Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II1 Systeme II – 12te Vorlesung Lehrstuhl für...

Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II 1

Systeme II – 12te Vorlesung

Lehrstuhl für Kommunikationssysteme Institut für Informatik / Technische Fakultät

Universität Freiburg 2009


Letzte Vorlesung

‣ Vertiefung der Transportschicht (TCP/IP)• TCP übernimmt wichtige Aufgaben der Bandbreitenverteilung,

Fluss-Steuerung und Stauvermeidung

• Verschiedene Strategien zur optimalen Datenrate und Bandbreiten-nutzung


Letzte Vorlesung(en)

‣ Verschiedene Implementierungen der Transportschicht‣ Verlässlich oder Unverlässlich

• Best effort oder Quality of Service

• Fehlerkontrolle

‣ Mit oder ohne Congestion Control

‣ Möglichkeit verschiedener Punkt-zu-Punktverbindungen

• Stichwort: Demultiplexen

‣ Interaktionsmodelle

• Byte-Strom, Nachrichten, „Remote Procedure Call“


Letzte Vorlesung(en)

‣ TCP erzeugt zuverlässigen Byte-Strom• Fehlerkontrolle durch “GoBack-N”

‣ Congestion control

• Fensterbasiert

• AIMD, Slow start, Congestion Threshold

• Flusskontrolle durch Window

• Verbindungsaufbau

• Algorithmus von Nagle


Diese Vorlesung

‣ Zur Einführung bereits Verbindungsschicht, dabei auf IPv4 beschränkt

‣ Diese Vorlesung• Spezielle Arten der Paketzustellung für besondere Anwendungs-

fälle: IP Broadcast und Multicast

• Weiterhin: Nächste Generation IP – IPv6


Broadcast

‣ Broadcast Routing in IPv4• Ein Paket soll (in Kopie) an alle ausgeliefert werden

• Spezielle Broadcast-Adresse – größte Adresse im Subnetz (frühere Vorlesung/Übung), z.B.

- Netzwerkadresse: 132.230.4.0/24 (Netzmaske 255.255.255.0)

- Broadcast-Adresse: 132.230.4.255

• Eingesetzt bei DHCP

- Hier Situation etwas anders: Globale Broadcast-Adresse 255.255.255.255, da ja initiale IP 0.0.0.0

- Keine Weiterleitung über Router (andernfalls Fluten des gesamten Internets möglich) außer via speziellem DHCP-Relay Dienst, der Anfrage in Unicast umwandelt


Broadcast

‣ Broadcast Routing in IPv4• Kein Broadcast in Point-to-Point-Verbindungen – hier fallen

Netzwerkadresse, Hostadresse und Broadcast-Adresse zusammen, vgl. heimische DSL-Verbindung

• Lösungen:

- Fluten des Netzwerks – relativ einfach in broadcast-fähigen Layer2/1 Netzen, wie Ethernet oder WLAN – Aufgabe der Netzwerkkomponente

- Besser: Konstruktion eines minimalen Spannbaums


Multicast

‣ Bezeichnet Nachrichtenübertragung von einem Punkt zu einer Gruppe

• Vorteil von Multicast - gleichzeitig Nachrichten an mehrere Teilnehmer oder an eine geschlossene Teilnehmergruppe übertragbar, ohne dass Sender Bandbreite mal Zahl der Empfänger braucht

• Sender benötigt nur die gleiche Bandbreite wie ein einzelner Empfänger

• Vervielfältigung der Pakete an jedem Verteiler (Switch, Router) auf der Route

‣ Unterschiede• Beim Broadcast Verbreitung von Daten, die jeder mit der

passenden Ausrüstung sehen kann

• Beim Multicast dagegen vorherige “Anmeldung” beim Aussender der Daten notwendig


Multicast

‣ Multicast Routing• Ein Paket soll an eine gegebene Teilmenge der Knoten

ausgeliefert werden (in Kopie)

• Lösung:

- Optimal: Steiner Baum Problem (bis heute nicht lösbar)

- Andere (nicht-optimale) Baum-konstruktionen

‣ Reihe von Diensten für die Multicast interessant sein könnte• Service Location Protocol und Multicast DNS als Teilimplemen-

tierung von Zeroconf (statt bspw. DHCP)

• Videokonferenzen mit mehr als zwei Teilnehmern

• Software-Deployment in großen Umgebungen (Cluster-Computing, ...)

• Internet-Radio, -TV o.ä.


IP Multicast

‣ Motivation• Übertragung eines Stroms an

viele Empfänger

‣ Unicast

• Strom muss mehrfach einzeln übertragen werden

• Bottleneck am Sender

‣ Multicast

• Strom wird über die Router vervielfältigt

• Kein Bottleneck mehr

• Einsparung Bandbreite, Kosten


IP Multicast

‣ IPv4 Multicast-Adressen• in der Klasse D (außerhalb des CIDR - Classless Interdomain

Routings, Vorlesungen zu Beginn des Semesters)

• Generell 224.0.0.0 – 239.255.255.255, dabei

- 224.0.0.0 bis 224.255.255.255 reserviert für Routingprotokolle (z.B. mal für OSPF nachsehen – Übung), für diese Adressen sendet Router keine IP-Multicast-Datagramme

- 239.0.0.0 bis 239.255.255.255 für Scoping reserviert, eine Weiterleitung innerhalb dieses Adressbereichs ebenfalls vom Switch abhängig

- Adressen im Bereich 225.x.x.x bis 238.x.x.x sind frei verfügbar

‣ Hosts melden sich per IGMP bei der Adresse an• IGMP = Internet Group Management Protocol

• Nach der Anmeldung wird der Multicast-Tree aktualisiert


IP Multicast

‣ Source sendet an die Multicast-Adresse• Router duplizieren die Nachrichten an den Routern

• und verteilen sie in die Bäume

‣ Angemeldete Hosts erhalten diese Nachrichten• bis zu einem Time-Out

• oder bis sie sich abmelden

‣ Achtung:• Kein TCP, nur UDP – mal überlegen, weshalb kein TCP mit

Multicast möglich ist

• Viele Router lehnen die Beförderung von Multicast-Nachrichten ab

- Lösung: Tunneln


Multicast Routingprotokolle

‣ Distance Vector Multicast Routing Protocol (DVMRP)• jahrelang eingesetzt in MBONE (insbesondere in Freiburg,

Forschungsprojekt des DFN)

• Eigene Routing-Tabelle für Multicast

‣ Protocol Independent Multicast (PIM)

• im Sparse Mode (PIM-SM)

• aktueller Standard

• beschneidet den Multicast Baum

• benutzt Unicast-Routing-Tabellen

• ist damit weitestgehend protokollunabhängig


Multicast Routingprotokolle

‣ Voraussetzung PIM-SM:• benötigt Rendevous-Point (RP) in ein-Hop-Entfernung

• RP muss PIM-SM unterstützen

• oder Tunneling zu einem Proxy in der Nähe eines RP

‣ Wenig weitere Protokolle in IPv4

• Multimedia Broadcast Multicast Service seit 2005 für das Mobilfunksystem UMTS als spezielles Multicast Protokoll

‣ Trotz erfolgreichen Tests & Einsatz

• In Video-Übertragung von IETF-Meetings

• MBONE (Multicast Backbone)

• Diverse Video-Konferenz-Anwendungen


Wenig IP-Multicast

‣ ... gibt es wenig ISP, die IP Multicast in den Routern unterstützen

‣ Warum generell wenig IP-Mutlicast?

• Zusätzlicher Wartungsaufwand

• Schwierig zu konfigurieren

• Verschiedene Protokolle

‣ Gefahr von Denial-of-Service-Attacken• Implikationen deutlich größer als bei Unicast – Zahl der

Teilnehmer, höhere Komplexität des Setups (oft externe beteiligte Router bei Providern / über Site-Grenzen hinweg)


Wenig IP-Multicast

‣ Transport-Protokoll• Nur UDP einsetzbar (Übung – überlegen, warum TCP nicht

funktionieren kann)

• Zuverlässige Protokolle

- Vorwärtsfehlerkorrektur

- Oder propertiäre Protokolle in den Routern (z.B. CISCO)

‣ Marktsituation

• Endkunden fragen kaum Multicast nach (benutzen lieber P2P-Netzwerke)

• Wegen einzelner Dateien und weniger Abnehmer erscheint ein Multicast wenig erstrebenswert (Adressenknappheit!)

‣ Neuer Anlauf mit IPv6


Zukunft des IP

‣ Nun: Behandlung eines alternativen Vermittlungsschichts-protokolls, das IPv4 ersetzen soll

‣ Erfolg und Probleme des derzeitigen Ipv4• Einführung in das kommende IP

• Dazu Ansehen von IPv6 Adressen

• Der IPv6 Header und spezielle “Extension headers”

• IPv6 Fragmentation

• IPv4 zu IPv6 Übergangsszenarien und Protokolle

• DNS und IPv6 (wie wird IPv6 im lange etablierten DNS umgesetzt)


Zukunft des IP - Namen und Versionen

‣ IP v6 – bezeichnet die nächste Internet Protocol Generation‣ Vorausgegangene/Zwischenversionen wurden auch IP -

Next Generation (IPng) genannt• TUBA – (TCP and UDP over Bigger Addresses) –

beschreibt die Idee das OSI connectionless protocol als Ersatz zu benutzen

• SIP – Simple Internet Protocol Plus – Vorgänger von IP v6 SIP nun Abkürzung für “session initiation protocol”

• IP v5 Namensgebung wurde für stream protocol version 2 benutzt

• Deshalb wurde die nächst verfügbare Versionsnummer (6) benutzt

Zukunft des IP

IP version 6 seit Juli 1994 definiert (RFC ...) Normalerweise wird aus folgenden Gründen von einer sehr

erfolgreichen Implementation zu einer neuen gewechselt- schnelles, exponentielles Wachstum von vernetzten

Computern

- Mangel (limit) an Adressen

- neue Anforderungen an die Internetinfrastruktur (streaming, real-time service wie VoIP, video on demand)

• IP v6 ist der nächste Schritt von IP v4. Es kann wie ein normales Software-Upgrade installiert werden und ist kompatibel mit IP v4.

• Nächste Folie: OSI – IP v6 ersetzt IP v4 auf dem Network Layer ...


Zukunft des IP – OSI und IPv6

Probleme des IPv4

Aktuelle IP Version – Version 4 – ist 25+ Jahre alt (ziemlich alt in der Computerwelt)- 32 Bit Adressbereich ist zu klein (max. Anzahl an Adressen

kleiner als Anzahl der Erdbewohner, ohne den Verlust durch die großzügige Zuordnung zu beachten)

- Routing ist ineffizient (lange Routing-Tabellen, Probleme mit der Aggregation)

- schlechte Unterstützung für mobile Geräte (Roaming)

- gestiegenes Sicherheitsbedürfnis

• Aber einige der Probleme stammen aus den späten neunziger Jahren und wurden meistens gelöst oder sind nicht mehr so wichtig ... somit verschoben auf die Umstellung auf das neue System


Erfolg des IPv4

‣ IP v4 ist ein wichtiger bestandteil von neuen Technologien • andere third layer Protokolle wie AppleTalk, IPX, NetBIOS sind fast

vollständig verschwunden

• Paket-orientierte IP Dienste werden sorgar für Sprach- und Multimedia-Dienste mit erhöhten Anforderungen an Quality of Service verwendet

• IP war offen für Verbesserungen: z.B. Wechsel von classful zu classless interdomain routing

• IP war in der Lage auf jede Art von Hardware zu laufen, z.B. Wireless LAN


Erfolg des IPv4

‣ IP wurde seit seinem anfänglichen Design dramatisch verändert

Grundprinzipien sind immernoch aktuell

Neue Hardware

Anzahl von vernetzten Computern im privaten Netzwerk und im Internet nimmt zu

Zuwachs Größe – von einigen Dutzend bis zu einigen Millionen von

Computern

Geschwindigkeit – von 9,6 Kbps über GSM-Mobilfunknetze bis zu 10 Gbps über Ethernet oder frame delay WAN Verbindungen

Erhöhte Frame Größe (MTU) in neuen Geräten


Einführung – warum IPv6?

‣ IETF hat eine völlig neue Version vorgeschlagen, um einige spezifische Probleme zu lösen

‣ Addressraum• Aber...die meisten Adressen sind “Class C” und damit zu wenige

für größere Firmen oder Organisationen

• 214 “Class B” Netzwerk Adressen sind bereits fast restlos vergeben beziehungsweise in Benutzung

• Verschwenderische Nutzung des Adressraums (gesammtes “class A” Netzwerk for just the loopback device, kein Netz startet mit 0 oder 255)

• Geografische Lage spielt keine Rolle bei der IP Adressen Vergabe.

• Zukünftige Mobiltelefone/Netze könnten neueres Adressen Schema verwenden


Einführung – Adressknappheit/Erschöpfung

‣ Geoff Huston (als Beispiel für Debatte)• if main focus of applications stays to client/server principle and

number of peer-to-peer applications does not increase significantly article of July 2003: exhaustion expected in 2022

• http://www.potaroo.net/presentations/2003-09-04-V4-AddressLifetime.pdfarticle of september 2003: expectation even of 2045

• http://www.potaroo.net/presentations/2003-09-04-V4-AddressLifetime.pdf

‣ Heise-Artikel zur Ipv6-Konferenz/Einführung/Probleme

• http://www.heise.de/netze/Experten-warnen-vor-Sicherheitsrisiken-bei-IP-Adressteilung--/news/meldung/135241

• http://www.heise.de/kiosk/archiv/ix/2008/7/30_kiosk

• http://www.heise.de/newsticker/Netz-ohne-IPv4-nicht-viele-Moeglichkeiten-zum-Ausgehen-Update--/meldung/105110

http://www.potaroo.net/presentations/2003-09-04-V4-AddressLifetime.pdf




http://www.heise.de/netze/Experten-warnen-vor-Sicherheitsrisiken-bei-IP-Adressteilung--/news/meldung/135241

http://www.heise.de/netze/Experten-warnen-vor-Sicherheitsrisiken-bei-IP-Adressteilung--/news/meldung/135241

http://www.heise.de/kiosk/archiv/ix/2008/7/30_kiosk


Einführung – Weitere Gründe für IPv6‣ Type of service

Verschiedene Anwendungen haben verschiedene Anforderungen an die Auslieferung der Pakete, Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit

IPv4 verfügt über eine “Type of service” - Möglichkeit, die allerdings extrem selten implementiert ist

Hilfsprotokolle für Multimedia QoS werden sehr selten verwendet

QoS Routing funktioniert nur hop-by-hop

mehr zu QoS in einer späteren Vorlesung

Multicast in IPv4 Eher expermentell in IPv4, nicht wirklich in Produktion eingesetzt

Verschwendung von IP-Adressen aus dem Adressbereich 224.0.0.0 - 254.255.255.255 , da diese für Experimentelle Dinge reserviert sind

Einführung ins zukünftige IP – Adressen

2128 ergibt ca. 3,4*1038 mögliche IP Adressen Das sollte für eine Weile ausreichen :)

6,4*1028 für jedne Menschen auf der Erde

6,6*1014 für jeden Quadrat-Millimeter Fläche auf der Erde

Genug Möglichkeiten Adressen zu verschwenden oder wenig sinnvoll einzusetzen

IPv6 16 byte lange Adressen Eien klassische Represenation der Adressen, z.B.

132.230.4.44 (4 byte IP v4 address) kann von einem Menschen nur sehr schwer gelesen und verarbeitet werden

Einführung ins zukünftige IP – Adressformat

IPv6-Adressen werden gewöhnlicherweise hexadezimal (IPv4: dezimal) notiert, wobei die Zahl in acht Blöcke zu jeweils 16 Bit unterteilt wird. Diese Blöcke werden durch Doppelpunkte (IPv4: Punkte) getrennt notiert.

Beispiel: 2822:0000:0000:0000:0000:0005:EBD2:7008

2001:: (GEANT address prefix)

2001:07C0:0100::/48 (BelWue address prefix)

2001:07C0:0100::/64 (Freiburg Universität)

Domain Name System (DNS) noch wichtiger als bei IPv4 Kompression zum besseren Adresshandling

Einführung ins zukünftige IP – Adressformat

Komprimierung geschieht durch: Ein oder mehrere aufeinander folgende Blöcke, deren Wert 0

(bzw. 0000) beträgt, dürfen ausgelassen und durch zwei Doppelpunkte ersetzt werden

Führende Nullen innerhalb eines Blockes dürfen ausgelassen werden

Die Adresse 0000:0000:0000:0000:00A5:B8C1:009C:0018 wird vereinfacht

zu: ::A5:B6C1:9C:18

1000:0000:0000:0000:20A5:B8C1:0001:00A3 kann zu 1000:0:0:0:20A5:B8C1:1:A3 komprimiert werden und letztendlich noch zu 1000::20A5:B8C1:1:A3

IP v6 – Adresstypen

IP v6 kennt drei Typen von Adressen Klassische unicast Adressen

Multicast Adressen

Neuer Typ von Adressen: anycast oder cluster


Ende der siebten VorlesungEnde der zwölften Vorlesung

Weiter geht es am Mittwoch, den 24.6. mit der nächsten Vorlesung – Fortsetzung zu IPv6 – Lecture in English Language (paedagogical feature :))

Nicht vergessen: Morgen (am 23.6.) Uni-Wahlen - schräg gegenüber vom Vorlesungsaal im 101

Assistent sitzt zur Kontrolle da :)

Alle relevanten Informationen auf der Webseite zur Vorlesung: http://www.ks.uni-freiburg.de/php_veranstaltungsdetail.php?id=28

Vorbereitung: Lesen des Kapitels 4.4 zu IPv6 im Kurose&Ross oder entsprechende Seiten in der angegebenen Literatur!

Torsten Braun: IPnG – Neue Internet-Dienste und virtuelle Netze (dpunkt.verlag, nicht mehr ganz taufrisch)

http://www.ks.uni-freiburg.de/php_veranstaltungsdetail.php?id=28

http://www.ks.uni-freiburg.de/php_veranstaltungsdetail.php?id=28

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