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Über dieses Buch

Lernen Sie in diesem Buch alles über Vermittlungsschicht und Aufbau des Internets und die Übertragung von Informationen
Sie haben sich schon immer gefragt, wie das World Wide Web aufgebaut ist? Sie suchen eine Einführung in die „Internet Internals“? Dieses Buch über die Vermittlungsschicht des Internets gibt Ihnen Antworten. Es führt Sie in die Grundlagen der Übertragung von Daten im Netz ein und vermittelt Ihnen dabei einen Überblick über den Aufbau des Internets.
Die große Stärke dieses Buchs über die Vermittlungsschicht des Internets liegt darin, dass es komplexe Sachverhalte wie Protokolle und Algorithmen im Detail beschreibt, dabei jedoch stets verständlich und übersichtlich bleibt.

Die Inhalte von „Internet Internals“
Autor Peter Mandl gewährt dem Leser einen möglichst tiefen wie breiten Einblick in die Kommunikationsstrukturen des World Wide Webs. Der Fokus des Buch über die Vermittlungsschicht im Internet liegt auf folgenden Themengebieten:
• Aufbau des Internts• Internetprotokolle IPv4 und IPv6• Routing und Forwarding• Internet-Kommunikation• Konfigurations- und Steuerprotokolle
Mit all seiner Expertise ist Mandl dazu in der Lage, komplexe Sachverhalte des Internets einfach und verständlich darzulegen. Auch die zahlreiche Abbildungen helfen dabei, seine Ausführungen leicht nachzuvollziehen.
Damit das Gelernte im Gedächtnis bleibt, finden Sie am Ende des Buchs Übungsaufgaben zu jedem Kapitel. Da die Lösungen direkt mitgeliefert werden, können Sie Nicht-Verstandenes noch einmal nachprüfen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Kommunikation im Internet

Kommunikation ist der Austausch von Informationen nach bestimmten Regeln. Dies ist zwischen Menschen ähnlich wie zwischen Maschinen. Das Regelwerk fasst man in der Kommunikationstechnik unter dem Begriff Kommunikationsprotokoll (kurz Protokoll) zusammen. Die nachrichtenbasierte Kommunikation in verteilten Systemen ist aufgrund der vielen Protokolldetails sehr komplex. Aus diesem Grund entwickelte man Beschreibungsmodelle, also Referenzmodelle, in denen die Komplexität durch Schichtung und Kapselung der einzelnen Funktionen überschaubarer dargestellt wurde. Eines dieser Referenzmodelle ist das TCP/IP-Referenzmodell, das heute einen hohen Stellenwert für das Internet hat. Die in diesem Buch behandelten Themen ordnen sich in dieses Referenzmodell ein, weshalb es in diesem Kapitel eingeführt wird.
Peter Mandl

2. Grundlagen der Vermittlungsschicht

Zu den wesentlichen Aufgaben der Vermittlungs- oder Netzwerksschicht gehören die Nachrichtenvermittlung, die Wegewahl und die Staukontrolle. Darüber hinaus unterstützt die Schicht üblicherweise ein Multiplexing/Demultiplexing sowie bei Bedarf eine Fragmentierung von Nachrichten mit entsprechender Defragmentierung beim Zielrechner. Für die Vermittlung von Nachrichten gibt es grundsätzlich mehrere Verfahren, von denen die wichtigsten die Leitungsvermittlung und die Paketvermittlung sind. Eine Zwitterlösung bilden Virtual Circuits quasi als Leitungen über paketvermittelte Netze. Die Wegewahl, auch Routing genannt, dient dazu, die richtigen Wege zwischen Quellrechner und Zielrechner auch in komplexen Netzwerkstrukturen zu finden. Hier gibt es verschiedene Ansätze wie ein zentrales oder ein dezentrales Routing. Optimale Wege von Paketen durch das Netzwerk müssen ermittelt werden. Die Staukontrolle soll helfen, drohende Netzwerkengpässe frühzeitig zu erkennen und Maßnahmen zur Entlastung des Netzwerks einzuleiten.
Peter Mandl

3. Aufbau des Internets

Das globale Internet stellt sich heute als eine Sammlung von tausenden von Einzelnetzen dar, die weltweit über viele Kommunikationsverbindungen miteinander verbunden sind. Größere autark verwaltete Teilnetze werden auch als autonome Systeme bezeichnet. Diese autonomen Systeme treten in unterschiedlichen Rollen auf. Je nach Größe und Mächtigkeit kooperieren Sie mit anderen, gleichwertigen Partnernetzen im Sinne von Peering-Abkommen oder sie stellen den kleineren autonomen Systemen kostenpflichtige Transitdienste zur Verfügung. In den letzten Jahrzehnten entwickelten sich zudem Internet Exchange Points wie etwa der DE-CIX in Frankfurt (DE-CIX 2018, https://​www.​de-cix.​net/​de. Zugegriffen am 23.03.2018) oder der AMS-IX in Amsterdam (AMS-IX 2018, https://​ams-ix.​net. Zugegriffen am 23.03.2018), die mittlerweile eine wichtige Rolle im globalen Internet-Verkehr einnehmen. Größere Unternehmen wie Google betreiben sogar eigene Content Delivery Netzwerke (CDN) neben dem Internet, um für ihre Anwendungen eine möglichst leistungsfähige Datenverteilung zu ermöglichen. Kleinere Internet-Anbieter und Nutzer bedienen sich dieser Infrastruktur, indem sie die Dienste von Internet Service Providern, die auch oftmals als autonome Systeme organisiert sind, nutzen und dafür Gebühren abführen.
Peter Mandl

4. Das Internetprotokoll IPv4

Das Internetprotokoll in der Version 4, auch als IPv4 bekannt, ist das wichtigste Protokoll der Internet-Vermittlungsschicht. IPv4 ist ein Protokoll mit umfangreicher Funktionalität und kann heute als Basis des Internets betrachtet werden. Es wird in die Vermittlungsschicht (Schicht 3 gemäß ISO/OSI- bzw. Schicht 2 gemäß TCP/IP-Referenzmodell) eingeordnet. Alle Nachrichten höherer Protokolle werden über IPv4 gesendet.
IPv4 ist ein paketvermitteltes (datagrammorientiertes) und verbindungsloses Protokoll. IPv4 (IPv4 wird in diesem Kapitel auch als IP bezeichnet, sofern nicht eine explizite Unterscheidung zu IPv6 notwendig ist) dient der Beförderung von Datagrammen von einer Quelle zu einem Ziel über Zwischenknoten, die als IPv4-Router bezeichnet werden. Datagramme, die für eine Teilstrecke zu lange sind, werden während des Transports zerlegt und am Ziel wieder zusammengeführt, bevor sie im Zielsystem der Transportschicht im Protokollstack nach oben übergeben werden. Diesen Vorgang nennt man Fragmentierung bzw. Defragmentierung. IPv4 stellt einen ungesicherten verbindungslosen Dienst zur Verfügung, d. h. es existiert keine Garantie für eine Paketauslieferung. Die Übertragung erfolgt nach dem Best-Effort-Prinzip (Auslieferung nach bestem Bemühen), wobei jedes Paket des Datenstroms isoliert behandelt wird.
Jeder Rechner bzw. genauer jedes Netzwerk-Interface erhält eine eindeutige IPv4-Adresse zugeordnet. Die Vergabe der Adressen ist weltweit geregelt, wobei IPv4-Router ganze Teilnetze (Subnetze) adressieren. Die Adresszuordnung zu Subnetzen ist statisch und wird über Internet Service Provider geregelt. Jedes IPv4-Paket hat einen festen Aufbau mit vorgegebener Steuerinformation, die im IPv4-Header festgelegt ist. Bis vor kurzem wurde in IPv4 nichts für die Staukontrolle unternommen. Heute gibt es aber erste Ansätze einer expliziten Unterstützung der Staukontrolle, die normalerweise in TCP/IP-Netzen in der Transportschicht in den Ende-zu-Ende-Verbindungen durchgeführt wird.
Eine Besonderheit des IPv4-Protokolls stellt die Fragmentierung dar, die im Endsystem und in den IPv4-Routern durchgeführt wird, sofern die darunterliegende Schicht eines Teilnetzes dies erfordert. Im Zielsystem werden alle IPv4-Fragmente eines IPv4-Pakets wieder zusammengebaut, bevor eine Auslieferung erfolgt.
Peter Mandl

5. Routing und Forwarding

Für die Wegewahl werden im Internet verschiedene Verfahren eingesetzt und man muss prinzipiell zwischen der Wegewahl innerhalb autonomer Systeme (Intra-AS-Routing) und der Wegewahl im globalen Internet, also zwischen den autonomen Systemen (Inter-AS-Routing), unterscheiden. Jedes autonome System kann intern eigene Routing-Algorithmen verwenden, die in IPv4-Routern ablaufen. Jeder IPv4-Router verwaltet neben der protokollabhängigen Routing-Tabelle auch eine Forwarding-Tabelle, die der Entscheidung für eine Weiterleitung dient. Es gibt ein Regelwerk, nach dem die Forwarding-Tabelle in Routern durchsucht wird.
Grundsätzlich unterscheidet man auch in IPv4-Netzwerken zwischen statischem und dynamischem Routing. Die wichtigsten dynamischen Routing-Protokolle, die innerhalb autonomer Systeme verwendet werden, sind RIP, ein Distanz-Vektor-Verfahren, und OSPF, ein Link-State-Verfahren. Diese werden auch als Interior Gateway Protokolle (IGP) bezeichnet. Das Routing im globalen Internet über die Grenzen autonomer Systeme hinweg wird über ein Exterior Gateway Protokoll (EGP) ausgeführt. Das derzeit standardmäßig im Internet verwendete EGP hat die Bezeichnung BGP. Schließlich ist auch ein Routing von Multicast-Paketen erforderlich, wofür heute üblicherweise das Reverse Path Forwarding-Verfahren verwendet wird. Um innerhalb von autonomen Systemen das Routing effizienter zu gestalten, wurde Multiprotocol Label Switching (MPLS) vorgeschlagen. Bei dieser Technik werden Verbindungspfade ähnlich wie bei Virtual Circuits verwaltet und Router können auf das aufwändige Suchen in Forwarding-Tabellen verzichten.
Peter Mandl

6. Steuer- und Konfigurationsprotokolle

Steuer- und Konfigurationsprotokolle sind für die Funktionsweise von Internet-basierten Netzwerken essenziell. Zu diesen Protokollen gehören ICMP, ARP und DHCP. Ebenso ordnen wir NAT in diese Kategorie ein und obwohl DNS kein Protokoll der unteren Schichten, sondern ein Anwendungsprotokoll ist, gehört es doch auch in diese Liste der wichtigen Protokolle. ICMP überträgt Fehler- und Diagnosemeldungen über IP. Beispielsweise nutzt das Kommando ping ICMP. ARP übernimmt die Abbildung von IPv4-Adressen auf Adressen der Netzwerkzugriffsschicht (MAC-Adressen), DHCP sorgt für die dynamische IPv4-Adresszuordnung in Netzwerken und NAT ist ein Mechanismus zur Abbildung lokaler Adressen auf im Internet sichtbare Adressen. Das Domain Name System (DNS) hat schließlich als wesentliche Aufgabe die Abbildung von symbolischen Domainnamen auf IP-Adressen.
Peter Mandl

7. Das Internetprotokoll IPv6

Seit 2012 ist IPv6 Pflichtprotokoll für jedes IP-fähige Gerät. Vieles, was in IPv4 noch in eigene Protokolle ausgelagert wurde, ist in IPv6 standardmäßig vorhanden. Protokolle wie ARP sind im IPv6 als Neighbor Discovery Protocol (NDP) bereits integriert. Die IPv6-Adressen sind 128 Bits lang, das heißt die Adressproblematik ist mit IPv6 langfristig gelöst. Die Struktur des IPv6-Adressraums ähnelt aber – mit einigen Besonderheiten – der von IPv4. Einige Steuerprotokolle wie ICMP und DHCP und auch einige Routing-Protokolle wie RIP und OSPF mussten auf die neue Adressstruktur angepasst werden, ebenso das Protokoll IGMP für die Kommunikation von Gruppenzugehörigkeiten. Hierfür wird die Multicast Listener Discovery-Funktionalität (MLD) mit Hilfe von ICMPv6 bereitgestellt. Die Steuerinformation wurde bei IPv6 teilweise vereinfacht, Fragmentierung in den Routern wird nicht mehr unterstützt. Routing-Protokolle wie RIP, OSPF und BGP mussten auch auf die neuen IPv6-Adressen angepasst werden.
Peter Mandl

8. Zusammenfassung und Ausblick

Dieses Kapitel fasst die Inhalte der vorhergehenden Kapitel kurz zusammen und gibt einen kurzen Ausblick.
Peter Mandl

9. Übungsaufgaben und Lösungen

Zur Vertiefung des Stoffes sollen die wichtigsten Fragestellungen aus den einzelnen Kapiteln nochmals in Form von Übungsaufgaben wiederholt werden. Mögliche Lösungen werden gleich mitgeliefert. Die Übungsfragen sind nach Kapiteln geordnet und sollen auch zum erneuten Lesen noch nicht ganz verstandener Aspekte aus den vorangegangenen Kapiteln anregen.
Peter Mandl

Backmatter

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