Internet-Netzstruktur und TCP/IP-Protokoll · Browser fragt DNS nach der IP-Adresse von 3. DNS gibt die Antwort 198.69.76.17 4. Browser baut zu Port 80 von 198.69.76.17 eine TCP-Verbindung

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Internet-Netzstruktur und TCP/IP-Protokoll

1 Internet

2 Referenzmodell

3 Übertragungsmedien und Bitübertragungsschicht

4 Sicherungsschicht

5 Vermittlungsschicht

6 Transportschicht

7 Anwendungsschicht


1 Internet

Umschreibung, Definitionen• Menge von Rechnern, die über die ganze Welt verteilt sind und

über eine Vielzahl von Subnetzen auf der Basis des IP-Protokollstacks miteinander kommunizieren

• Gesamtheit aller IP nutzenden Netze• Alle Netze, die per E-Mail erreichbar sind

Geschichte• Ursprünglich als dezentral organisiertes, störunanfälliges Netz

für militärische Anwendungen konzipiert:erstes paketvermitteltes Netz, ARPANET, 1969

• TCP/IP ab 1983:IP = Internet Protocol, TCP = Transmission Control Protocol

• Ab 1986 auch Teile für US-Wissenschaftsnetz genutzt• Ab 1989 auch kommerzielle Nutzung durch Online-

Diensteanbieter


Paketvermittlung im Internet

• Verbindungslose Kommunikation– Nachrichtenaustausch und Verbindungsauf-/abbau finden quasi

gleichzeitig statt– Gesendete Datenpakete enthalten nicht nur Nutzdaten, sondern

im Header auch Ursprungs- und Zieladresse

Daten

Daten Kopf/Header Datagramm

IP-Datenpakete


Prinzipieller Aufbau des Internet

Transportnetz

ISDN Paketnetz

ISP-Netz Intranet

LAN LANRouter

Router

Server

Router

Router

RouterPOP

ServerRouter Router

Server

Server

Server

Vermittlunga/bISDN

Festverbindung

POP = Point Of PresenceISP = Internet Service ProviderADSL = Asymmetric Digital Subscriber Line

ADSL

Client


Aufbau des Internet• Clients = Rechner mit SW beim Anwender

• Server = Rechner mit SW beim Diensteanbieter

• Router– Datenpaketvermittlungsstelle– zur Vernetzung verschiedener Subnetze mittels IP-Protokoll– Routing: Wahl des optimalen Datenpaketwegs in Abhängigkeit

von Durchsatz, Gebühren, Verzögerung oder Bitfehlerrate→ Routing-Tabelle mit IP-Adressen anderer Router

• Netze bzw. Subnetze zwischen den Routern,bieten nur Übertragungskapazität

• Internet-Zugang für Clients– Festverbindung– POP = Point Of Presence


POP (Point Of Presence)

Server

Vermittlung

POP Internet

Daten-netz-

schnitt-stelle

PPP-Abschlüsse

ISDN-Abschlüsse

IP-Router

a/b-Abschlüsse,

Modems

ADSL = Asymmetric Digital Subsciber LinePPP = Point to Point Protocol

ADSL-Abschlüsse

ADSL

a/bISDN


Internet = IP-basiertes, sich aus Subnetzen bildendesPacketnetz, das Vermittlungs- und Transportnetze zurÜbertragung der IP-Pakete nutzt

→ Netz, das mit verschiedenen Protokollen arbeitet (IP, TCP etc.)und andere, darunter liegende Netze nutzt

→ Beschreibung der Netzstruktur mit Referenzmodell


Referenzmodell

Kommunikations-steuerung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

AnwendungAnwendung

Transport

Internet

Rechner anNetz

1 1 1 Bitübertragung

2 2 2 Sicherung

Vermittlung

Transport

Anwendung

7

6

5

4

3 3

Übertragungsmedium Übertragungsmedium

TCP/IP OSI Hybrid

Netz


2 Referenzmodell

Prinzipien beim OSI-Referenzmodell• Schichtung der Kommunikationsfunktionen• Dienstleistung der einzelnen Schichten• Protokolle zur Kommunikation zwischen korrespondierenden

Schichten

TCP/IP-Referenzmodell

→ Beschreibung der Internet-Netzstruktur mit hybridemReferenzmodell


3 Übertragungsmedien und Bitübertragungsschicht

Übertragungsmedien• Kupferkabel• Koaxialkabel• Lichtwellenleiter• Richtfunkkanäle• Satellitenkanäle• Mobilfunkkanäle

Bitübertragungsschicht: Festlegungen für die physikalischeÜbertragung von Nachrichten über ein Übertragungsmedium.Funktionen u.a. Leitungscodierung, Modulation,Synchronisation, Aktivierung/Deaktivierung, Kabel, Stecker


Bitübertragungsschicht im Internet• Physikalische Zugänge

– a/b mit Modem: < 56kbit/s– ISDN: ≤ 128kbit/s– LAN: z.B. 10 Mbit/s– Festverbindung mit ADSL:

≤ 6Mbit/s downstream, ≤ 640kbit/s upstream– Koaxialkabel mit Kabelmodem: z.B. 4Mbit/s– Satellitenkanal: z.B. 4Mbit/s– Mobilfunkkanal: 9,6kbit/s– PDH-Festverbindung: 64kbit/s, 2Mbit/s, 34Mbit/s, 140Mbit/s

(PDH = Plesiochrone Digitale Hierarchie)– SDH/SONET-Festverbindung: 155Mbit/s

(SDH = Synchrone Digitale Hierarchie;SONET = Synchrones Optical NETwork)


• Transportnetze: Verbindungen werden konfiguriert– PDH– SDH: z.B. 155Mbit/s, 622Mbit/s– ATM, nutzt SDH– Richtfunkverbindung– Satellitenverbindung

• Vermittelnde Netze:Verbindungen werden dynamisch auf- und abgebaut– Telefonnetz– ISDN– Packetnetz– ATM

Vermittelnde Netze nutzen Transportnetze


4 Sicherungsschicht

Sicherungsschicht: Festlegungen für eine gesicherte Übertragungvon Daten auf einer Teilstrecke. Funktionen u.a. Schicht 2-Verbindungsauf- und -abbau, Flusssteuerung, Aufteilung derDaten der Schicht 3 in Blöcke, Fehlerüberwachung,Blockwiederholung nach Fehlern

Sicherungsschicht im Internet• für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen

– Rechner - POP– Router - Router

→ PPP = Point To Point Protocol


• PPP-Protokollgruppe unterstützt– Rahmenerstellung inkl. Fehlererkennung

– Verbindungssteuerung inkl. Festlegung der zu verwendenden PPP-Parameter

→ LCP = Link Control Protocol

– Festlegung von Parametern der Schicht 3→ NCP = Network Control Protocols

– Vergabe von IP-Adressen zum Zeitpunkt des Verbindungsaufbaus

– Authentifikation


Beispiel für Rechner - POP-Kommunikation

1. Modemverbindung aufbauen (Schicht 1)

2. LCP-Protokollverbindung: PPP-Parameter festlegen

3. NCP-Protokollverbindung: dynamische Zuweisung der IP-Adresse

4. IP-Pakete senden und empfangen (Schicht 3)

5. NCP-Protokollverbindung: Freigabe der IP-Adresse

6. LCP-Protokollverbindung: PPP-Verbindung beenden

7. Modemverbindung abbauen (Schicht 1)


PPP-Rahmenformat

Flag 01111110

Adresse 11111111

Steuerung 00000011 Protokoll Nutzdaten Prüf-

summeFlag

01111110 ...

Bytes 1 1 1 1 oder 2 variabel 2 oder 4 1

z.B. 1500

LCP- oderNCP- oderIP-Daten

Protokoll-festlegung

Unnummeriert→ keine Rahmenwiederholung

...


5 Vermittlungsschicht

Vermittlungsschicht: Festlegungen, wie Verbindungenzwischen den Endsystemen in einem Netz realisiert werden.Funktionen u.a. Kopplung der Teilstrecken Ende-zu-Ende,Wegewahl/Routing

Vermittlungsschicht im Internet→ IP = Internet Protocol

• verbindungsloser Nachrichtenaustausch, Datagramm-Dienst

• für jedes Datenpaket neue Wegesuche→ korrekte Reihenfolge der IP-Pakete nicht sichergestellt

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IP-Datagramm

Version IHL

Time to Live Protocol

Type of Service

Identification

Total Length

Header Checksum

Source Address

Destination Address

Options (0 or more words)

Data

DF

MF Fragment Offset

32 Bit

20 Byte

0 bis40 Byte

≤ 64 KBytetyp. 1500 Byte

Header

Zu verwendendesTransportprotokoll,z.B. TCP

UrsprungsadresseZieladresse

Header-Länge Datagramm-Länge

Paketlebensdauer,max. 255s

Don´t Fragment

More Fragments


IP-Adressen• IPv4: 4 Byte (4 Ziffern) Adressierungsraum• codiert Netz- und Rechnernummer• weltweit eindeutig• fest oder dynamisch zugewiesen• zukünftig IPv6: 16 Byte (16 Ziffern) Adressierungsraum

→ Routing für jedes IP-Datagramm

→ Routing-Algorithmus: z.B. Link-State-RoutingJeder Router1. ermittelt IP-Adressen seiner Nachbarn (HELLO),2. misst Verzögerung/Leitungskosten zu seinen Nachbarn (ECHO),3. sendet diese Information an alle anderen Router,4. berechnet den „kürzesten“ Pfad zu allen anderen Routern

→ Protokoll hierfür z.B. OSPF = Open Shortest Path Find


Beispiel: Netz mit 720 Routern→ jeder Router hat 720 Einträge in seiner Routing-Tabelle

→ Hierarchisches Routing: Unterteilung des Netzes in Regionen

Beispiel: Netz mit 24 Regionen mit je 30 Routern→ jeder Router hat 30 lokale und 23 entfernte Einträge in seiner

Routing-Tabelle

Weitere Schicht 3-Protokolle für Steuerungsaufgaben:u.a. ICMP = Internet Control Message ProtocolFür Meldungen und Tests: z.B. Ziel nicht erreichbar, Zeitabgelaufen, Header-Wert unzulässig


6 Transportschicht

Transportschicht: Festlegungen für sichere Ende-zu-Ende-Transportverbindung in heterogenem Netz. Funktionen u.a.Anpassung an unterschiedliche Netzabschnitte, Ende-zu-Ende-Fehlerüberwachung

Transportschicht im Internet→ TCP = Transmission Control Protocol• verbindungsorientierter Nachrichtentransport → Handshake• TCP-Verbindungen zwischen Endpunkten, sog. Sockets

Socket = IP-Adresse + Port-Nummer• TCP-Segmente: Numerierung, Quittierung, erforderlichenfalls

Wiederholung, Wiederherstellung der Reihenfolge.

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TCP-Segment

Source Port Destination Port

Acknowledgement Number

Sequence Number

Options (0 or more words)

Data

HeaderLength Window Size

32 Bit

20 Byte

≤ (64 KByte - 20 Byte

Header

Header-Länge

Nummer desSegments

Checksum Urgent Pointer

Bits fürVerbindungsauf-und abbau

Für FlußsteuerungNummer des nächstenerwarteten Segments


NutzdatenTCP-HeaderIP-HeaderPPP-Rahmen

Protokollverschachtelung in den Schichten 2-4


7 Anwendungsschicht

Anwendungsschicht: Festlegungen, wie die durch dieAnwendung sich ergebenden Aufgaben ausgeführt werden.Funktionen u.a. Zuverfügungstellung einer direktenKommunikation zwischen den Endsystemen für dieAnwendung, Identifikation und Berechtigungsprüfung fürKommunikationspartner

Anwendungen z.B.• E-Mail: elektronische Post• Usenet: Diskussionsforen• Internet Relay Chat: plaudern (chat) per Tastatureingaben• Telnet: Zugriff auf entfernte Rechner• File Transfer: Dateitransfer• World Wide Web (WWW): Homepages abrufen


Adressierung, [email protected]/virtual/tours/index.htm

Anwendung lokaler Name Server

Name Server Name Server der obersten Ebene der angef. Domäne

Name

IP-Adresse

→ DNS = Domain Name System− ASCII-Zeichenkette → binäre IP-Adresse− ursprünglich zentrale Datei mit Liste aller Rechner und IP-Adressen.

Hosts holten sich nachts die Infos− heute: hierarchisches, auf Domänen aufgebautes Benennungsschema;

implementiert als verteiltes Datenbanksystem

Domäne der obersten Ebene


World Wide Web (WWW)• Rechner (Server) mit Homepages, die über Hyperlinks

miteinander vernetzt sind.Können über AdresseURL = Uniform Resource Locaterhttp://www.newyork.com/virtual/tours/index.htm

mittels Protokoll HTTP = HyperText Transfer Protocol vonRechner mit Browser-SW (Client) angesprochen und angezeigtwerden.

Protokoll Servername Dateiname


• HTML (HyperText Markup Language)-Seite anzeigen

1. URL in Browser eingeben 2. Browser fragt DNS nach der IP-Adresse von www.newyork.com 3. DNS gibt die Antwort 198.69.76.17 4. Browser baut zu Port 80 von 198.69.76.17 eine TCP-Verbindung auf 5. Browser sendet Anfrage /virtual/tours/index.htm 6. Server www.newyork.com sendet Datei index.htm 7. TCP-Verbindung wird abgebaut 8. Browser zeigt Text von index.htm an 9. Browser liest sequentiell alle Bilder von index.htm ein und zeigt sie an (pro Bild neue TCP-Verbindung)


Literatur und Links

• Tanenbaum, A. S.: Computernetzwerke. Prentice Hall

• Gralla, P.: So funktioniert das Internet. Markt & Technik

• www.trick-online.de/e-technik/internet/

• www.tik.ee.ethz.ch/tik/education/lectures/EIR/unterlagen/ETH Zürich: Einführung in Rechnernetze

• www.fh-deggendorf.de/doku/fh/meile/mmedia/gliederung.htmlFH Deggendorf: Internet und Multimedia

• www.zum.de/schule/internetkurs/Berufskolleg Ahaus: Online-Internetkurs

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Internet-Netzstruktur und TCP/IP-Protokoll · Browser fragt DNS nach der IP-Adresse von 3. DNS gibt die Antwort 198.69.76.17 4. Browser baut zu Port 80 von 198.69.76.17 eine TCP-Verbindung