen, abzüglich Netzwerk und Broadcast-Adresse
Wenn N + S + H > 32 existiert keine Subnetzmaske für diese Vorgaben
Wenn N + S + H = 32 existiert eine Maske P, die sich aus P = N + S ergibt
Formaler Prozess cont.
Wenn N + S + H < 32 existieren mehrere Masken:
Bestimme P basierend auf dem minimalen Wert von S mit P = N + S
Hostadressen als Reserve
Bestimmte P basierend auf dem minimalen Wert von H mit P = 32 - H
Subnetze als Reserve
Der vollständige Bereich der Subnetzmaske gemäß der beiden vorhergehenden Schritt ist möglich
Bestimmung aller Subnetze
Schreibe die Subnetzmaske in Dezimalform auf.
Wandle die Subnetzmaske in die Binäre Darstellung um. Es reicht das relevante Octet zu betrachten in dem sich die Bits zur Unterteilung befinden.
Indentifiziere die Bits, die zur Unterteilung in die Subnetze relevant sind.
Iteriere über alle Bits zur Unterteilung in Subnetze.
Setze den Hostteil auf “0”
Beispiel - Subnetzberechnung (gleiche Subnetzgrößen)
Unterteilung des Netzes 192.168.0.0/24 in 8 Subnetze (2^3=8) unterteilt, d.h. vom Hostteil werden 3 Bit zur Subnetzbildung benötigt. Damit bleiben pro Subnetz 32 (2^5=32) Adressen übrig, 30 Hostadressen, Netzwerkadresse und Broadcastadresse.
Beispiel
Ihr Unternehmen hat den IP Adressbereich 22.117.80.0/20
Folgende Subnetze sollen erstellt werden:
Subnetz 1: 600 IP Adressen
Subnetz 2: 80 IP Adressen
Subnetz 3 50 IP Adressen
Subnetz 4 240 IP Adressen
Möglichkeit: gleichgroße Subnetze
4 = 2^2 Subnetze benötigen 2 Bits der Subnetzmaske
Relevantes Octet 22.117.80.0
80 = 01010000
Nutzung der nächsten 2 Bit zur Unterteilung:
84 = 01010100
88 = 01011000
92 = 01011100
Jedes Subnetz beinhaltet 2^10-2 =1022 Adresse.
Subnetz 2 und 3 wären bzgl. der Abzahl der Adressen überdimensioniert.
Gründe der Subnetzbildung
Liefert Flexibilität in der Adressvergabe.
Die Administration der Adressbereiche wird an die jeweiligen Institutionen delegiert.
Beispiel: Die Hochschule Flensburg ist frei Einteilung ihres Adressbereichs 193.174.0.0/15
Dämmt das Broadcastaufkommen ein und erlaubt erste Sicherheitsmaßnahmen, da ein zugriff auf ein anderes Subnetz nur über einen Router möglich ist.
In Verbindung mit einer Firewall lassen sich hier Kommunikationsbeziehungen erlauben bzw. verbieten
Routing beschreibt den Prozess der Wegefindung in Netzwerken.
Wir beschränken uns auf IP Netzwerke.
Routing wird benötigt um Pakete zwischen verschiedenen/entfernten IP Netzen weiterzuleiten.
Die Komponente, die Subnetze verbindet, wird Router genannt.
Router - Paketweiterleitung
Router werten IP Adressen auf der Schicht 3 aus:
Router - Vorgehen
Quell- und Ziel-IP Adresse ändern sich während der Übertragung nie
Ausnahme: Network Adress Translation
Quell- und Ziel-MAC Adresse ändern sich, bei der Weiterleitung am Router
TTL-Feld wird um 1 dekrementiert und die Prüfsumme muss neu berechnet werden
Ein erhaltenes Paket wird vom Router wie folgt behandelt:
Layer 2 Header entfernt.
Prüfung der IP-Adresse, um den besten Weg zum Ziel zu finden
Weiterleiten an das Output-Interface
Re-Encapsultes des Layer-3 Pakets in den Layer-2 Frame.
Routing - Ziel im gleichen Netz
Zur Kommunikation wird kein Router benötigt.
Pakete werden an das Ziel über direkte Verbindungen übertragen.
Der Sender erkennt anhand der IP Adressen von Sender und Empfänger und Netzmaske, dass beide im gleichen Netz sind.
Falls nicht bekannt, wird durch ARP die MAC Adresse vom Empfänger ermittelt.
Im Anschluss wird das Paket direkt versendet.
Routing - Ziel im Remotenetz
Der Sender erkennt anhand der IP Adressen von Sender und Empfänger und Netzmaske, dass der Empfänger in einem anderen Netzwerk ist.
Next-hop gateway lookup bestimmt die IP Adresse des Routers, den der Sender zur Paketweiterleitung benutzt.
Falls nicht bekannt wird durch ARP Request die MAC Adresse zur IP Adresse des Routers ermittelt.
Das Paket wird zur Weiterleitung an den Router gesendet.
Routingtabelle - Inhalt
Der nächste Router auf dem Weg zum Ziel Netz: Nexthop
Direkt verbundene Netzwerke mit zugehörigem Interface
Ggf. Defaultroute mit Netzwerkadresse 0.0.0.0 und Subnetzmaske 0.0.0.0
Ist keine spezifische Router in der Tabelle enthalten werden Pakete zur der in der Defaultroute angegebenen IP Adresse weitergeleitet.
Host haben häufig nur die Defaultroute.
Weitere optionale Einträge
Metrik: bei mehreren Einträgen zum Ziel wird der Eintrag mit der niedrigsten Metric genutzt.
Quelle: Wodurch diese Route gelernt wurde (direkt verbunden, statisch eingetragen, gelernt durch Routing Protokoll)
Alter des Eintrages, relevant bei dynamisch gelernten Routen
Statisches vs. Dynamisches Routing
Routingtabellen können statisch durch den Netzwerkadministrator konfiguriert werden.
Skaliert nicht bei größeren Netzen.
Im Fehlerfall erfolgt keine Änderung der Routingtabellen.
Routingtabellen können dynamisch durch Routingprotokolle erstellt werden.
Skaliert bei großen Netzen.
Bei Änderung der Netzwerktopologie und bei Netzausfällen werden Routingtabellen automatisch aktualisiert.
Statische Routen - Wertung
Vorteile
Back-Up für mehrere Interfaces statisch, funktioniert beim Ausfall eines Links
Leicht konfigurierbar
Keine zusätzlichen Ressourcen notwendig
sicher
Nachteile
Netzwerkänderungen verlangen manuelle Konfiguration
Schlechte Skalierbarkeit in großen Netzen
Routing Prinzipien
Prinzip 1: “Jeder Router trifft seine eigenen Routingentscheidungen auf der Grundlage der Routingtabelle”.
Prinzip 2: “Die Tatsache, dass der Router Informationen über das Netz in der Routingtabelle hat, bedeutet nicht, dass andere Router die gleiche Informationen besitzen.”
Prinzip 3: “Routinginformation über einen Pfad zu einem Ziel liefert nicht die identische Information für den Rückweg”, z.B. kann für eine Richtung eine statische Route konfiguriert sein.
Routingprotokolle - Ziele
Entdecken entfernter Netze
Wiedergabe aktueller Routinginformationen
Wahl des “besten” Weges zum Ziel
Fähigkeit einen neuen Weg zu finden, wenn der alte nicht mehr verfügbar ist.
Senden und Empfangen von Updates
Erkennen und Reagieren auf Topologieänderungen
Routingprotokolle - Komponenten
Algorithmus
Algorithmen werden zur Wegefindung und zur Wegewahl genutzt
Beispiele:
Dijkstra-Algorithmus
Bellman-Ford-Algorithmus
…
Routing-Protokoll-Nachrichten
Nachrichten werden ausgetauscht, um Nachbarn zu erkennen und Informationen weiterzugeben.
Festgelegt in Protokollen:
Routing Information Protocol (RIP)
Open Shortest Path First (OSPF)
Software, die Algorithmus und Protokoll implementiert
RIP (Routing Information Protokoll) - Eigenschaften
Distanzvektoralalgorithmus nach Bellman-Ford
Einzige Metrik ist die Anzahl passierter Knoten = Hops (max = 15 Hops)
Distanzberechnung wird alle 30 Sek. über Advertisements unterstützt
Wählt nicht den schnellsten Weg, sondern denjenigen mit den wenigsten Knoten.
Dahinter steht die Vermutung, dass die Latenzzeit dadurch minimiert werden kann.
Bandbreit, reale Latenzen werden nicht berücksichtigt.
OSPF ist ein Link State Routing Protokoll
Zur Berechnung der Pfade wird der Dijkstra Algorithmus genutzt.
Link ist ein Router Interface
Link State ist die Information über Linkstatus
Jeder Router baut sich eine Topologiedatenbank auf um die kürzesten Pfade zu berechnen.
Routing im Internet
Das Internet besteht aus einer Anzahl von Autonomen Systemen (AS) mit einer hierarchischen Adressstruktur.
Die IANA vergibt IP Adressbereiche und AS Nummern an ISPs und Firmen.
Zwischen den AS Netzwerken wird BGP als Exterior Gateway Routing Protokoll genutzt.
In einem AS ist der Betreiber frei in der Wahl des Routing Protokolls.
Delegation:
Jeder Betreiber ist für sein AS zuständig und kann seinen IP Adressbereich und Netzwerk frei gestalten.
Struktur der IP Adressbereich soll Routing-Tabellen klein halten
Zusammenfassung
IP Adressen ermöglichen eine Strukturierung von Netzen
Früher: Anhand fester Klassen mit ineffizienten Größen
Heute: Anahnd von Subnetzmasken
Routing: Leitet Pakete zwischen einzelne Netze weiter.
Routing Tabelle können statisch konfiguriert werden
Routing Tabelle können dynamisch erzeugt werden durch Routing Protokolle
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