U3 Netzwerkprotokolle

Netzwerkprotokolle

• Protokolle sind wie Vereinbarungen
• sie dienen dazu, Vereinbarung darüber zu treffen, wie zwei Computer miteinander kommunizieren und Daten austauschen
• Datenaustausch soll möglichst schnell und fehlerfrei durchgeführt werden
• beide Computer müssen über gleiches Protokoll verfügen, sonst Kommunikation unmöglich
• sie stellen sicher, dass beide Computer sich über die Übertragung der Information einig sind
• gebräuchlichstes Netzwerkprotokoll: TCP/IP
• Zusammenspiel verschiedener Protokolle häufig erforderlich
• die einzelnen Protokolle werden in Schichten organisiert
• Was wird mit Protokollen vereinbart?
• Größe der Daten
• Codierung der Daten
• Art der Übertragung
• Sender / Empfänger
• zusätzlich beteiligte Protokolle
• Daten
• --> dies wird im Header den Nutzdaten vorangestellt oder im Trailer den Nutzdaten angehängt

Aufgaben eines Protokolls

• Aufgaben eines Protokolls:
• sicherer und zuverlässiger Verbindungsaufbau
• verlässliches Zustellen von Paketen
• wiederholtes Senden nicht angekommener Pakete
• Zustellen der Datenpakete an gewünschten Empfänger
• Sicherstellen einer fehlerfreien Übertragung (Prüfsumme)
• Zusammenfügen ankommender Datenpakete in richtiger Reihenfolge
• Verhinderung des Auslesens durch unbefugte Dritte (Verschlüsselung)
• Verhinderung der Manipulation durch unbefugte Dritte (durch MACs oder elektr. Signaturen)
• Vorteile eines Referenzmodells:
• Komplexe Zusammenhänge lassen sich in kleine, überschaubare Einheiten (Schichten) zerlegen.
• Für jede Schicht lassen sich Regeln (Protokolle) definieren, wie die Informationen zu verarbeiten sind.
• Jede Schicht funktioniert unabhängig vom restlichen System.
• Schichten und Protokolle können in verschiedenen technischen Systemen verwendet werden.

OSI, TCP/IP & Protokolle

OSI-Schichtenmodell

• ISO (International Standardization Organisation) entworfen
• OSI (Open System Interconnection) besteht aus 7 Schichten
• Referenzmodell für herstellerunabhängige Kommunikationssysteme
• Jede Schicht bietet der darüber liegenden Schicht definierte Dienste an und für seinerseits Dienste für darunter liegende Schicht
• Schichteneinteilung erfolgt mit definierten Schnittstellen
• Einzelne Schichten können ohne große Gesamtänderungen ausgetauscht und angepasst werden
• Schichten 1 bis 4 sind die transportierenden Schichten (physikalischer Datentransport bis zu den physikalischen Endpunkten der Systeme)
• Schichten 5 bis 7 sind anwendungsorientierte Schichten (Handhabung der Schnittstellen)
• Übertragungsmedium (Verbindungskabel) ist nicht im OSI-Schichtenmodell festgelegt.
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• Pie de imagen: OSI-Referenzmodell

OSI-Schichtenmodell

• Bitübertragungsschicht – Schicht 1 – (Physical)
• Zuständig für den physikalischen Transport der digitalen (binären) Informationen in Paketen über Ethernet-Frames
• Überwacht die Funktion dieser Schicht durch zyklisches Prüfen von Steuerleitungen (getrennt von den Datenleitungen)
• Datenleitungen bestehen wahlweise aus Twisted-Pair- oder Glasfaserkabeln
• Bei langen Datenleitungen werden Repeater zu Verstärkung der Signale benutz
• Datensicherungsschicht – Schicht 2 – (Link)-
• Zuständig für unverfälschten Datentransport über einen einzelnen Übermittlungsabschnitt
• Flusssteuerung überwacht die vollständige und richtige Übertragung der Daten von der darunter liegenden Schicht
• Zur Sicherung der Übertragung und Verhinderung von Kollisionen kommt das CSMA/CD Protokoll für Ethernet bzw. CSMA/CA für WLAN zum Einsatz
• Typische Hardwarekomponenten in dieser Schicht sind Netzwerkkarten, Switches und Bridges

OSI-Schichtenmodell

• Vermittlungsschicht – Schicht 3 – (Network)
• Zuständig für die Überbrückung geografischer Entfernungen zwischen den Endsystemen durch Einbeziehung von Vermittlungssystemen
• Steuert zeitlich und logisch getrennte Kommunikation zwischen verschiedenen Endsystemen
• Die Hardwarekomponente ist hier der Router und das wichtigste Protokoll die Internet Protocol (IP)
• Transportschicht – Schicht 4 – (Transport)
• Zuständig für die Erweiterung von Verbindungen zwischen den Endsystemen zu Teilnehmerverbindungen bzw. den Auf- und Abbau von Verbindungen
• Bildet die Verbindungsschicht zu den anwendungsorientierten Schichten
• Daten werden beim Sender in kleinere Einheiten zerlegt und beim Empfänger zusammengesetzt
• Wichtigstes Protokoll in dieser Schicht ist ist das Transmission Control Protocol (TCP)

OSI-Schichtenmodell

• Sitzungsschicht – Schicht 5 – (Session)
• Zuständig für den geordneten Ablauf des Dialoges zwischen den Endsystemen (Synchronisation)
• Festlegen und Verwalten der Berechtigungsmarken für die Kommunikation (Token-Management)
• Darstellungsschicht – Schicht 6 – (Presentation)
• Zuständig für dem gemeinsamen Zeichensatz und die gemeinsame Syntax
• Umwandeln der lokalen Syntax in die für den Transport festgelegte Syntax und umgekehrt
• Wichtigstes Protokoll ist in diesem Fall ASCII
• Eine weitere Aufgabe ist die Verschlüsselung der Daten
• Anwendungsschicht – Schicht 7 – (Application)
• Zuständig für die Steuerung der untergeordneten Schichten
• Übernimmt die Anpassung an die jeweilige Anwendung
• Stellt dem Anwenderprogramm die Verbindung zur Außenwelt bzw. zum Anwender zur Verfügung
• Zugehörige Software sind in diesem Fall z.B. Browser, FTP- und Email-Clients
• Wichtigste Protokolle sind hier:
• SMTP = Postausgang bei E-Mail
• POP3 = Posteingang bei E-Mail
• HTTP = WWW-Seiten
• FTP = Datenaustausch

TCP/IP-Referenzmodell

• ISO OSI-Referenzmodell stand oft in der Kritik weil es zu „aufgeblasen“ und kompliziert war
• TCP/IP-Referenzmodell wurde Entwickelt weil die Mehrheit der Netze mit diesen Protokollen arbeitet und es eine deutliche Vereinfachung zum OSI-Modell darstellt
• Der TCP/IP-Protokollstapel kommt sowohl in lokalen Netzen als auch im Internet zum Einsatz.
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• Pie de imagen: TCP/IP-Referenzmodell

TCP/IP-Referenzmodell

• Netzzugangsschicht – Schicht 1–
• Fasst Schicht 1 und 2 des OSI-Modells zusammen
• Sorgt für die physikalische Übertragung der binären Daten
• Standardprotokolle: CSMA/CD und PPP (Point-to-Point Protocol)
• Hardware: Repeater, Switch, Bridge, Netzwerkkarte
• Internetschicht – Schicht 2 –
• Entspricht Schicht 3 im OSI-Modell
• Zerlegt Daten in kleinere Einheiten (Datagramme), adressiert (IP) und vermittelt den Weg (Routing)
• Standardprotokolle: IPv4 und IPv6 (Internet Protocol)
• Hardware: Router
• Transportschicht – Schicht 3 –
• Entspricht Schicht 4 im OSI-Modell
• Auch Host-zu-Host-Transportschicht genannt
• Die Hosts sind die Rechner mit Netzzugang und diese werden gesichert verbunden
• Standardprotokollle: Transmission Control Protocol (TCP), User Datagram Protocol UDP
• Anwendungsschicht – Schicht 4 –
• Fasst Schicht 5 bis 7 des OSI-Modells zusammen
• Hier finden sich die Protokolle die für die Kommunkation mit dem Anwender zuständig sind wie z.B.
• -> HTTP, HTTPS, FTP, SFTP, SCP, SMTP, POP3 und IMAP

Netzkomponenten und TCP/IP-Modell

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• Pie de imagen: Die horizontalen Pfeile zeigen die logische Verbindung der Netze durch die jeweiligen Komponenten.

Referenzmodelle im Vergleich

Protokolle der Netzzugangsschicht

• CSMA/CD
• Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection
• -> Mehrfachzugriff mit Trägerprüfung und Kollisionserkennung
• Standard für Ethernet
• Datenkollisionen im Netzwerk werden erkannt und ein erneutes senden der Daten veranlasst
• CSMA/CA
• Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance
• ->Mehrfachzugriff mit Trägerprüfung und Kollisionsvermeidung
• Standard für WLAN
• Datenkollisionen im Netzwerk werden von vornherein vermieden
• PPP
• Point-to-Point Protocol
• Standardprotokoll für Verbindungen über das
• Telefonnetz (ISDN)
• ARP
• Address Resolution Protocol
• vermittelt zwischen
• der physikalischer Adresse und der Netzwerkadresse
• ausschließlich für
• Ipv4 im Ethernet
• ordnet die IP-Adresse und die passende MAC-Adresse
• zu
• NDP
• Neighbor Discovery Protocol
• das Pendant zu ARP für IPv6
• MAC
• Media
• Access Control Adresse
• einzigartiger, unveränderlicher und eindeutiger
• Identifikator eines Gerätes in einem Netzwerk
• besteht aus 48 bit (6
• Byte) und wird hexadezimal
• angegeben z.B. 00:80:41:ae:fd:7e

Protokolle der Internetschicht

• IP - Internet Protocol – Was ist das?
• ein Netzwerkprotokoll, das Rechner in einem Netzwerk eindeutig identifiziert
• IP-Adresse ist nicht an einen Rechner gebunden (wird ihm zeitweilig (dynamisch) zugeteilt)
• --> wird nach Beendigung der Netzwerksitzung wieder frei
• Datenströme können eindeutig zugeordnet werden
• Wie funktioniert es?PC ruft Website auf --> Browser sendet IP-Adresse des PCs mit an den Server --> Server verfügt auch über eigene IP-Adresse --> angefordertes Datenpaket (die Website) wird an die Adresse des anfragenden PCs gesendet --> wird dort vom Browser interpretiert und dargestellt
• Aufgaben
• Datenpakete adressieren und in einem paketorientiertem Netzwerk zu vermitteln
• Identifikation von Teilnetzen
• IP-Adresse
• Internet Protocol Adresse
• dynamisch: automatische Vergabe zur Einwahl ins Internet
• statisch: vom Admin fest vergeben für lokale Netzwerke
• Ipv4-Adresse
• besteht aus 32 bit (4 Byte)
• insgesamt 4,29 Milliarden
• verschiedene Adressen möglich
• Dezimal angegeben z.B. 192.168.0.1
• Ipv6-Adresse
• besteht aus 128 bit (16 Byte)
• insgesamt 340 Sextillionen verschiedene Adressen möglich
• Hexadezimal angegeben z.B. 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344

Protokolle der Transportschicht

• TCP
• Transmission Control Protocol
• Verbindungsorientierte Übertragung von Daten über das Internet
• stellt Verbindung zwischen zwei Endpunkten her
• eher für große, mehrteilige Übertragungen mit garantierter Fehlerfreiheit
• zuverlässig und sicher
• UDP
• User Datagram Protocol
• Verbindungslose Übertragung von Daten über das Internet
• stellt kurze Einwegübermittlung her
• eher für kleine Datenpakete, deren Zustellung nicht kritisch ist
• unzuverlässig und unsicher

Protokolle der Anwendungsschicht

• HTTP
• Hypertext Transfer Protocol
• stellt Verbindung zwischen Browser und Server her z.B. um Webseiten abzurufen
• Adressen werden durch DNS (Domain Name Server) in entsprechende IPs umgewandelt
• HTTPS (S = Secure)
• stellt eine mit SSL verschlüsselte Verbindung her
• FTP
• File Transfer Protocol
• stellt Verbindung zwischen Client und Server her um Dateien zu übertragen
• SFTP (S = Secure)
• stellt eine mit SSH verschlüsselte Verbindung her
• SMTP
• Simple Mail Transfer Protocol
• Wird zum einfachen Einspeisen, Versenden und Weiterleiten von E-Mails an Server genutzt
• POP3
• Post Office Protocol
• Wird zum einfachen Auflisten, Emfangen und
• Löschen von E-Mails vom Server genutzt
• IMAP
• Internet Message Access
• Protocol
• Stellt ein Netzwerk-Dateisystem zum E-Mail-Server her
• E-Mails
• bleiben auf dem Server gespeichert, können in Ordner sortiert und von
• mehreren Clients abgerufen werden