Vorlesung: Internet - Technologie und Anwendungen

Wie schon beim OSI-Modell festgestellt wurde, muß bei der Netzwerktechnologie zwischen Protokollen (wie z.B. TCP/IP) und Diensten (wie X.25, Frame Relay, ATM oder B-ISDN) unterschieden werden. Im folgenden soll ein näherer Blick auf die Internet-relevanten Protokolle und Dienste geworfen werden.

Die gesamte Kommunikation im Internet basiert auf dem TCP/IP-Protokoll und dem Socket-Mechanismus (= bidirektionale Verbindung zwischen zwei Computern). Sowohl unter UNIX als auch unter Windows NT bzw. Windows 95 sind die TCP/IP-Funktionalitäten schon im Betriebssystem enthalten. Für andere Betriebssysteme gibt es entsprechende Protokoll-Stacks.

TCP/IP

Historisch gesehen ist TCP/IP das Standardprotokoll für die Kopplung aller Wide Area Networks – des Internets. Inzwischen hat es sich jedoch auch für Firmennetzwerke – den Intranets – weitgehend etabliert. Weiterhin sind die zugehörigen Konventionen auch für die Konfiguration von privat genutzten Modems notwendig. Aus diesem Grund ist es wichtig einen etwas näheren Blick auf die Grundkonzepte der TCP/IP-Architektur zu werfen.

Das Internet kann als eine Sammlung von Subnetzen oder Autonomen Systemen betrachten, die miteinander verbunden sind. Der Klebstoff, der alles zusammenhält ist IP, das Internet Protocol.

Grundsätzlich funktioniert die Kommunikation im Internet wie folgt: Der Sender nimmt die Datenströme und bricht sie in Datagramme auf. Theoretisch können Datagramme bis zu 64 kBytes groß sein, in Wirklichkeit sind sie selten größer als 1500 Bytes. Jedes Datagramm wird über das Internet transportiert und dabei möglicherweise sogar noch in kleiner Fragmente zerteilt. Wenn die Bruchstücke dann an ihrem Ziel angelangen, werden sie dort wieder zu den originalen Datagrammen zusammengesetzt. Diese werden dann dem Eingangsdatenstrom des empfangenden Prozesses zugeleitet.

Das IP-Datagramm besteht aus dem Header und dem Datenteil. Der Header unterteilt sich in einen 20 Bytes langen statischen Teil und einen optionalen Teil variabler Länge.

Die Konvention für die IP-Adressen basiert auf einem 32-Bit-Wert, wobei die Darstellung im Dezimalsystem erfolgt. Jeder 8-Bit-Dezimalwert wird durch einen Punkt von seinem Nachbarn getrennt (z.B. 192.44.32.1). Der 32-Bit-Wert kodiert die Netzwerk- und die Host-Nummer der zugrundeliegenden Adresse. Hierbei sind die Netzwerke in verschiedene Klassen eingeteilt, die durch zugehörige Subnetzmasken bestimmt werden (z.B. 255.255.255.0). Jede Subnetzmaske wird verwendet, um den Netzwerk- und den Hostteil der Adresse zu identifizieren.

Die Adreßklassen werden in einem weltweit gültigen Schema von A bis G unterschieden. Nur die ersten drei Klassen A bis C sind für Benutzer bestimmt. Adressen der Klasse D sind für Multicasting-Zwecke reserviert und Adressen der Klasse E dienen dem Testbetrieb und zukünftigen Entwicklungen. Der Wert 127 in den ersten Oktets ist für einen Loopback reserviert, d.h. eine Rückkopplung auf sich selbst.

Ein Netzwerk der Klasse A besitzt eine Subnetzmaske, die mindestens 8 Bits lang ist. Die Subnetzmaske für ein Netzwerk der Klasse B ist mindestens 16 Bits lang, die Subnetzmaske für ein Netzwerk der Klasse C mindestens 24 Bits.

Klasse	ID	Adresse	Adressraum
A	1 Bit (0)	7 Bits (Network) + 24 Bits (Host)	1.0.0.0 bis 127.255.255.255
B	2 Bits (10)	14 Bits (Network) + 16 Bits (Host)	128.0.0.0 bis 191.255.255.255
C	3 Bits (110)	21 Bits (Network) + 8 Bits (Host)	192.0.0.0 bis 223.255.255.255
D	4 Bits (1110)	28 Bits Multicast-Adresse	224.0.0.0 bis 239.255.255.255
E	5 Bits (11110)	27 Bits Reserviert für die Zukunft	240.0.0.0 bis 247.255.255.255

In einem Netzwerk der Klasse A definiert das erste Oktet den Netzwerkteil der Adresse. Die restlichen drei Oktets werden für die Adressen für das Subnetz und den Host verwendet. Das erste Bit im ersten Oktet muß auf Null gesetzt sein, die nächsten sieben Bits dienen der Adressierung. Da die Adressen 0 und 127 (= Loopback) reserviert sind, stehen damit 126 Netzwerke der Klasse A zur Verfügung. Die Standard-Subnetzmaske beträgt für eine solches Klasse-A-Netzwerk 255.0.0.0. Die maximale Anzahl der Hosts in einem solchen Netzwerk beträgt 16.777.214 (2²⁴ – 2), da die Werte 0 und 255 (= Broadcast) im letzten Oktet nicht verwendet werden dürfen.

In einem Netzwerk der Klasse B definieren die ersten beiden Oktets den Netzwerkteil der Adresse und die beiden letzten Oktets stellen die Subnetz- und Hostadresse dar. Die ersten beiden Bits im ersten Oktet bestimmen die Klasse des Netzwerks, die restlichen 14 Bits ergeben die Adresse. Dies ergibt 65.534 Netzwerke der Klasse B. Die Standard-Subnetzmaske beträgt für dieses Netzwerk 255.255.0.0. Die Anzahl der unterstützten Host beträgt 65.534 (2¹⁶–2).

Ein Netzwerk der Klasse C wird über die ersten drei Oktets als Netzwerkadresse bestimmt, wobei die ersten drei Bits ein signifikantes Muster besitzen müssen. Das letzte Oktet wird für die Subnetz- und Hostadresse genutzt. Insgesamt ergeben sich so 2.097.152 Netzwerke der Klasse C. Die Standard-Subnetzmaske beträgt für dieses Netzwerk 255.255.255.0. Die Anzahl der unterstützten Host beträgt 254 (2⁸–2).

Neben den Richtlinien für den Zugriff auf einzelne Hosts gibt es zusätzlich spezielle Adressierungsmethoden in einem Netzwerk. Sie betreffen insbesondere den Zugriff auf sich selbst und auf Hosts im eigenen Netzwerksegment sowie Rundrufe (Broadcasts) auf alle Rechner einer bestimmten Netzwerkgruppe.

Durch Subnetze lassen sich Netzwerke unterteilen. Subnetze dienen der optimalen Ausnutzung von vorhandenen Adreßbereichen und zur Leistungssteigerung. Insbesondere zweiteres wird durch die logische Trennung von Netzwerksegmenten und dem daraus resultierendem geringeren Datenverkehr zwischen den Segmenten erreicht.

Subnetze werden durch das Anfügen benachbarter Bits definiert, wobei beim höchsten freien Bit begonnen wird. Nach dieser Subnetzadresse dürfen nicht alle folgenden Bits auf 1 (= Broadcast) oder auf 0 gesetzt werden. Insgesamt wird dadurch eine Subnetzadressierung durch folgendes Schema definiert:

Eine vorgegebene Subnetzmaske identifiziert den Netzwerkadreßteil der IP-Adresse. Das Subnetz wird durch die Maske identifiziert. Der unmaskierte Teil ergibt dann die Hostadresse.

Zur Definition von Subnetzen in Netzwerken der Klasse B können das 3. Oktet oder eine Kombination aus den Oktets 3 und 4 genutzt werden. Eine zunehmende Anzahl von Subnetzen resultiert jedoch in einer proportional abnehmenden Anzahl von Hostadressen.

Wie man in der Tabelle sehen kann, verwischt die explizite Zuteilung zu einer bestimmten Klasse, was oft mit dem Begriff "Classless" umschrieben wird. Auch Netzwerke der Klasse C können auf analoge Weise in Subnetze unterteilt werden.

Anzahl der Subnetze	Hosts pro Subnetz	Subnetzmaske	Subnetz ID: Länge in Bits	Host ID: Länge in Bits
2	62	255.255.255.192	2	6
6	30	255.255.255.224	3	5
14	14	255.255.255.240	4	4
30	6	255.255.255.248	5	3
62	2	255.255.255.252	6	2

Alle Rechner innerhalb des Subnetzes werden dabei direkt angesprochen, die anderen über ein Gateway, d.h. typischerweise über einen Router. Die Subnetzmaske wird über Bool'sche Operationen mit der Rechneradresse verknüpft und gibt darüber Auskunft, ob ein anderer Rechner zum selben Subnetz gehört oder nicht.

Die Beschreibung des Weges von einem Rechner im Netzwerk zum anderen wird durch den Begriff Routing beschrieben. Hierfür werden entweder Tabellen auf einem Host oder aber Router als spezielle Netzwerkkomponenten verwendet. Router können Subnetze verbinden, mehrere Protokolle verwenden und Datenpakete zu ihren Zielsubnetzen weiterleiten. Hierbei unterstützt ein Router nur Pakete mit einer spezifischen Zieladresse. Die Routing-Tabellen können hierbei manuell vordefiniert oder dynamisch zur Laufzeit erstellt werden.

Abbildung 3.1: Das Konzept des Routing zwischen vier Netzwerksegmenten. Bei entsprechender Konfiguration werden Broadcasts an den Routern herausgefiltert und gerichtete Datenpakete weitergeleitet.

Die Tage des heutigen Adreßschemas von IP sind gezählt, denn die gültigen Adressen werden durch die enorme Ausbreitung des Internets knapp. Sollen jedoch wie geplant Millionen neuer Maschinen in das Internet aufgenommen werden, muß dieser Zustand verbessert werden. Seit 1990 wurde daher die Arbeit an einer neuen IP-Konvention begonnen (IP Version 6, genannt IPv6). Die Hauptziele von IPv6 waren dabei:

Die endgültige Spezifikation von IPv6 wurde 1993 in den RFCs 1883 bis 1887 festgelegt. Die Adreßfelder wurden dabei von 4 Bytes auf 16 Bytes erweitert. Dies ergibt 2¹²⁸ = 3 x 10³⁸ Adressen. Wäre die gesamte Erde (Land und Wasser) mit Computern bedeckt, würde IPv6 7 x 10²³ IP-Adressen pro Quadratmeter erlauben. Dies liegt schon im Bereich der Anzahl der Moleküle auf dieser Fläche. Bei einer pessimistischen Abschätzung der effektiven Verteilung von Adressen kann noch immer mit etwa 1000 Adressen pro Quadratmeter gerechnet werden.

Die anderen Änderungen betreffen Priorität des Datenstroms (z.B. für Echtzeit-Multimedia), spezielle Mechanismen für Pakete, die einem führenden Paket folgen, maximale Lebenszeit des Pakets und limitierte Anzahl der zu durchlaufenden Netzwerkkomponenten (Hop Limit). Die Kompatibilität mit dem alten IP-Standard wird durch Vereinbarungen gewährleistet, die spezielle Bitfolgen zur Erkennung der Konvention umfassen.

Das Internet besitzt zwei Hauptprotokolle oberhalb der IP-Schicht, wobei das eine verbindungsorientiert (TCP) und das andere verbindungslos (UDP) ist. Hierbei ist UDP grundsätzlich identisch mit IP bis auf einen sehr kleinen Header. TCP (Transmission Control Protocol) wurde speziell dafür entworfen einen verläßlichen Punkt-zu-Punkt Byte-Strom über ein unzuverläßiges internationales Netzwerk zu ermöglichen. Ein solches Netzwerk unterscheidet sich von einem Intranet, da es unterschiedlich aus Sicht der Topologie, der Bandbreite, der Verzögerungen, der Paketgrößen und vieler anderer Parametern sein kann. TCP wurde so ausgerichtet, um sich dynamisch auf diese Eckdaten einstellen zu können.

TCP wurde zunächst über den RFC 793 definiert. Nach einiger Zeit wurden Fehler und Inkonsistenzien verbessert sowie Erweiterungen spezifiziert (RFCs 1122 und 1323). TCP sorgt im Gegensatz zu IP für die Garantie, daß Pakete korrekt übertragen und in der richtigen Reihenfolge wieder zusammengesetzt wurden.

Die verschiedenen TCP-Services werden dadurch bereitgestellt, daß sowohl Sender als auch Empfänger Kommunikationsendpunkte erzeugen, die Sockets genannt werden. Jeder Socket hat eine Socket-Nummer (Adresse), die aus der IP-Adresse des Rechners und einer lokalen 16-Bit-Zahl (dem Port) besteht. Um einen TCP-Service zu erhalten muß die Verbindung explizit zwischen dem Socket der sendenden und dem Socket der empfangenden Maschine etabliert werden.

Port-Nummern unter 1024 werden Well-known Ports genannt und sind für Standard-Services reserviert. Möchte ein Prozeß beispielsweise eine Verbindung zu einem Rechner aufnehmen, um einen Datentransfer über FTP zu starten, so benutzt er den Port 21. Die Liste der Well-known Ports steht im RFC 1700. Die SERVICES-Datei von Windows NT 4.0 sieht beispielsweise folgendermaßen aus:

Alle TCP-Verbindungen sind Full-Duplex und Punkt-zu-Punkt. Full-Duplex bedeutet, daß der Datenverkehr gleichzeitig in beide Richtungen erfolgen kann. Punkt-zu-Punkt bedeutet, daß jede Verbindung exakt zwei Endpunkte besitzt. TCP unterstützt kein Multicast oder Broadcast.

Werden zwei Firmen-Router an unterschiedlichen Standorten miteinander verbunden oder wollen sich Benutzer von zu Hause über ihre Telefonanlage an das Internet anbinden, so wird eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung benötigt. Zwei Protokolle werden dafür zumeist verwendet: SLIP (Serial Line IP) und PPP (Point-to-Point Protocol).

SLIP ist das ältere der beiden Protokolle und wurde 1984 entwickelt um Sun Workstations über Modems mit dem Internet zu verbinden. SLIP wird im RFC 1055 beschrieben und ist sehr einfach. Die Workstation sendet rohe IP-Pakete über die (serielle) Leitung, wobei ein spezielles Flag-Byte (0xC0) das Ende des Pakets anzeigt.

SLIP besitzt jedoch keine Fehlerkorrektur, jede der beteiligten Endpunkte muß die IP-Adresse des Gegenübers wissen, es besitzt keine Methode zur Authentifikation der Kommunikationspartner und nicht zuletzt ist SLIP kein Internet-Standard. Aus diesem Grund gibt es verschiedene, inkompatible Versionen.

PPP (RFC 1661, RFC 1662, RFC 1663) wurde daher entwickelt, um die obengenannten Probleme von SLIP zu lösen. PPP unterstützt Fehlerkorrektur, verschiedene Protokolle, den Austausch von IP-Adressen zur Laufzeit, sichere Authentifizierung und andere verbesserte Eigenschaften.

Beantragt man einen Internet-Zugang bei einem Internet Service Provider (ISP), so erhält man entweder ein Konto auf dem Server des ISPs oder eine eigene IP-Adresse. Im ersten Fall benötigt man die Telefonnummer zur Einwahl in den Server. Im zweiten Fall müssen alle IP-Einstellungen auf dem eigenen Computer vorgenommen werden.

In beiden Fällen benötigt man ein Modem, das zunächst konfiguriert werden muß. Als Beispiel sollen die Dialogfenster zur Modemeinstellung unter Windows NT gezeigt werden. Besonders wichtig sind insbesondere die Anzahl der Datenbits, der Parität und der Stopbits (z.B. 8n1).

Die weiteren Einstellungen und Kommunikationsprotokolle werden unter Windows NT in der Regel über den "Remote Access Service" (RAS) eingerichtet. Dieser unterstützt das SLIP- und das PPP-Protokoll.

HTTP - HyperText Transfer Protocol

Das Standard-Transferprotokoll im WWW ist HTTP (HyperText Transfer Protocol). Jede Interaktion auf dem Web besteht aus einer ASCII-Anfrage, der eine multimediale Antwort folgt. Obwohl die Verwendung von TCP für die Transportverbindung sehr gängig ist, könnte auch ein anderer Standard die Basis sein.

HTTP verändert sich ständig. Verschiedene Versionen sind in Gebrauch und weitere sind in der Entwicklungsphase. Das hier aufgeführte Material ist sehr grundlegend und sollte daher Allgemeingültigkeit haben.

Das HTTP-Protokoll besteht aus zwei recht unterschiedlichen Komponenten: Einen Satz an Anfragen vom Client (dem Browser) zum Server und einen Satz an Antworten in die andere Richtung. Alle neueren Versionen von HTTP unterstützen zwei verschiedene Arten von Anfragen: Simple Requests und Full Requests. Der erste Fall ist eine einfache GET-Zeile, die die gwünschte Seite benennt, ohne zusätzliche Informationen über die Protokollversion. Die Antwort ist eine "rohe" Seite, ohne Header-Informationen, ohne MIME und ohne Kodierung. Die Anfragezeile (z.B. über TELNET, Port 80) könnte folgendermaßen aussehen:

Die Seite würde zurückgeschickt ohne daß die Content-Typen angezeigt werden. Dieser Mechanismus wird für Rückwärtskompatibilität benötigt. Er wird zusehends überflüssig werden, da immer mehr Browser und Server auf der Verarbeitung von Full Requests basieren. Full Requests werden durch die Verwendung einer Protokollversion in der GET-Zeile angezeigt.

Requests können auch aus mehreren Zeilen bestehen. Eine leere Zeile zeigt das Ende der Anfrage an. Die erste Zeile eines Full Requests beinhaltet das Kommando (z.B. GET), die gewünschte Seite und das Protokoll mit dessen Version.

Obwohl HTTP für die Verwendung im WWW entwickelt wurde, sind mehr generische Funktionalitäten für zukünftige objektorientierte Applikationen enthalten. Aus diesem Grund ist das erste Wort in einem Full Request der Name der Methode (Kommando), die auf einer WWW-Seite ausgeführt werden soll. Die eingebauten Methoden sind case-sensitiv (d.h. "GET" ist nicht gleich "get") und werden in der folgenden Tabelle aufgelistet:

Methode	Beschreibung
GET	Anfrage um eine Web-Seite zu lesen
HEAD	Anfrage den Header einer Web-Seite zu lesen
PUT	Anfrage eine Web-Seite zu speichern
POST	Anhang zu einer benannten Ressource (z.B. eine Web-Seite)
DELETE	Lösche eine Web-Seite
LINK	Verbindet zwei existierende Ressourcen
UNLINK	Beendet eine Verbindung zwischen zwei Ressourcen

Die GET-Methode veranlaßt den Server eine Seite zu schicken. Wenn der GET-Request jedoch von einem If-Modified-Since-Header gefolgt wird, schickt der Server nur die Daten, wenn sie seit dem angegebenen Datum modifiziert wurden. Durch diesen Mechanismus kann ein Browser eine Ressource abfragen, die über Caching-Mechanismen zwischengespeichert wurden und dennoch immer eine aktuelle Information erhalten. Ist die Seite im Cache noch immer gültig, schickt der Server eine entsprechende Statuszeile zurück. Auf diese Art verhindert man den unnötigen Transfer der Seite.

Die HEAD-Methode fragt nach dem Header einer Web-Seite. Die PUT-Methode ist die Umkehrung von GET. Ähnlich wie PUT ist die POST-Methode. Statt existierende Daten zu ersetzen, werden die neuen Daten in einer generalisierten Weise an die vorhandenen Daten angehängt. DELETE entfernt die Seite, wie man bei diesem Befehl auch vermuten könnte. Die LINK- und UNLINK-Methoden erlauben es Verbindungen zwischen existierenden Seiten zu beeinflussen.

Jeder Request erhält eine Response in Form einer Statuszeile und möglichen zusätzlichen Informationen. Die Statuszeile kann unter anderem folgende Codes enthalten:

Relevante Netzwerkdienste

Insbesondere die nationalen Telekommunikationsbetreiber bieten eine Reihe von Netzwerkdiensten für ihre Kunden an. Die wichtigsten sollen im folgenden kurz vorgestellt werden.

Viele ältere Netzwerke - insbesondere in Europa - folgen einem Standard, der X.25 genannt wird. Dieser wurde in den 70er Jahren von der CCITT entwickelt, um eine Schnittstelle zwischen öffentlichen Netzwerken und ihren Kunden bereitzustellen. Technisch gesehen läßt sich X.25 in einem Schichtenmodell mit Physical Layer (Protokoll: X.21), Data Link Layer und Network Layer darstellen. Diese sorgen für eine sehr sichere Verbindung auch über Telefonleitungen.

Die Hauptaufgabe vom verbindungsorientierten X.25 ist die Anbindung von Terminals an ihre Hosts. Die dabei erreichte Datenrate liegt bei 64 kBit/s, was für aktuelle Anforderungen oftmals nicht mehr ausreichend ist. Die Paketgröße beträgt dabei bis zu 128 Bytes.

Frame Relay bietet einen grundlegenden verbindungsorientierten Dienst an. Dieser transportiert Daten zu günstigen Kosten von A nach B ohne komplexe Protokolle zur Fehlerkorrektur einzusetzen. Durch die immer besseren (digitalen) Telefonleitungen und die ausreichende Leistungsfähigkeit der Endgeräte für eigenen Fehlerkorrektur-Algorithmen gewinnt Frame Raley an Bedeutung.

Ein Frame (= Paket) besteht aus bis zu 1600 Bytes und wird typischerweise über eine gemietet Leitung verschickt. Eine 10-Bit Zahl definiert dabei ein virtuelles Gerät, das angesprochen wird. Die Übertragungsgeschwindigkeit erreicht bis zu 1,5 MBit/s.

Eine recht neuer Dienst ist das Breitband-ISDN (Integrated Services Digital Network). Es wurde für Anwendungen wie Video-on-Demand, multimediale Email, Musik in CD-Qualität, LAN-zu-LAN-Verbindungen usw. geschaffen. Dies alles basiert dabei auf normalen (digitalen) Telefonleitungen.

Eine weitere Verbindungstechnologie wird ATM (Asynchronous Transfer Mode) genannt, da sie nicht mehr synchron, d.h. an einen systemweiten Zeitgeber gebunden ist. Hierbei transportiert ATM alle Informationen in kleinen Paketen (genannt Zellen), die eine fixe Länge haben. Jede Zelle ist 53 Bytes lang, wobei 5 Bytes für den Header und die restlichen 48 Bytes für die Nutzdaten sind.

Der Vorteil bei der Übertragung von Zellen ist, daß im Gegensatz zur traditionellen Technologie die Datenrate sowohl konstant (für Audio und Video) als auch variabel (für Daten) sein kann. Die typischen Geschwindigkeiten liegen hierbei bei 155 und 622 MBit/s.

Um nun die Ethernet-Standards und TCP/IP auch über ATM verwenden zu können, muß eine spezielle Anpassungskomponente eingeführt werden: die LAN-Emulation. Nur mit ihrer Hilfe ist es möglich eine kostengünstige Migration von Ethernet-basierten Computern in Richtung ATM ohne Austausch aller Netzwerkkomponenten (Netzwerkkarten, Routers, Hubs usw.) durchzuführen.

Adressierungsfunktionalität	Adreßschema	Beispiel
Dieser Host	Alle Bits 0	0.0.0.0
Host in diesem Netz	Alle Bits 0 \| Host ID	0.0.0.135
Lokaler Broadcast	Alle Bits 1	255.255.255.255
Gerichteter Broadcast	Netzwerk ID \| Alle Bits 1	192.44.32.255
Loopback	127 \| beliebig	127.0.0.1

Internet - Technologie und Anwendungen

Kapitel 3: Die zentralen Internet-Protokolle und -Dienste

Überblick

TCP/IP

HTTP - HyperText Transfer Protocol

Relevante Netzwerkdienste

Aufgaben