Datenkommunikation und Sicherheit
DatKom Sommersemester 2014
DatKom Sommersemester 2014
DHCP
Dynamic Host Configuration Protocol
Zuweisung von IP Adressen an Hosts
Aufteilung in DHCP Server und DHCP Relay
IPv6 Adress-Aufbau
Gesamt: 128bit
Global Routing Prefix: n bit
Subnet-ID: 64-n bit
Interface ID: 64 bit
IPv6 Header
- version
- priority
- Flow Label
- Payload Len
- Next Header
- Hop Limit
- SAddress
- DAddress
Routingverfahren
- Flooding
- Backward Learning
- Hot Potato
- Link State Routing
- Distance Vector Routing
- Zentralisiertes Routing
- Statisches Rounting
Statisches Routing
nicht adaptiv
Routing tabelle enthält f.a. Ziele einen eintrag
Zeilen Gewichtet
Vor weiterleitung: Ziehe Zufallszahl und wähle Alternativen anhand der Gewichtung
Zentralisiertes Routing
Jeder Knoten sendet periodisch Zustandsinfos an RCC (routing Control Center)
- aktive Nachbarn, Warteschlangenlängen, Umfang an Verkehr seit letztem Update
RCC sammelt Infos berechnet optimale Wege
Knoten trifft Routingentschedungen selbst anhand der ihm zugewiesenen Routing Tabelle
Isoliertes Routing
Jeder Knoten entscheidet selbst anhand selbst gesammelter Infos
Kein Austausch von Infos
Flooding
Broadcast auf alle Übertragungsleitungen
Eindämmung der Flut druch erkennung von Duplikaten (nummerierung der Pakete)
Kontrolle der Lebensdauer TTL
Hot Potato
Die Übertragungsleitung mit dre kürzesten Warteschlange wird gewählt
Problem: Eventuell wird Ziel nicht erreicht.
Übertragungsweg mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht optimal
Backward Learning
Lerne von Pfad aus übertragenen Paketen
Verwende enen Zähler der mit jedem Hop um 1 erhöht wird
Verwende als Weg hin zu einem Knoten denjenigen über den Pakete vom Knoten mit kleinstem Zählerwert empfangen wurden
Distance Vector Routing
tausche mit nachbarn info über eigene routing tabelle aus. Generiere periodisch Abstandsvektoren (Ziel, Kosten) aus allen Einträgen und Versendungen an benachbarte Router
Router addieren Kosten der Leitung über die die Einträge empfangen wurden auf die Eingetragenen Kosten auf und prüfen ob sich dadurch kürzere Pfade zu irgendwelchen Zielen in ihrer Routing-Tabelle ergeben.
BGP Border Gateway Protocol
Distance Vector mit kleinen Modifikation (siehe Distance Vector routing)
Tausche keine Abstandsvektoren aus, sondern kompletten Weg zum Ziel
Link State Routing
- Erkennung der Nachbarn (Hello-Pakete)
- Kostenschätzung/Messung (Echo-Pakete)
- Erzeuge Link-State Paket (Absender, Sequenznummer, Alter, Liste mit Nachbarn + Kosten)
- Verteile Link-State-Paket auf angeschlossenen Netzen (Flooding mit Sequenznummern)
- Berechnung von Routing-Einträgen aus empfangen infos
Algorithmus von Dijkstra
- mache den Ausgangsknoten zum Arbeitsknoten und markiere ihn als permanent
- Betrachte alle nachbarknoten des Arbeitsknoten und berechne Distanz zum Ausgangsknoten. Packe alle Nachbarn mit ihren Distanz in Arbeitsmenge
- Wähle menge mit geringster Distanz zu Quelle mache ihn zum Arbeitsknoten und markiere ihn als Permanent goto 2
Sicherungsmechanismen
- Firewalls
- Intrusion Detection
- Authentification
- Encryption
DES
Blockchiffre: Verschlüssle Blöcke der Länge n = 64 Bit
Länge des Schlüssels k = 64 Bit (Davon nur 56 verwendet, rest ist parität)
AES
nachfolger DES mit variablen Schlüssellängen
Algorithmus von Diffie-Hellman
- Wähle Primzahl p (512 Bit) und g < p (p,g öffentlich)
- A wählt zufällig 512 Bit Sa und berechnet Ta = gSa mod p
- B wählt zufällig 512 Bit Sb und berechnet Tb = gSb mod p
- Sa und Sb sind geheim.
- A und B tauschen Ts aus
- Schlüssel berechnung durch kAB = TbSa mod p
RSA
- Wähle große Primzahlen p,q (geheim)
- Berechne n= p*q
- Berechne phi(n) = (p-1)*(q-1)
- Wähle e (e Teilerfremt mit phi(n))
- Finde d mit d*e = 1 mod phi(n)
- <e,n> public key
- <d,n> private key
- Prinzip: xd*e=x1 mod phi(n) mod = x mod n
SSL Handshake
Aushandlung für eine Sitzung
Beinhaltet Master Secret für alle Verbindungen der Sitzung
Aufgaben:
- Aushandlung d Verschlüsselungsalgo
- gegenseitiges Auth
- Schlüsselaustausch
Daten
Darstellung von Sachverhalten (Fakten), Konzepten, Vorstellungen und Anweisungen in *formalisierter* Weise
PAN
Personal Area Network 1 - 10m
LAN
Local Area Network 10-1000m
MAN
Metropolitan Area Network 10-100km
WAN
Wide Area Network 100-100km
GAN
Global Area Network 1000-10000km
Dienste
Eine Zusammenstellung zusammengehöriger Funktionien, die wiederholt in ähnlicher Form benötigt werden und daher an Instanzen delegiert werden können.
Diensterbringer/Dienstgeber
Spezialisierte Einrichtung die Funktion ausführt
Dienstnutzer/nehmer
Die Funktion nutzende Instanz
Grundmodell der Datenkommunikation
Ein Kommunikationssystem besteht aus einer Menge von Dienstnutzern und einem Erbringer eines Kommunikationsdienstes. Der Kommunikationsdienst hat die Aufgabe, die räumliche Distanz zwischen den Teilnehmern zu überbrücken.
Die Nutzer des Dienstes können dabei entweder als Sender oder als Empfänger agieren. Der Erbringer des Dienstes (in Bezug auf die räumliche Distanz) wird als Medium bezeichnet.
Der Dienst wird über einen speziellen Dienstzugangspunkt (Service Access Point, SAP) an einer Dienstschnittstelle in Anspruch genommen.
Beispiel: Kommunikationsdienst „Briefverkehr"
- Kommunikationssystem: eine Sparte des Diensterbringers Post
- Medium: Postweg (verschiedene Transportmedien wie Auto, Bahn, Flugzeug) - Dienstnutzer: Kunde des Dienstes „Briefverkehr": „Postkunde"
- Dienstzugangspunkt: Briefkasten
Dienstfunktionen nach OSI-Modell
Funktionen:
- Connect: Verbindungsaufbau
- Disconnect: Verbindungsabbau
- DATA: Datenaustausch
- ABORT: Abbruch durch Dienstnutzer/erbringer
Dienstprimitive nach OSI-Modell
- Request: Anfordern eines Dienstes
- Indication: Anzeige am Partner-Dienstzugangspunkt
- Response: Anzeige am Partner-Dienstzugangspunkt
- Confirmation: Bestätigung der diensterbringung am anfordernden DZP
Verbindungsloser Dienst
Es wird kein Kontext unterstellt, d.h. die Dienstleistung wurde vollständig durch den Request-Primitiv und den darin enthaltenen Kontrollparametern definiert.
Verbindungsorientierter Dienst
Kontext entsteht durch früher erbrachte Dienstleistungen. Zuerst muss Verbindung aufgebaut werden (Kontextgenerierung)
Phasen von Verbindungsorientierten Diensten
- Verbindungsaufbau
- Datenaustausch
- Geregelter Verbindungsabbau
- Verbindungsabbruch
Protokoll
Ein Protokoll legt das Verhalten einer Instanz (entity) fest. Je zwei Partnerinstanzen (peer entities) realisieren das Protokoll und erbringen dadurch den entsprechenden Kommunikationsdienst.
Horizontale Kommunikation
Kommunikation zwischen Instanzen der Protokolle.
- Kommunikation findet scheinbar direkt zwischen den KommPartnern statt
Vertikale Kommunikation
tatsächliche Kommunikation innerhalb eines Protokollstapels
- Tiefer liegende Schichten erbringen den Kommunikationsdienst
(N)-Schnittstellendateneinheit (IDU)
Dies ist die Dateneinheit, die die (N+1)-Schicht an die (N)-Schicht über den Dienstzugangspunkt (Service Access Point - SAP) übergibt. Sie enthält die Nutzdaten (N)-SDU und Schnittstellenkontrollinformationen (N)-ICI.
(N)-Schnittstellenkontrollinformationen (ICI)
Diese Dateneinheit enthält Informationen über den auszuführenden Dienst, z.B: Parameter des Dienstes, Länge der SDU,…
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- 1 / 111
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Lernkarten
Beispiele für Störeinflüsse auf Kanälen
- Weißes Rauschen
- Echobildung
- Nebenbesprechen
- Brummsignale
- Störimpulse
Berechnung der Übertragungsgeschwindigkeit bei n-Signalstufen
Übertragungsgeschwindigkeit [Bit/s] = Schrittgeschwindigkeit [baud] * ld( n )
Sonderfall n = 2 => ld(2) = 1
Fehlerquelle: Bitfehler durch fehlerhafte Synchronisation
Ungenaue Abtastzeitpunkte können uU zu sporadischen Bitfehlern führen.
Problem ist unvermeidbar bei längeren Zeiten (ungenaue Rechneruhren).
Möglichkeiten:
- externer Taktgeber
- Selbsttaktung im Code
NRZ-L
(Non-Return-to-Zero)
Pro Takt ein Bit.
für 1 => +1V
für 0 => -1V
RZ-Codes (Return-to-Zero)(Unipolar, Bipolar)
RZ (Return-to-Zero)-Codes "kehren zur Null zurück". Es gibt einen weiteren erlaubten Pegelwert, den Nullwert. Nach der Übertragungjedes Bits kehrt man für eine gewisse Zeitdauer zum Nullwert zurück.
Selbsttaktende Codes
- Manchester/Biphase-L
- Biphase-M
- Biphase-S
- Differential Manchester
Nachteil: Wegen 2 Schritte/Bit => halbe Bitrate
Manchester Code
1 => hoher Pegel in erster Hälfte. Niedrig danach
0 => niedriger Pgel in erster Hälfte. Hoher Danach
Differential Manchester Code
-
Bei Übertragung einer logischen Null wird das Taktsignal zur Ausgabe im Bezug zur vorherigen Phasenlage nicht invertiert (um 180° in der Phase gedreht)
-
Bei Übertragung einer logischen Eins wird das Taktsignal zur Ausgabe im Bezug zur vorherigen Phasenlage invertiert (um 180° gedreht)
4B/5B-Code
Verwendet NRZ-M Verfahren. Also:
Bei 1 Pegelwechsel. 0 Kein Pegelwechsel
Vermeidung langer 0-Folgen durch Codierung: je 4Bit auf 5Bit abbilden
Amplitudenmodulation
abhängig vom Zustand des Modulationssignals wird die Amplitude des Trägers eingestellt.
Frequenzmodulation
Hier verwendet man mehrere Frequenzen, die nicht sehr weit auseinander liegen, aber trotzdem noch eindeutig erkennbar sind. Der Sender sendet nun für eine „0" oder „1" für eine Schrittdauer ein Signal auf der dem Bitwert zugeordneten Frequenz aus. Dieses Verfahren wird beispielsweise beim Rundfunk auf der Ultrakurzwelle verwendet
Phasenmodulation
Hier werden die digitalen Signale durch Verschieben der Phase des Signals codiert. Dies ist das beste, aber auch das aufwendigste Verfahren der analogen Übertragung. Das rührt daher, dass Phasensprünge besser zu detektieren sind als Frequenz- oder Amplitudenänderungen. Zusätzlich ist die Wahrscheinlichkeit der Beeinflussung von Phasensprüngen durch externe Ereignisse wesentlich geringer als etwa bei der Amplitudenmodulation.
simplex Kanal
Senden nur in eine Richtung möglich
halbduplex Kanal
Senden nur in eine Richtung zur Zeit erlaubt, aber Wechsel der Senderichtung möglich
duplex Kanal
Senden in beiden Richtungen gleichzeitig möglich
Multiplexen
Teilen eines Mediums für Verschiedene Benutzer
- Raummultiplex
- Zeitmultiplex
- Frequenzmultiplex
- Wellenlängenmultiplex
- Codemultiplex
Raummultiplex
Die Mehrfachnutzung des Mediums wird beim Raummultiplex dadurch realisiert, dass mehrere physikalische Leitungen (Adern(paare) bei Kupferkabel, Zellen bei drahtlosen Netzen, ...) zusammengefasst werden.
Zeitmultiplex
Bei diesem Multiplexverfahren bekommt ein Sender/Empfanger-Paar das Medium nur für eine gewisse Zeitperiode zugeteilt, besitzt aber in dieser Zeitspanne die volle Bandbreite des Mediums
Frequenzmultiplex
Bei einer breitbandigen Übertragung kann man das Frequenzspektrum in mehrere Frequenzbereiche aufspalten undjeden dieser Frequenzbereiche zu einem neuen Kanal machen. Diese Kanäle können dann unabhängig von den anderen benutzt werden. Sie besitzen natürlich nur einen Bruchteil der ursprünglichen Bandbreite
Wellenlängenmultiplex
Beim Wellenlängenmultiplex handelt es sich physikalisch betrachtet um eine spezielle Variante des Frequenzmultiplex (Frequenz ƒ und Wellenlänge 𝛾 besitzen eine feste Beziehung: Lichtgeschwindigkeit ist im Vakuum c = 𝛾*ƒ, daher sind Frequenz und Wellenlänge begrifflich austauschbar), bei der verschiedene Wellenlängen über eine einzelne Glasfaser übertragen werden - dies ist möglich, da sich die einzelnen Wellenlängen kaum oder nicht beeinflussen.
Codemultiplex
alle Sender gleichzeitig die komplette Bandbreite nutzen zu lassen, indem statt eines einzelnen Bits einige ganze Bitfolge übertragen wird. Die Übertragungen der Sender überlagern sich im Medium, aber bei geeigneter Wahl der Bitfolgen kann ein Empfänger unter Korrelation einer bestimmten Bitfolge mit dem empfangenen Signal die ursprüngliche Sendung wieder herausfiltern. Dieses Prinzip wird z.B. bei UMTS genutzt.
Aufgaben Sicherungsschicht
- Zeichen-/Blocksynchronisation: Es müssen Zeichen bzw. allgemein Bitfolgen aus dem unstrukturierten Bitstrom identifiziert werden.
- Strukturierung des Datenstroms/Erkennen von Blockgrenzen: Der Datenstrom wird in sogenannte Rahmen unterteilt. Die Anfänge eines Rahmens müssen erkannt werden, vor allem auch nach Übertragung fehlerhafter (bspw. abgeschnittener) Rahmen.
- Codetransparenz: Es muss sichergestellt werden, dass beliebige Zeichen- bzw. Bitfolgen übertragen werden können.
- Fehlererkennung und -behandlung: Es sollen sowohl Fehler bei der Datenübertragung wie auch Fehler im Protokollablauf erkannt und behoben werden.
- Flusskontrolle und Pufferung: Überlastsituationen müssen verhindert werden
- Koordinierter Medienzugriff: Vergabe von Senderechten/Medienzuteilung bei geteiltem Übertragungsmedium
- Verfahren zur Steuerung der Übermittlung
Bitfehlerrate BER
BER = SUM(gestörte Bits)/SUM(übertragene Bits)
Fehlerkennung: Paritätsprüfung
Füge Paritätsbit hinzu.
Möglichkeiten:
- Gerade P
- ungerade P
- Block/Längen P
- Zeichen-Quer P
Cyclic Redundancy Check CRC
Prüfsumme nach Nutzdaten (FCS, Frame Check Sequence)
Bildung der CRC:
- Bitfolge als Polynom auffassen.
- Erweiterung um 0-Folge (#0en = Grad)
- Teilen durch Prüfpolynom (Generatorpolynom)
- FCS ist Rest der Division - anhängen an die Bitfolge
- Bei empfänger neu dividieren -> Rest muss 0 sein
Beispiel CRC:
Generator Polynom: x4+x3+1 (11001)
Sendende Bitfolge: 110011
1100111001
Beispiel CRC:
Generator Polynom: x4+x3+1 (11001)
Sendende Bitfolge: 110011
1100111001
Leitungsvermittlung
es wird durch das Vermittlungssystem eine durchgängige dedizierte Verbindung von der Quelle zur Senke geschaltet.
Dazu Verbindungsphase vor dem Datenaustausch. Vorteil: PDUs kommen in korrekter Reihenfolge an
Bsp: Telefonnetz
Speichervermittlung
zu vermittelnde Daten werden in einem Netzknoten zwischengespeichert und bei freier Teilstrecke weiter geschickt. (Store-and-forward-Switching). Beispiel: Briefvermittlung
- keine Besetztfälle
- Reihenfolgevertauschung
- variable Datenraten
- in jeder Dateneinheit muss Empfänger adressiert werden.
- kann zu Verlust von Daten kommen
Paketvermittlung
Ausprägung der Speichervermittlung. Paketer fixer Länge/max Länge. Jedes Paket mit Header.
Kann zu Fragmentierung kommen. Wegen MTU (Maximum Transfer Unit)
Fehlerbehandlung: Stop-and-Wait
Empfang eines Rahmens muss bestätigt werden. Sender wartet auf ACK
Vorteil: Keine Überlastung des Empfängers
Nachteil: ineffizient
Fehlerbehandlung: explizite Übertragungswiederholung
Fehlerhafte Rahmen durch NACK anfordern. Wichtig: Sequenznummer im Header
Fehlerbehandlung: implizite Übertragungswiederholung
Wenn nach einer Zeitspanne (Timeout) keine Bestätigung für Rahmen; erneut senden
Größe des Timeouts sehr wichtig. Muss > 2*Latenz.
Zu kurz: zu schnelle Rahmenwiederholung
Zu hoch: Verluste spät erkannt. Behinderung der Kommunikation
Fehlerbehandlung Go-back-N
Sender wird von Empfänger angewiesen, alle Rahmen ab gewisser nummer erneut zu senden.
Nur bei Leitungen mit geringer Latenz und/oder geringer Datenrate einsetzen. Dadurch wenige neuübertragungen.
Fehlerbehandlung: Selective Repeat
Sender wiederholt nur einzelne Rahmen. Empfänger muss Rahmen zwischenspeichern und reihenfolge einzuhalten.
Flusskontrolle mit Halt/Weiter Meldung
Die einfachste Methode der Flusskontrolle basiert auf zwei Meldungen:
- Mit der Halt-Meldung zeigt der Empfänger an, dass er nicht mehr mit dem Sender Schritt halten kann und der Buffer volläuft.
- Mit der Weiter-Meldung wird später signalisiert, dass der Empfänger genügend Rahmen verarbeitet hat und so neue Rahmen annehmen kann.
Flusskontrolle: Sliding Window
Sender und Empfänger verinbaren Übertragungsfenster (Entspricht Größe des Buffers_empfänger)
Fenstergröße W bedeutet: Max. W-Rahmen (fortlaufend nummeriert) versenden bis ACK ankommt.
Empfänger bestätigt jeden Rahmen. Empfangenes ACK -> Fenster slided
Netzwerk-Topologien
- Bus
- Ring
- Stern
- Baum
CSMA/CD
Station will senden: hört bis Medium frei ist. Wartet 9.6µs (Interframe Spacing). Dann sofort senden ohne zu hören.
Lauscht während des Sendens ob man andere Signale außer der Eigenen hört. sobald Kollision entdeckt wird Jamming-Signal gesendet. Alle Sender Stoppen.
Problem: Wenn Medium frei wird, wollen alle senden.
nonpersisten CSMA
- wenn frei übertrage sofort
- wenn belegt, warte gewisse (fest oder zufällig) Zeit, dann starte Alogrithmus neu
