Systeme und Netze in der 5Ib

• Link-Layer: Punkt-zu-Punkt - Übertragung
• IP-Layer: Ende-zu-Ende - Übertragung (über mehrere hop-to-hop - Links)
• Transport Layer (verbindet Prozesse miteinander, z.B. Webbrowser zu Webserver; Vollständigkeit und Reihenfolge der Pakete können garantiert werden)

Adressierung

• Kernel kennt die Prozesse anhand der PID
• Ports werden für die öffentliche Adressierung verwendet
• Sockets für die flexible, interne Zuweisung eines Prozesses zu einem Port
• Portnummer: 16-Bit Zahl
• Bereiche: well-known ports (System-Ports, 0-1023), registered ports (User-Ports, 1024-49151), dynamic ports (nicht reservierte Ports)
• Identifizieren den Layer-4 - Endpunkt
• Die IP-Adresse, die Angabe des Protokolls (z.B. TCP oder UDP) und die Portnummer identifzieren gemeinsam den Port
  

Sockets

• Programm-seitige Anbindung an einen Port
• Identifizierung mit File-Descriptor
• An einem Port können mehrere Sockets hängen
• Sockets sind bidirektional
• Typen: Datagram socket, TCP listening socket oder passiver TCP-Socket, TCP connection socket oder aktiver TCP socket
  
• Tools: telnet, netcat, nmap, tcpdump
  

Verbindungslose Übertragung

• Ein IP-Paket startet und get von Hop zu Hop
• Pakete hängen untereinander nicht zusammen
• Keine Rückmeldung über den Empfang (außer bei ICMP)
  
• Verbindungsloser im Transport Layer: UDP
  

Verbindungsorientierte Übertragung

• Zusammenhängender Datenstrom (stream)
• Verbindung muss auf- und abgebaut werden
• Meist birdirektional
• Wichtigster Vertreter: TCP
  

UDP (User Datagram Protocol)

• Der User definiert alles selbst und ist für die Übertragung selbst verantwortlich
• Datagram wird gesendet und vergessen, falls Ziel-Host erreichbar ist (ansonsten ICMP-Fehler)
• Kein Verbindungsaufbau notwendig
• Effizient (sehr kleiner Header)
• Unzuverlässig (Empfänger könnte nicht existieren, fehlerhafte Datagrams werden verworfen, zufällige Reihenfolge, Staugefahr/Netzauslastung)
• UDP-Header ist nur 8 Bytes groß
• UDP Lite: nur ein Teil der Daten wird von der Checksumme abgedeckt
• Checksum: One's Complement Checksum (OCC)
  

TCP (Transport Control Protocol)

• Datenstrom (stream)
• TCP kümmert sich um die Segmentierung, jedes Segment wird in ein IP-Datagram gepackt
• Segmente werden zuverlässig übertragen (erneute Sendung bei Paketverlust oder Übertragungsfehler, richtige Reihenfolge)
• Verbindungsorientiert (zuerst muss die Verbindung aufgebaut werden)
• Flow control: Empfänger soll nicht überfordert werden
• Congestion control: Netz soll nicht überfordert werden
  

TCP-Header

• Source Port und Destination Port: 16 bit
• Sequence number: Fortlaufende Segmentnummer
• Acknowledgement number: Bestätigung (Nummer des nächsten erwarteten Segments)
  
• Data offset: Headerlänge in Bytes (inklusive Options)
• ECE (Explicit Congestion Echo): Netz ist überlastet
• CWR (Congestion Window Reduced): Reaktion auf ECE
• URG (Urgent): wichtigen Daten stehen am Beginn des Segments
• ACK: Empfangsbestätigung
• PSH: Daten nicht puffern
• RST (Reset): Sofortiges Beenden der TCP-Verbindung
• SYN (Synchronize): TCP-Verbindung aufbauen
• FIN (Finish): TCP-Verbindung schließen
• Checksum: TCC (ähnlich wie bei UDP)
• Urgent pointer: Ende (Position) der wichtigen Daten (URG-Flag muss gesetzt sein)
• Options: Timestamps, selective ACK, MSS, usw.
  

MSS (Maximum Segment Size)

• Maximaler TCP-Payload (ohne TCP-Header)
• MTU (Maximum Transmission Unit): maximale Größe eines IP-Datagrams (mit Payload)
• MSS <= MTU - 20 Byte (IP-Header) - 20 Byte (TCP-Header)
  

3-way handshake

4-way close

ACK

• Empfänger bestätigt den Erhalt der Daten
• Sender wird somit benachrichtigt
• Es sind bei einer (auch bidirektionalen) Verbindung keine eigenen ACK-Pakete notwendig
• Das Feld Acknowledgement number wird ausgelesen, falls ACK-Flag gesetzt ist
  

Sequence number und Acknowledgement number

• Sequence number (in Bytes): startet bei einer Zufallszahl
• Acknowledgement number = Sequence number + Größe --> entspricht also der nächsten Sequenznummer
  

Sliding window protocol

• Sender und Empfänger verwenden einen Buffer
• Ein Teil des Buffers ist aktiv (Window)
• Sie müssen abgestimmt sein (Sendefenster <= Empfangsfenster)

Congestion window

• Sendefenster, transmission window
• Gruppe von Segmenten, die unterwegs sind (aber noch nicht bestätigt sind)
• Größe wird bestimmt durch: flow control, congestion control
• Die Größe beeinflusst die Sendegeschwindigkeit (Verbindungsauslastung) und die Netzauslastung (Überlastung)
  

Verbindungsauslastung

• Segmente sind für eine gewisse Zeit unterwegs (RTT, Round Trip Time)
• Auch auf ACK muss gewartet werden
• Pessimistisch: Nach jedem Segment auf ACK warten (langsam, lange Wartezeit)
  
• Optimistisch: Dauernd senden und auf ACK hoffen (schnell, hohe Auslastung)
  

Receive window

• Empfangsfenster
• Abspeicherung der empfangenen Segment in der richtigen Reihenfolge
• Segment müssen dort warten, bis alle vorherigen empfangen wurden
  

ARQ (Automatic Repeat Request)

• Stop-and-Wait
• Go-Back-N
• Selective Repeat
  

Stop-and-Wait (pessimistisch, CWnd = 1, RWnd = 1)

Go-Back-N (optimistisch, CWnd > 1, RWnd = 1)

Selective Repeat (CWnd > 1, RWnd > 1)

Sliding Window bei TCP

• Selective Repeat ARQ
• Größe von CWnd und RWnd von Bandbreite und Auslastung abhängig
• Cumulative ACK
• Retransmission nach ACK-timeout
• Fast-retransmit nach 3 identischen ACK
  

Flow control

• Empfänger gibt an, wie viele Bytes er im RWnd noch speichern kann
• Sender limitiert somit die Anzahl der Segmente, die gesendet werden
• Falls noch kein ACK erhalten wurde, könnten Segmente noch unterwegs sein oder ausständige Segmente könnten verloren gegangen sein

Congestion control

• Sender reduziert CWnd, wenn das Netz zu stark belastet wird
• Kompromiss zwischen zu kleines CWnd (schlechte Auslastung, viel Wartezeit) und zu großes CWnd (Netz überlastet, hoher Paketverlust)
• Es gibt verschiedene TCP-Varianten mit entsprechenden Algorithmen zur Messung der Netzauslastung und Berechnung des optimalen CWnd (z.B. Reno, Vegas, Cubic)