Technik der IP-Netze

Anatol Badach, Erwin Hoffmann Technik der IP-Netze TCP/IP incl. IPv6 - Funktionsweise, Protokolle und Dienste ISBN-10: 3-446-21935-8 ISBN-13: 978-3-446-21935-9 Vorwort Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-21935-9 sowie im Buchhandel Vorwort Das Internet ist inzwischen zum unabdingbaren Kommunikationsmedium ge- worden, über das jeder zu jeder Zeit Information über fast alles abrufen sowie E-Mails senden und empfangen kann. Unsere heutige Gesellschaft kann man sich ohne Internet kaum noch vorstellen. Voraussetzung zur Kommunikation zwischen Rechnern sind bestimmte Regeln, die vor allem die Datenformate und die Prinzipien der Datenübermittlung festlegen. Diese Regeln werden als Kommunikationsprotokolle bezeichnet. TCP/IP (Transmission Control Proto- col/Internet Protocol) stellt eine derartige Protokollfamilie dar, sie wird im weltweiten Internet, in privaten Intranets und in anderen Netzen verwendet. Netze, die auf dieser Protokollfamilie aufbauen, bezeichnet man als IP-Netze. Ein IP-Netz – und insbesondere das Internet – besteht nicht nur aus mehreren Komplexität Rechnern und IP/TCP dazwischen, sondern dahinter verbergen sich sehr kom- und Weiter- plexe Vorgänge. Das Internet stellt einen weltweiten Dienst für die Übermitt- entwicklung lung von Informationen in Form von IP-Paketen dar. Vergleicht man diesen Dienst mit dem Briefdienst der Post, so entspricht ein IP-Paket einem Brief und die sog. IP-Adresse einer postalischen Adresse. Das massive Wachstum des In- ternet und die hierbei entstehenden Probleme und neuen Anforderungen haben die Entwicklung sowohl eines neuen Internet-Protokolls – des sog. IPv6 – als auch von neuen Techniken – d.h. MPLS (Multi-Protocol Label Switching) und GMPLS (Generalized MPLS) – für die Übermittlung der IP-Pakete über Hoch- geschwindigkeitsnetze, insbesondere über optische Netze, vorangetrieben. Heute spricht man bereits von Next Generation IP Networks. Dieses Buch gibt eine detaillierte Darstellung von einzelnen Komponenten der Ziel TCP/IP-Protokollfamilie, wie z.B. IP, TCP, UDP, DNS, DHCP, und von Rou- des Buches ting sowohl beim klassischen Protokoll IP als auch beim neuen Protokoll IPv6. Das Buch erläutert die Strategien für die Migration zum Einsatz von IPv6 und präsentiert die Konzepte für Aufbau der IP-Netze auf der Basis verschiedener Netztechnologien wie LANs, ATM, SDH und WDM. Hierbei wird insbesonde- re die neue Generation der IP-Weitverkehrsnetze mit (G)MPLS in den Vorder- grund gestellt. Die Realisierung von Virtual Private Networks (VPN) in klassi- schen IP-Netzen mithilfe des IPsec (IP Security) und auch in IP-Netzen mit (G)MPLS wird ebenso präsentiert. Die Darstellung von Möglichkeiten für die Unterstützung der Mobilität in IP-Netzen rundet den Inhalt dieses Buches ab. Das Buch ist so aufgebaut, dass sowohl die notwendigen technischen Grundla- An wen gen fundiert dargestellt als auch Aspekte bei der Planung und Verwaltung der richtet sich IP-Netze diskutiert werden. Damit eignet es sich nicht nur als Lehrbuch für das Buch? Studenten und Neueinsteiger, sondern auch als Nachschlagewerk für alle Inte- XX Vorwort ressenten, die für die Planung, Realisierung, Verwaltung und Nutzung des In- ternet, von privaten Intranets und anderen IP-Netzen verantwortlich sind. Zur- zeit ist kein Buch verfügbar, in dem die Technik der IP-Netze so breit darge- stellt wäre. Daher kann dieses Buch als ein Handbuch für alle Netzwerk-Ver- antwortlichen dienen. Durch die praxisorientierte und fundierte Darstellung der Inhalte werden auch alle „Netzwerk-Fans“ mit diesem Buch beim Selbststu- dium unterstützt. Kapitel 1 Kapitel 1 präsentiert die Entwicklung des Internet sowie die notwendigen Grundlagen der Rechnerkommunikation und der Kommunikationsprotokolle. Zur systematischen Erläuterung wird hier u.a. das sog. ISO-Referenzmodell (Open System Interconnection) präsentiert. Hier wird auch ein kompakter Überblick über alle Protokolle und Dienste in IP-Netzen gegeben sowie eine kurze Einführung in die Internet-Standards und die Struktur der Organisation IETF. Kapitel 2 Kapitel 2 stellt sowohl IPv4 als auch die Protokolle ARP, ICMP und IGMP, die dem IPv4 zur Seite stehen, umfassend dar. Da die Nutzung des IP vor allem mit der Vergabe von IP-Adressen für die Rechner und mit der Bildung von Subnetzen verknüpft ist, werden hier die mit der Adressierung in IP-Netzen verbundenen Probleme ausführlich diskutiert. Ein weiteres Thema ist das Multicasting in IP-Netzen. Kapitel 3 Von großer Bedeutung in IP-Netzen ist die sog. Transportschicht mit den klas- sischen Protokollen TCP und UDP und dem neuen Protokoll SCTP. Da das Protokoll IP keine gesicherte Übermittlung seiner Pakete garantiert, verwendet man hauptsächlich das TCP und in einigen Fällen das SCTP, um die Übermitt- lung der IP-Pakete sicher zu machen. Kapitel 3 präsentiert die Aufgaben der Transportschicht und geht detailliert auf die Funktionsweise der Transportpro- tokolle ein. Kapitel 4 Die Rechner in IP-Netzen werden zwar durch ihre IP-Adressen lokalisiert, aber es ist sinnvoll, statt einer IP-Adresse einen Rechner über seinen Namen anzu- sprechen – wie dies auch unter Menschen üblich ist. Dies ist mit dem Domain Name System (DNS) möglich. Kapitel 4 liefert eine moderne Funktionsbe- schreibung des DNS und geht auf die Möglichkeiten des DNS-Einsatzes ein. Zudem wird das Protokoll DHCP vorgestellt, mit dessen Hilfe ein Rechner sich eine IP-Adresse nach Bedarf selbst von einem speziellen Server ausleihen kann. Kapitel 5 Da die IP-Adressen knapp geworden sind, wurden verschiedene Konzepte ent- wickelt, um in privaten IP-Netzen die sog. privaten IP-Adressen nutzen zu können. Man spricht in diesem Zusammenhang von Network Address Transla- tion (NAT). Kapitel 5 stellt die verschiedenen Konzepte für NAT vor und er- läutert zusätzlich die Funktionsweise und die Anwendungen der Netzdienstpro- tokolle SOCKS, SSL und LDAP. Vorwort XXI Um den steigenden Anforderungen gerecht zu werden, wurde das IPv6 als „IP Kapitel 6 der nächsten Generation“ entwickelt. Kapitel 6 stellt das IPv6 ausführlich dar und zeigt, welche neuen Möglichkeiten es mit sich bringt. Diese reichen von Sicherheitsfunktionen über mehr Flexibilität bis hin zur Unterstützung von neuartigen Anwendungen. Außerdem wird das Hilfsprotokoll ICPM beim IPv6 – das sog. ICMPv6 – dargestellt. Das IPv6 bietet umfangreiche Unterstützung der automatischen Konfiguration Kapitel 7 von Rechnern, sodass man hierbei sogar von Plug&Play-Konfiguration spricht. Diese Aspekte werden in Kapitel 7 präsentiert. Hier wird insbesondere der Einsatz des Protokolls NDP (Neighbor Discovery Protocol) dargestellt und es wird erläutert, welche neuen Möglichkeiten bei der automatischen Konfigurati- on von Rechnern mithilfe der Protokolle NDP und DHCPv6 entstehen. Da die Umstellung von allen Rechnern, in denen das klassische Internet-Proto- Kapitel 8 koll IP verwendet wird, auf das neue Protokoll IPv6 nicht auf einen Schlag ge- schehen kann, benötigt man bestimmte Systemlösungen für die Migration zum IPv6-Einsatz. Kapitel 8 gibt einen Überblick über verschiedene Ansätze und Systemlösungen für die Koexistenz von IPv4 und IPv6 in verschiedenen Netz- strukturen. Insbesondere auf IPv6-in-IPv4-Tunneling und IPv4-in-IPv6-Tunne- ling wird hier eingegangen. Die Integration der IPv4- und der IPv6-Netze durch die Translation IPv4 IPv6 wird ebenfalls präsentiert. Router fungieren in klassischen IP-Netzen als Knoten. Sie ermitteln optimale Kapitel 9 Übermittlungswege, die sog. Routen, für die IP-Pakete und leiten die empfan- genen IP-Pakete weiter. Kapitel 9 bietet eine komprimierte Darstellung von Routing-Grundlagen und -Protokollen. Ausführlich werden hier die Routing- Protokolle RIP-1, RIP-2, OSPF und BGP-4 erläutert. Dieses Kapitel zeigt auch, wie eine redundante Router-Auslegung mit Hilfe der Protokolle HSRP und VRRP erfolgen kann, und es stellt die Protokolle PIM-SM und MSDP für das Multicast-Routing vor. In vielen Unternehmen werden heute noch gleichzeitig unterschiedliche Netz- Kapitel 10 technologien für die Rechnerkommunikation eingesetzt. Daher erläutert Kapi- tel 10 die Konzepte für den Einsatz des IP in Netzen auf der Basis klassischer Netztechnologien wie LANs, X.25, Frame Relay und ATM. Die Möglichkeiten der IP-Kommunikation über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen nach dem PPP werden hier ebenfalls dargestellt. Next Generation IP Networks im Weitverkehrsbereich werden zukünftig auf Kapitel 11 der MPLS-Technik basieren. Das MPLS erleichtert die Konvergenz von Ether- nets mit den Frame-Relay- und den ATM-Netzen. Um das MPLS in SDH- und in WDM-Netzen einsetzen zu können, wurde das MPLS zum GMPLS (Gene- ralized MPLS) erweitert. Kapitel 11 stellt die Konzepte und Protokolle für den Aufbau der IP-Netze mit dem MPLS und dem GMPLS vor. Mit Hilfe von Tunneling-Techniken lassen sich virtuelle Standleitungen für den Kapitel 12 Transport von vertraulichen Daten über öffentliche IP-Netze aufbauen. Dies hat zur Entstehung von VPNs (Virtual Private Network) geführt. Mit VPNs werden XXII Vorwort oft Remote Access Services (RAS) integriert.

Anatol Badach, Erwin Hoffmann Technik der IP-Netze TCP/IP incl. IPv6 - Funktionsweise, Protokolle und Dienste ISBN-10: 3-446-21935-8 ISBN-13: 978-3-446-21935-9 Inhaltsverzeichnis Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-21935-9 sowie im Buchhandel Inhalt 1 Grundlagen der IP-Netze....................................................................... 1 1.1 Entwicklung des Internet ..................................................................................... 2 1.1.1 Internet vor der Nutzung des WWW....................................................... 2 1.1.2 Die Schaffung des WWW ....................................................................... 4 Hauptkomponenten des Web-Dienstes.................................................................5 Adressierung von Web-Ressourcen..................................................................... 6 1.1.3 Internet nach der Etablierung des WWW................................................ 7 1.1.4 Die Zukunft des Internet ......................................................................... 8 1.2 Funktionen der Kommunikationsprotokolle...................................................... 10 1.2.1 Prinzipien der Fehlerkontrolle............................................................... 10 1.2.2 Realisierung der Flusskontrolle............................................................. 13 1.2.3 Überlastkontrolle................................................................................... 15 1.3 Schichtenmodell der Kommunikation ............................................................... 16 1.3.1 Konzept des OSI-Referenzmodells ....................................................... 17 1.3.2 Schichtenmodell der Protokollfamilie TCP/IP...................................... 20 1.4 Allgemeine Prinzipien der IP- Kommunikation ................................................ 22 1.4.1 Bildung von IP-Paketen ........................................................................ 22 1.4.2 Netzwerkschicht in IP-Netzen............................................................... 24 Verbindungslose Netzwerkschicht .....................................................................24 Verbindungsorientierte Netzwerkschicht ...........................................................25 1.4.3 Verbindungslose IP-Kommunikation im Internet ................................. 26 1.4.4 Transportschicht in IP-Netzen............................................................... 27 1.4.5 Multiplexmodel der Protokollfamilie TCP/IP ....................................... 31 1.5 Komponenten der Protokollfamilie TCP/IP ...................................................... 32 1.5.1 Protokolle der Netzwerkschicht ............................................................ 33 1.5.2 Protokolle der Transportschicht ............................................................ 33 1.5.3 Komponenten der Anwendungsschicht................................................. 34 1.6 IETF und Internet-Standards ............................................................................. 38 1.7 Schlussbemerkungen ......................................................................................... 40 VI Inhalt 2 Internet-Netzwerkprotokolle IPv4, ARP, ICMP und IGMP ........... 41 2.1 Aufgaben von IP ................................................................................................42 2.2 Aufbau von IPv4-Paketen ..................................................................................42 2.2.1 Differentiated Services ..........................................................................45 2.2.2 Fragmentierung der IPv4-Pakete ...........................................................47 2.2.3 Optionen in IP-Paketen..........................................................................50 2.3 IPv4-Adressen....................................................................................................53 2.3.1 Darstellung von IP-Adressen .................................................................55 2.3.2 Standard-Subnetzmaske.........................................................................56 2.3.3 Vergabe von IP-Adressen ......................................................................58 2.4 Bildung von Subnetzen ......................................................................................61 2.4.1 Bestimmen von Subnetz-IDs und Host-IDs...........................................62 2.4.2 Zielbestimmung eines IP-Pakets beim Quellrechner .............................66 2.4.3 Adressierungsaspekte in IP-Netzen .......................................................67 2.5 Klassenlose IP-Adressierung (VLSM, CIDR) ...................................................70 2.5.1 Konzept der klassenlosen IP-Adressierung............................................71 Erweitertes Netzwerkpräfix ............................................................................... 72 Präfixlänge in Routing-Tabellen........................................................................ 74 2.5.2 VLSM-Nutzung .....................................................................................75 VLSM-Einsatz zur Strukturierung von Netzwerken .......................................... 76 Aggregation von Routen bei der VLSM-Nutzung ............................................. 78 Voraussetzungen für den effizienten VLSM-Einsatz......................................... 79 2.5.3 CIDR-Einsatz.........................................................................................80 Beispiel für CIDR-Adresszuweisung................................................................. 81 Aggregation von Routen mit CIDR ................................................................... 82 Voraussetzungen für den effizienten CIDR-Einsatz .......................................... 84 2.6 Protokolle ARP und RARP ................................................................................85 2.6.1 Protokoll ARP........................................................................................85 2.6.2 Proxy-ARP.............................................................................................89 2.6.3 Protokoll RARP .....................................................................................93 2.7 Protokoll ICMP ..................................................................................................94 2.7.1 ICMP-Nachrichten.................................................................................95 2.7.2 ICMP-Fehlermeldungen ........................................................................97 2.7.3 ICMP-Anfragen .....................................................................................98 2.7.4 Pfad-MTU Ermittlung .........................................................................100 Inhalt VII 2.8 IP-Multicasting ................................................................................................ 101 2.8.1 Multicast- Adressen ............................................................................ 102 2.8.2 Internet Group Management Protocol................................................. 104 2.9 Schlussbemerkungen ....................................................................................... 107 3 Transportprotokolle TCP, UDP und SCTP ..................................... 109 3.1 Grundlagen der Transportprotokolle ............................................................... 110 3.2 Konzept und Einsatz von UDP ........................................................................ 112 3.2.1 Aufbau von UDP-Paketen................................................................... 113 3.2.2 Protokoll UDP-Lite ............................................................................. 114 3.3 Funktion des Protokolls TCP........................................................................... 116 3.3.1 Aufbau von TCP-Paketen.................................................................... 117 3.3.2 Konzept der TCP-Verbindungen......................................................... 121 3.3.3 Auf- und Abbau von TCP-Verbindungen ........................................... 123 3.3.4 Flusskontrolle bei TCP........................................................................ 126 3.3.5 TCP Sliding-Window-Prinzip ............................................................. 128 3.4 Implementierungsaspekte von TCP................................................................. 132 3.4.1 Klassische TCP-Algorithmen.............................................................. 133 3.4.2 Abschätzung von Round Trip Time .................................................... 134 3.4.

Anatol Badach, Erwin Hoffmann Technik der IP-Netze TCP/IP incl. IPv6 - Funktionsweise, Protokolle und Dienste ISBN-10: 3-446-21935-8 ISBN-13: 978-3-446-21935-9 Leseprobe Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-21935-9 sowie im Buchhandel 1 Grundlagen der IP-Netze Die heutige Gesellschaft kann man sich ohne Internet kaum noch vorstellen. Internet als Das Internet ist ein weltweites Rechnernetz, in dem die Daten mit dem sog. In- IP-Netz ternet Protocol (IP) übermittelt werden. Das Internet und alle anderen Netze mit dem Protokoll IP nennt man IP-Netze. Die Kommunikation zwischen zwei Rechnern über ein IP-Netz bedeutet aber nicht nur zwei Rechner und IP dazwi- schen, sondern dahinter verbergen sich sehr komplexe Kommunikationsregeln, die in Form von sog. Kommunikationsprotokollen spezifiziert werden. In IP-Netzen bilden alle Kommunikationsprotokolle eine Protokollfamilie, die Protokoll- sog. Protokollfamilie TCP/IP. Diese Familie, die sich seit mehr als 30 Jahren familie entwickelt hat, enthält außer IP und TCP (Transmission Control Protocol) eine TCP/IP Vielzahl weiterer Protokolle. Um diese Protokolle systematisch erläutern zu können, ist ein anschauliches Modell sehr hilfsreich. Es basiert auf dem sog. OSI-Referenzmodell (Open System Interconnection), das bereits Ende 70er- Jahre eingeführt wurde. Dieses Kapitel schildert in Abschnitt 1.1 kurz die bisherige und zukünftige Überblick Entwicklung des Internet und beschreibt in komprimierter Form die Haupt- über das komponenten des WWW (World Wide Web). Abschnitt 1.2 erläutert die grund- Kapitel legenden Funktionen der Kommunikationsprotokolle. Dem Schichtenmodell für die Darstellung von Prinzipien der Rechnerkommunikation widmet sich Ab- schnitt 1.3. Allgemeine Prinzipien der Kommunikation in IP-Netzen erläutert Abschnitt 1.4. Die wichtigsten Komponenten der Protokollfamilie TCP/IP prä- sentiert kurz Abschnitt 1.5. Auf die Internet-Standards und die Struktur der Or- ganisation IETF geht Abschnitt 1.6 ein. Die Schlussbemerkungen in Abschnitt 1.7 runden dieses Kapitel ab. In diesem Kapitel werden u.a. folgende Fragen beantwortet: Ziel dieses Wie hat sich das Internet bisher entwickelt und welche Trends gibt es bei Kapitels der Weiterentwicklung? Welche Funktionen liegen den Kommunikationsprotokollen zugrunde? Wie kann die Kommunikation in IP-Netzen mithilfe eines Schichtenmodells anschaulich dargestellt werden? Wie können die verbindungslose und die verbindungsorientierte Kommuni- kation in IP-Netzen interpretiert werden? Welche Bedeutung hat die sog. Transportschicht in IP-Netzen mit den Pro- tokollen TCP und UDP? Wie koordiniert die IETF die technologische Internet-Weiterentwicklung? 2 1 Grundlagen der IP-Netze 1.1 Entwicklung des Internet Es begann Die ersten Spuren, die in indirekter Form zur Entstehung des Internet beigetra- in den 60er- gen haben, führen zurück in die 60er-Jahre. In dieser Zeit wurde zum ersten Jahren Mal für die amerikanische Regierung eine Kommunikationsform für den Fall eines nuklearen Krieges erforscht. Die damaligen Überlegungen beinhalten be- reits die noch heute geltenden Grundprinzipien der paketvermittelnden Kom- munikation. Die Entwicklung des Internet lässt sich grob in folgende Phasen einteilen: Das Internet vor der Nutzung des WWW (World Wide Web): Aufbau- und Experimentierphase als ARPANET und Verbreitung des Internet vor allem als Forschungs- und Wissenschaftsnetz, Die Schaffung des WWW, Das Internet nach der Etablierung des WWW als weltweite Kommunika- tionsstruktur für wissenschaftliche, private und kommerzielle Nutzung. 1.1.1 Internet vor der Nutzung des WWW ARPANET Die Geschichte des Internet ist eng mit der Entstehung des ersten Rechnernet- als Vorläufer zes im Jahr 1969 auf der Welt eng verbunden. Die Entwicklung dieses Rech- des Internet nernetzes wurde vom US Defense Advanced Research Project Agency (DARPA), einer Organisation des Department of Defense (DoD), initiiert und es trug den Namen ARPANET (Advanced Research Project Agency Network). Abbildung 1.1-1 illustriert den Aufbau von ARPANET. 1 8 2 2 P ro to k o ll T A C ... IM P IM P IM P IM P U T A H IL L I M IT IM P S R I IM P C A S E 1 8 2 2 L IN C L P ro to k o ll IM P IM P IM P C A R N G IM P S T F D S O C U C S B IM P IM P IM P U C L A R A N D IM P B U R R 1 8 2 2 IM P T A C B B N H A R V P ro to k o ll ... Abb. 1.1-1: Allgemeiner Aufbau von ARPANET TAC: Terminal Access Controller, IMP: Internet Message Processor 1.1 Entwicklung des Internet 3 DARPA wollte zunächst digitale Telekommunikation auf Basis einer „packet switching“-Me- Geburt von thode über unterschiedliche Netze bereitstellen. Als erster Schritt hierzu wurde am 2. September ARPANET 1969 an der University College of Los Angeles (UCLA) ein Computer an einen sog. Internet Mes- sage Processor (IMP) angeschlossen. Der IMP war auf der Basis eines Honeywell 516 Rechners der Firma Bolt, Beranek & Newman (BBN) gebaut worden. Anfang der 70er-Jahre wurden die mittlerweile 15 zusammengeschalteten IMPs unter dem Na- 70er-Jahre men ARPANET gehandelt. Das Kommunikationsprotokoll der IMPs trug die Bezeichnung BBN 1822 und kann als Vorläufer von IP gelten. Um ARPANET mit anderen Paketnetzen koppeln zu können, wurden 1974 ein Internetwork-Protokoll sowie Gateways entwickelt. Die weitere technische Entwicklung der zunächst NCP (Network Control Program) genannten ICCB und Protokolle wurde vom DARPA entkoppelt und in die Obhut des Internet Configuration Control NCP Board (ICCB) gegeben. Mit der 1983 von der Defense Communication Agency (DCA) vorge- nommenen Trennung des militärisch genutzten Teils des Netzes MILNET vom ARPANET war ein weiterer wichtiger Schritt für die breite öffentliche Entwicklung des Internet gemacht. Diese Trennung hatte auch entscheidenden Einfluss auf das Betriebssystem UNIX, das von der BSD und So- Firma AT&T 1969/1970 entwickelt wurde. Wiederum am UCLA wurde in dieses Betriebssystem ckets (genauer: unter UNIX System III) eine Netzwerk-Programmierschnittstelle Sockets implemen- tiert, die es erlaubte, eine direkte Rechnerkommunikation mit dem ARPANET aufzunehmen. Dieses UNIX wurde als Berkeley Software Distribution (BSD) gegen eine geringe Gebühr abge- geben und fand daher schnellen Einzug in Lehre und Forschung. Die weitere Verbreitung von UNIX und Internet sowie ihre technische Fortführung waren die Folge. Nach der ersten Version BSD 4.0 folgte 4.2 und anschließend 4.3, wobei die spätere kommerzielle Weiterentwicklung durch die Firma SUN Microsystems als Betriebssystem SUN OS und später Solaris erfolgte. Eine 1983 stattfindende Reorganisierung des ICCB führte nicht nur zur Konstituierung des Inter- IAB und net Activity Board (IAB) anstelle des ICCB, sondern auch zur Festlegung der als Standard gel- TCP/IP tenden, nun TCP/IP genannten Protokollfamilie. Mit der weiteren Entwicklung wurde auch die- ser organisatorische Rahmen zu eng. Das IAB wurde zum Internet Architecture Board umfir- miert und u.a.