Dordal Rechnernetze

Das umfassende Lehrbuch
1. Auflage 2022
ISBN: 978-3-8362-9096-8
Verlag: Rheinwerk
Format: EPUB
Kopierschutz: 0 - No protection

E-Book, Deutsch, 1045 Seiten

Reihe: Rheinwerk Computing

Erfolgreich durch das Informatik-Studium

Wie Daten zwischen Rechnern ausgetauscht werden, ist absolutes Grundlagenwissen im Informatikstudium: Das OSI-Modell und die Grundlagen der paketbasierten Kommunikation müssen Sie kennen, wenn Sie professionell mit Computern arbeiten. Dazu finden Sie in diesem umfassenden Lehrbuch den vollständigen Überblick über moderne Netzwerkthemen: Von der technischen Umsetzung über Algorithmen und Protokolle bis zur Planung und Konzeption von Netzwerkarchitekturen .

• Theorie und Grundlagen IP-basierter Netzwerke
• Protokolle, Algorithmen und Techniken
• Ihr Begleiter für Vorlesung, Tutorium und Praxis

Aus dem Inhalt:

• Netzwerke im Überblick
• Ethernet und WLAN
• Packete, Verbindungen und Routing
• Routing-Algorithmen und Large Scale IP-Routing
• Border Gateway Protocol (BGP)
• IPv4 und IPv6 und Ihre Begleiter: DNS, ARP, DHCP, SLAAC
• Transportprotokolle: UDP und TCP
• Queuing und Scheduling
• Quality of Service
• Netzwerkmanagement mit SNMP
• Sicherheit und praktische Anwendung

Autoren/Hrsg.

Dordal, Peter

Inhaltsverzeichnis

  Materialien zum Buch ... 25

  Geleitwort des Fachgutachters ... 27

  1.  Netzwerke im Überblick ... 29

       1.1 ... Schichten ... 29

       1.2 ... Datenrate, Durchsatz und Bandbreite ... 30

       1.3 ... Pakete ... 31

       1.4 ... Datagrammweiterleitung ... 33

       1.5 ... Topologie ... 37

       1.6 ... Routing-Schleifen ... 38

       1.7 ... Überlast ... 40

       1.8 ... Mehr über Pakete ... 41

       1.9 ... LANs und Ethernet ... 42

       1.10 ... IP -- Internet Protocol ... 45

       1.11 ... DNS ... 54

       1.12 ... Transport ... 55

       1.13 ... Firewalls ... 61

       1.14 ... Einige nützliche Dienstprogramme ... 63

       1.15 ... IETF und OSI ... 65

       1.16 ... Berkeley Unix ... 69

       1.17 ... Epilog ... 70

       1.18 ... Übungen ... 70

  2.  Ethernet-Grundlagen ... 75

       2.1 ... Klassisches 10-Mbit/s-Ethernet ... 76

       2.2 ... 100 Mbit/s (Fast) Ethernet ... 93

       2.3 ... Gigabit-Ethernet ... 95

       2.4 ... Ethernet-Switches ... 96

       2.5 ... Epilog ... 101

       2.6 ... Übungen ... 102

  3.  Weiterführende Ethernet-Themen ... 107

       3.1 ... Spanning-Tree-Algorithmus und Redundanz ... 108

       3.2 ... Virtuelles LAN (VLAN) ... 114

       3.3 ... TRILL und SPB ... 119

       3.4 ... Software-Defined Networking ... 122

       3.5 ... Epilog ... 132

       3.6 ... Übungen ... 132

  4.  Drahtlose LANs ... 137

       4.1 ... Abenteuer im Funkland ... 137

       4.2 ... Wi-Fi ... 143

       4.3 ... WiMAX und LTE ... 182

       4.4 ... Ortsfeste Drahtlosnetzwerke ... 188

       4.5 ... Epilog ... 190

       4.6 ... Übungen ... 191

  5.  Sonstige LAN-Technologien ... 195

       5.1 ... Virtuelle private Netzwerke ... 195

       5.2 ... Carrier-Ethernet ... 197

       5.3 ... Token Ring ... 198

       5.4 ... Virtuelle Verbindungen ... 200

       5.5 ... Asynchronous Transfer Mode: ATM ... 204

       5.6 ... Epilog ... 208

       5.7 ... Übungen ... 208

  6.  Verbindungen ... 213

       6.1 ... Kodierung und Frames ... 213

       6.2 ... Zeitmultiplexverfahren ... 220

       6.3 ... Epilog ... 227

       6.4 ... Übungen ... 227

  7.  Pakete ... 229

       7.1 ... Paketverzögerung ... 229

       7.2 ... Schwankungen der Paketverzögerung ... 233

       7.3 ... Paketgröße ... 234

       7.4 ... Fehlererkennung ... 237

       7.5 ... Epilog ... 245

       7.6 ... Übungen ... 245

  8.  Sliding Windows ... 251

       8.1 ... Zuverlässige Datenübertragung: Stop-and-Wait ... 251

       8.2 ... Die Sliding-Windows-Strategie ... 256

       8.3 ... Lineare Flaschenhälse ... 261

       8.4 ... Epilog ... 271

       8.5 ... Übungen ... 271

  9.  IP Version 4 ... 277

       9.1 ... Der IPv4-Header ... 279

       9.2 ... Schnittstellen ... 282

       9.3 ... Spezielle Adressen ... 284

       9.4 ... Fragmentierung ... 287

       9.5 ... Der klassenlose IP-Delivery-Algorithmus ... 290

       9.6 ... IPv4-Subnetze ... 294

       9.7 ... Netzwerkadressübersetzung ... 302

       9.8 ... Unnummerierte Schnittstellen ... 309

       9.9 ... Mobile IP ... 311

       9.10 ... Epilog ... 313

       9.11 ... Übungen ... 313

10.  IPv4-Begleitprotokolle ... 317

       10.1 ... DNS ... 317

       10.2 ... Address Resolution Protocol: ARP ... 336

       10.3 ... Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) ... 341

       10.4 ... Internet Control Message Protocol ... 343

       10.5 ... Epilog ... 349

       10.6 ... Übungen ... 349

11.  IPv6 ... 351

       11.1 ... Der IPv6-Header ... 352

       11.2 ... IPv6-Adressen ... 353

       11.3 ... Netzwerkpräfixe ... 358

       11.4 ... IPv6-Multicast ... 359

       11.5 ... IPv6-Erweiterungsheader ... 360

       11.6 ... Nachbarschaftserkennung (Neighbor Discovery) ... 364

       11.7 ... Zuweisung von IPv6-Hostadressen ... 371

       11.8 ... Epilog ... 378

       11.9 ... Übungen ... 378

12.  Weitere IPv6-Funktionen ... 381

       12.1 ... Weltweit sichtbare Adressen ... 381

       12.2 ... ICMPv6 ... 382

       12.3 ... IPv6-Subnetze ... 384

       12.4 ... IPv6 und IPv4 gemeinsam benutzen ... 386

       12.5 ... IPv6-Beispiele ohne Router ... 392

       12.6 ... IPv6-Konnektivität über Tunneling ... 395

       12.7 ... Konnektivität von IPv6 nach IPv4 ... 400

       12.8 ... Epilog ... 402

       12.9 ... Übungen ... 402

13.  Routing-Update-Algorithmen ... 405

       13.1 ... Distanzvektor-Routing-Update-Algorithmus ... 406

       13.2 ... Langsames Konvergenzproblem bei Distanzvektoren ... 413

       13.3 ... Minimierung der Streckenkosten ... 415

       13.4 ... Schleifenfreie Distanzvektor-Algorithmen ... 418

       13.5 ... Link-State-Routing-Update-Algorithmus ... 427

       13.6 ... Routing nach anderen Attributen ... 432

       13.7 ... ECMP ... 434

       13.8 ... Epilog ... 435

       13.9 ... Übungen ... 436

14.  IP-Routing im großen Maßstab ... 445

       14.1 ... Classless Internet Domain Routing: CIDR ... 446

       14.2 ... Hierarchisches Routing ... 449

       14.3 ... Routing in früherer Zeit ... 450

       14.4 ... Providerbasiertes Routing ... 451

       14.5 ... Geografisches Routing ... 458

       14.6 ... Epilog ... 459

       14.7 ... Übungen ... 459

15.  Border Gateway Protocol (BGP) ... 465

       15.1 ... AS-Pfade ... 467

       15.2 ... AS-Pfade und Routenaggregation ... 469

       15.3 ... Transit-Traffic ... 471

       15.4 ... BGP-Filterung und Routing-Policies ... 471

       15.5 ... BGP-Tabellengröße ... 474

       15.6 ... BGP-Pfadattribute ... 475

       15.7 ... BGP und Traffic-Engineering ... 480

       15.8 ... BGP und Anycast ... 484

       15.9 ... BGP für internes Routing ... 485

       15.10 ... BGP-Beziehungen ... 486

       15.11 ... Beispiele für BGP-Instabilität ... 492

       15.12 ... BGP-Sicherheit und Route Registrys ... 494

       15.13 ... Epilog ... 500

       15.14 ... Übungen ... 500

16.  UDP-Übertragung ... 503

       16.1 ... User Datagram Protocol -- UDP ... 503

       16.2 ... Trivial File Transport Protocol, TFTP ... 520

       16.3 ... Grundlegende Übertragungsprobleme ... 523

       16.4 ... Weitere Anmerkungen zu TFTP ... 531

       16.5 ... Remote Procedure Call (RPC) ... 534

       16.6 ... Epilog ... 539

       16.7 ... Übungen ... 539

17.  Grundlagen des TCP-Transports ... 545

       17.1 ... Das Ende-zu-Ende-Prinzip ... 547

       17.2 ... TCP-Header ... 547

       17.3 ... Aufbau einer TCP-Verbindung ... 549

       17.4 ... TCP und WireShark ... 555

       17.5 ... TCP-Offloading ... 557

       17.6 ... TCP-Simplex-Talk ... 558

       17.7 ... TCP und bind() ... 563

       17.8 ... TCP-Zustandsdiagramm ... 565

       17.9 ... Epilog ... 572

       17.10 ... Übungen ... 572

18.  TCP -- Probleme und Alternativen ... 577

       18.1 ... Alte Duplikate bei TCP ... 577

       18.2 ... TIMEWAIT ... 578

       18.3 ... Der dreifache Handshake -- erneut betrachtet ... 580

       18.4 ... Anomale TCP-Szenarien ... 583

       18.5 ... Schnelleres Öffnen von TCP-Verbindungen ... 584

       18.6 ... Path MTU Discovery ... 587

       18.7 ... Sliding Windows bei TCP ... 587

       18.8 ... Verzögerte ACKs bei TCP ... 588

       18.9 ... Nagle-Algorithmus ... 589

       18.10 ... Flusssteuerung bei TCP ... 590

       18.11 ... Silly-Window-Syndrom ... 591

       18.12 ... Zeitüberschreitung und Neuübertragung bei TCP ... 592

       18.13 ... KeepAlive ... 594

       18.14 ... TCP-Timer ... 594

       18.15 ... Varianten und Alternativen ... 595

       18.16 ... Epilog ... 608

       18.17 ... Übungen ... 608

19.  TCP Reno und Überlastmanagement ... 611

       19.1 ... Grundlagen des TCP-Überlastmanagements ... 612

       19.2 ... Slow Start ... 618

       19.3 ... TCP Tahoe und Fast-Retransmit ... 624

       19.4 ... TCP Reno und Fast-Recovery ... 626

       19.5 ... TCP NewReno ... 630

       19.6 ... Selektive Bestätigungen (SACK) ... 632

       19.7 ... TCP und Auslastung der Flaschenhalsverbindung ... 633

       19.8 ... Verluste einzelner Pakete ... 638

       19.9 ... Annahmen zu TCP und Skalierbarkeit ... 639

       19.10 ... TCP-Parameter ... 640

       19.11 ... Epilog ... 641

       19.12 ... Übungen ... 641

20.  TCP-Dynamik ... 647

       20.1 ... Ein erster Blick auf das Queuing ... 647

       20.2 ... Flaschenhalsverbindungen mit konkurrierendem Datenverkehr ... 649

       20.3 ... TCP Reno -- Fairness mit synchronisierten Verlusten ... 659

       20.4 ... Epilog ... 669

       20.5 ... Übungen ... 669

21.  Weitere TCP-Dynamiken ... 675

       21.1 ... Begriffe der Fairness ... 675

       21.2 ... TCP-Reno-Verlustrate und cwnd ... 677

       21.3 ... TCP-Freundlichkeit ... 680

       21.4 ... Noch einmal AIMD ... 684

       21.5 ... Aktives Warteschlangenmanagement ... 686

       21.6 ... Das TCP-Problem der hohen Bandbreiten ... 694

       21.7 ... Das Problem der verlustbehafteten Verbindungen ... 696

       21.8 ... Das Problem der Satelliten-TCP-Verbindungen ... 697

       21.9 ... Epilog ... 697

       21.10 ... Übungen ... 698

22.  Queuing und Scheduling ... 705

       22.1 ... Queuing und Echtzeitdatenverkehr ... 706

       22.2 ... Traffic-Management ... 707

       22.3 ... Priority Queuing ... 708

       22.4 ... Warteschlangenverfahren ... 708

       22.5 ... Fair Queuing ... 710

       22.6 ... Anwendungen von Fair Queuing ... 730

       22.7 ... Hierarchisches Queuing ... 733

       22.8 ... Hierarchical Weighted Fair Queuing ... 737

       22.9 ... Epilog ... 744

       22.10 ... Übungen ... 745

23.  Token-Bucket ... 749

       23.1 ... Token-Bucket -- Definition ... 750

       23.2 ... Token-Bucket -- Beispiele ... 753

       23.3 ... Mehrere Token-Buckets ... 754

       23.4 ... GCRA ... 755

       23.5 ... Gewährleistung der VoIP-Bandbreite ... 757

       23.6 ... Verzögerung begrenzen ... 758

       23.7 ... Token-Bucket durch einen Router ... 760

       23.8 ... Token-Bucket durch mehrere Router ... 761

       23.9 ... Verzögerungsbedingungen ... 762

       23.10 ... CBQ ... 765

       23.11 ... Linux HTB ... 765

       23.12 ... Parekh-Gallager Theorem ... 767

       23.13 ... Epilog ... 768

       23.14 ... Übungen ... 768

24.  Quality of Service ... 773

       24.1 ... Netzneutralität ... 775

       24.2 ... Wo die wilden Warteschlangen wohnen ... 775

       24.3 ... Echtzeit-Datenverkehr ... 776

       24.4 ... Integrated Services/RSVP ... 780

       24.5 ... Globales IP-Multicast ... 781

       24.6 ... RSVP ... 788

       24.7 ... Differentiated Services ... 794

       24.8 ... RED with In and Out ... 801

       24.9 ... NSIS ... 801

       24.10 ... Comcast-System zu Überlaststeuerung ... 802

       24.11 ... Real-time Transport Protocol (RTP) ... 804

       24.12 ... Multi-Protocol Label Switching (MPLS) ... 810

       24.13 ... Epilog ... 814

       24.14 ... Übungen ... 814

25.  Netzwerkverwaltung und SNMP ... 817

       25.1 ... Netzwerkarchitektur ... 820

       25.2 ... SNMP-Grundlagen ... 820

       25.3 ... Namen und OIDs unter SNMP ... 823

       25.4 ... MIBs ... 825

       25.5 ... SNMPv1-Datentypen ... 827

       25.6 ... ASN.1-Syntax und SNMP ... 828

       25.7 ... SNMP-Tabellen ... 829

       25.8 ... SNMP-Operationen ... 835

       25.9 ... MIB-Browsing ... 841

       25.10 ... MIB-2 ... 842

       25.11 ... SNMPv1-Communitys und -Sicherheit ... 853

       25.12 ... SNMP und die ASN.1-Kodierung ... 855

       25.13 ... Übungen ... 859

26.  Die SNMP-Versionen 2 und 3 ... 863

       26.1 ... SNMPv2 ... 863

       26.2 ... Erstellung von Tabellenzeilen ... 879

       26.3 ... SNMPv3 ... 890

       26.4 ... Übungen ... 905

27.  Sicherheit ... 907

       27.1 ... Einbruch mit Ausführung von Code ... 909

       27.2 ... Stapelüberlauf ... 911

       27.3 ... Heap-Überlauf ... 923

       27.4 ... Network Intrusion Detection ... 930

       27.5 ... Ziele der Kryptografie ... 932

       27.6 ... Sichere Hashes ... 934

       27.7 ... Verschlüsselung mit gemeinsamem Schlüssel ... 940

       27.8 ... Diffie-Hellman-Merkle-Schlüsselaustausch ... 954

       27.9 ... Übungen ... 959

28.  Verschlüsselung mit öffentlichem Schlüssel ... 963

       28.1 ... RSA ... 963

       28.2 ... Vorwärts gerichtete Geheimhaltung ... 967

       28.3 ... Vertrauen und der Mann in der Mitte ... 969

       28.4 ... Ende-zu-Ende-Verschlüsselung ... 970

       28.5 ... SSH und TLS ... 971

       28.6 ... IPsec ... 998

       28.7 ... DNSSEC ... 1002

       28.8 ... Beispiele mit RSA-Schlüssel ... 1016

       28.9 ... Übungen ... 1020

  Bibliografie ... 1023

  Index ... 1033

Leseproben

1.4    Datagrammweiterleitung

Beim Datagrammweiterleitungsmodell für die Paketzustellung enthalten die Paketköpfe eine Zieladresse. Es ist Aufgabe der zwischengeschalteten Switches oder Router, diese Adresse zu prüfen und das Paket an das richtige Ziel weiterzuleiten.

Dies wird bei der Datagrammweiterleitung dadurch erreicht, dass jeder Switch eine Weiterleitungstabelle mit

Die »destination«-Einträge in der Weiterleitungstabelle müssen nicht genau mit den Zieladressen der Pakete übereinstimmen, obwohl das hier in den Beispielen – und bei der Ethernet-Datagrammweiterleitung – der Fall ist. Beim IP-Routing entsprechen die »destination«-Einträge in der Tabelle jedoch Präfixen von IP-Adressen; dies führt zu einer enormen Platzersparnis. Die Grundvoraussetzung ist, dass der Switch mithilfe seiner Weiterleitungstabelle und der Zieladresse im ankommenden Paket eine Lookup-Operation durchführen kann, um den nächsten Hop zu bestimmen.

Für den Moment stellen wir noch zurück, wie die Weiterleitungstabelle aufgebaut ist. Wir kommen in Abschnitt 2.4.2, »Ethernet-Lernalgorithmus«, für Ethernet-Switches und in Kapitel 13, »Routing-Update-Algorithmen«, für IP-Router darauf zurück. Vorerst können die Weiterleitungstabellen als durch Erstkonfiguration erstellt betrachtet werden.

In Abbildung 1.3 hat Switch S1 die Schnittstellen 0, 1 und 2 und Switch S2 die Schnittstellen 0, 1, 2, 3. Wenn A ein Paket an B senden will, muss S1 einen Eintrag in der Weiterleitungstabelle aufweisen, der angibt, dass das Ziel B über seine Schnittstelle 2 erreicht wird, und S2 muss einen Eintrag aufweisen, der das Paket über die Schnittstelle 3 weiterleitet.

Abbildung 1.3     Zwei Switches (S1 und S2) mit ihren Schnittstellennummern

Die vollständige Weiterleitungstabelle für S1 mit Schnittstellennummern in der Spalte next_hop könnte folgendermaßen aussehen:

destination	next_hop

A

0

C

1

B

2

D

2

E

2

Tabelle 1.1     Weiterleitung von S1

Die Tabelle für S2 könnte wie folgt aussehen, wobei wir der Einfachheit halber die Ziele A und C zusammengefasst haben.

destination	next_hop

A,C

0

D

1

E

2

B

3

Tabelle 1.2     Weiterleitung von S2

Im oben gezeigten Netzwerk sind alle Verbindungen Punkt-zu-Punkt, und deshalb entspricht jede Schnittstelle dem einzigen unmittelbaren Nachbarn, der von dieser Schnittstelle erreicht wird. Wir können also die Schnittstelleneinträge in der Spalte next_hop durch den Namen des entsprechenden Nachbarn ersetzen. Für menschliche Leserinnen und Leser ist die Verwendung von Nachbarn in der next_hop-Spalte in der Regel deutlich leichter verständlich. Die Tabelle von S1 kann nun wie folgt aussehen (mit Konsolidierung der Einträge für B, D und E):

destination	next_hop

A

A

C

C

B, D, E

S2

Tabelle 1.3     Weiterleitung von S1

Ein zentrales Merkmal der Datagrammweiterleitung ist, dass jedes Paket »isoliert« weitergeleitet wird; die beteiligten Switches haben keine Kenntnis von logischen Verbindungen auf höherer Schicht, die zwischen den Endpunkten bestehen. Man bezeichnet dies auch als zustandslose Weiterleitung: Die Weiterleitungstabellen weisen keinen verbindungsbezogenen Zustand auf. In RFC 1122 wird es folgendermaßen formuliert (im Zusammenhang mit der Datagrammweiterleitung auf IP-Schicht):

Um die Stabilität des Kommunikationssystems zu verbessern, sind die Gateways zustandslos konzipiert, sodass sie jedes IP-Datagramm unabhängig von anderen Datagrammen weiterleiten. Dadurch können redundante Pfade genutzt werden, um auch bei Ausfällen zwischengeschalteter Gateways und Netzwerke einen zuverlässigen Dienst bereitzustellen.

Die grundlegende Alternative zur Datagrammweiterleitung sind virtuelle Verbindungen, Abschnitt 5.4, »Virtuelle Verbindungen«. In Netzwerken mit virtuellen Verbindungen unterhält jeder Router einen Status über jede Verbindung, die ihn durchläuft; verschiedene Verbindungen können unterschiedlich weitergeleitet werden. Wenn die Weiterleitung von Paketen z. B. von verbindungsspezifischen Informationen abhängt – etwa von den beiden TCP-Portnummern – handelt es sich nicht um eine Datagrammweiterleitung. (Abgesehen davon handelt es sich wohl trotzdem um eine Datagrammweiterleitung, wenn Web-Traffic – an TCP-Port 80 – anders weitergeleitet wird als der übrige Traffic, weil diese Regel nicht von der spezifischen Verbindung abhängt).

Bei der Datagrammweiterleitung können manchmal auch andere Informationen als die Zieladresse verwendet werden. Theoretisch kann das IP-Routing auf der Grundlage der Zieladresse und bestimmter Quality-of-Service-Informationen erfolgen, sodass z. B. für Volumen-Traffic mit hoher Bandbreite und für Echtzeit-Traffic mit niedriger Latenz eine unterschiedliche Weiterleitung zum selben Ziel möglich ist. In der Praxis ignorieren die meisten Internet-Service-Provider (ISP) die vom Benutzer bereitgestellten QoS-Informationen im IP-Header, es sei denn, sie haben eine entsprechende Vereinbarung getroffen, und leiten nur auf der Grundlage des Ziels weiter.

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