Internet-Pakete


Abstrakte Datenübertragungsmodelle

Die Entwicklung des Internets wurde von Entwicklern vorangetrieben, die ihre Ideen in sogenannten RFCs (= Request for Comments) den anderen Entwicklern vorstellten und um Kommentare baten.

Im RFC 826 wird z.B. beschrieben, wie die Kommunikation mit Geräten erfolgen soll, die mittels eines Ethernet-Kabels an das Netzwerk angeschlossen werden.

Im RFC 5414 wird beschrieben, wie die Kommunikation mit Geräten erfolgen soll, die per WLAN drahtlos an das Netzwerk angeschlossen werden.

Diese technischen Beschreibungen sind kompliziert und nur für Experten verständlich. Um trotzdem nachvollziehen zu können, wie die Kommunikation zwischen den Netzwerkgeräten abläuft, wurden Abstraktionsmodelle eingeführt, welche die technischen Details weglassen und die Datenübertragung allgemein beschreiben.

Die beiden bekanntesten Modelle sind das DoD-4-Schichten-Modell und das OSI-7-Schichten-Modell. Sie werden in diesem Kapitel das einfachere DoD-4-Schichten-Modell kennenlernen, das die Datenübertragung stark vereinfacht, aber hinreichend ausführlich beschreibt, so dass sie eine grundlegende Vorstellung entwickeln können, wie Netzwerkgeräte miteinander kommunizieren.


Das 4-Schichtenmodell

Die Netzwerk-Simulations-Software Filius verwendet zur Beschreibung der Kommunikation im virtuellen Internet das 4-Schichten-Modell.

  • Laden Sie sich folgende Datei herunter: mini-netzwerk.zip und entpacken Sie diese.
  • Starten Sie Filius und öffnen Sie in Filius die heruntergeladene Datei.
  • Starten Sie die Netzwerksimulation durch einen Mausklick auf den grünen Pfeil.
  • Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Notebook und klicken Sie auf Datenaustausch anzeigen (10.1.1.1).

Sie sollten folgendes sehen:

Abbildung 1.1

Die Kommunikation über das Internet erfolgt paketbasiert. Einzelne Datenpakete werden von einem Gerät losgeschickt, von den anderen Geräten angenommen, verworfen oder weitergeleitet. Erreicht ein Datenpaket das gewünschte Zielgerät, antwortet dieses ebenfalls mit einem Datenpaket. Der Aufbau der Datenpakete ist festgelegt und abhängig davon, welche Informationen transportiert werden sollen (Webseite, Verbindungsdaten, E-Mail, Dateiübertragung,...). Die Vereinbarung, wie eines Datenpaket aufgebaut sein soll, nennt man Internet-Protokoll.

Klicken Sie auf das Datenpaket mit der Nummer 1, welches wir uns genauer ansehen wollen.


Paket #1
Abbildung 1.2

Nach der Nummer des Datenpakets und dem Zeitstempel der Aufnahme des Pakets folgen 4 Informationsblöcke, die den 4 Schichten des DoD-4-Schichtenmodells entsprechen: Netzzugangs-Schicht (= Network-Access-Layer), Vermittlungs-Schicht (= Internet-Layer), Transport-Schicht (= Transport-Layer), Anwendungs-Schicht (= Application-Layer).

Netzzugang:
Die Netzwerkkarte des Notebooks ist die Quelle des Datenpakets mit der MAC-Adresse 43:BA:3A:51:0B:85. Da das Notebook neu im Netzwerk ist und die anderen Geräte es noch nicht kennen, schickt es das Datenpaket an das Ziel mit der MAC-Adresse FF:FF:FF:FF:FF:FF. Dieses Ziel gibt es nicht. Die MAC-Adresse FF:FF:FF:FF:FF:FF als Ziel bedeutet: schicke das Datenpaket an alle bekannten Geräte des Netzwerks (ein sogenannter Broadcast).

Vermittlung:
Die Netzwerkkarte des Notebooks hat erkannt, dass es sich in einem IP-Netz befindet, aber sie hat noch keine gültige IP-Adresse. Also teilt die Netzwerkkarte dem Netzwerk mit, meine IP ist 0.0.0.0 (ich habe noch keine) und mein Ziel sind alle Geräte des Netzwerks 255.255.255.255 (Broadcast).

Transport:
Ein Datenpaket muss einen bestimmten Aufbau haben, damit andere Netzwerkgeräte wissen, was sie mit dem ankommenden Datenpaket anstellen sollen. Die Anfrage des Notebooks an das Netzwerk: "Darf ich bei euch mitmachen?" erfolgt nach dem UDP-Protokoll.

Anwendung:
In der Anwendungsschicht wird mitgeteilt, was der Zweck des Datenpakets ist:
DHCPDISCOVER, yiaddr=0.0.0.0, chaddr=43:BA:3A:51:0B:85 teilt dem Netzwerk mit: "Hallo, ich bin ein neues Netzwerkgerät mit der Mac-Adresse 43:BA:3A:51:0B:85 und habe noch keine gültige IP-Adresse. Gibt es in diesem Netzwerk einen DHCP-Server, der so nett wäre mir eine IP-Adresse anzubieten?"


Paket #2
Abbildung 1.3

Nachdem das Datenpaket #1 an alle Geräte des Netzwerks geschickt wurde, erreicht das Paket #2 nach kurzer Zeit das Notebook.

Netzzugang:
Der DHCP-Server hat die Anfrage des Notebooks entgegengenommen und ist der Meinung, dass er dem Notebook antworten sollte. Seine Mac-Adresse ist die Quelle des Datenpakets, da das Notebook noch keine gültige IP hat, schickt er das Paket wieder als Broadcast an das gesamte Netzwerk.

Vermittlung:
Der DHCP-Server hat die IP-Adresse 10.1.1.200 und gibt diese als Absender an. Das Paket sendet er an alle IP-Adressen des Netzwerks 255.255.255.255 (Broadcast).

Transport:
Die Übermittlung der neuen IP-Adresse erfolgt nach dem UDP-Protokoll.

Anwendung:
Dem Notebook wird mitgeteilt, was der Zweck des Datenpakets ist:
DHCPOFFER, yiaddr=10.1.1.1, chaddr=43:BA:3A:51:0B:85, router=0.0.0.0, subnetmask=255.255.255.0, dnsserver=0.0.0.0, serverident=10.1.1.200 teilt dem Netzwerk mit: "Hallo, ich bin der DHCP-Server und kann dir die angegebenen Einstellungen für IP-Adresse, Netzmaske,... anbieten, falls du bei unserem Netzwerk mitmachen möchtest.""


Pakete #3 und #4
Abbildung 1.4

Ein Datenpaket nach den ARP-Protokoll sucht im Netzwerk nach der MAC-Adresse 43:BA:3A:51:0B:85, um herauszufinden, an welches Gerät das Angebot des DHCP-Server ausgeliefert werden soll.


Paket #5
Abbildung 1.5

Das Notebook schickt an das Netzwerk die Mitteilung:
DHCPREQUEST: ich fordere vom DHCP-Server mit der IP-Adresse 10.1.1.200 die angebotene IP-Adresse 10.1.1.1 verbindlich an.


Paket #6
Abbildung 1.6

Der DHCP-Server schickt an das Netzwerk die Mitteilung:
DHCPACK: ich akzeptiere die verbindliche Anforderung der angebotenen IP-Adresse 10.1.1.1 und speichere in meiner DHCP-Tabelle die IP-Adresse 10.1.1.1 und die MAC-Adresse 43:BA:3A:51:0B:85.

Damit verfügt das Notebook über eine gültige IP-Adresse und kann an der Kommunikation im Netzwerk teilnehmen.


Paketbasierte Übertragung einer Internetseite

Wenn Sie im Browser eine Internet-Adresse eingeben, wird Ihnen vom entsprechenden Webserver eine Internetseite übertragen, die Sie im Webbrowser betrachten können. Diesen Vorgang können Sie mit dem Mininetzwerk in Filius simulieren.

Quest 1:

Installieren Sie auf dem Notebook in Filius einen Webbrowser und kontaktieren Sie den Webserver mit der IP 10.1.1.100.

Dokumentieren Sie die paketbasierte Kommunikation mit welcher der Inhalt der angeforderten Internetseite an das Notebook übermittelt wird, nennen Sie die verwendeten Protokolle und erklären Sie jeweils knapp die Aufgabe des einzelnen Pakets.

Lassen Sie das Dokument in der vereinbarten Weise Ihrer Lehrkraft zukommen.

(Wert: 5 XP)


Paketbasierte Übertragung großer Datenmengen

Wenn Sie sich eine umfangreiche Software oder ein Computerspiel herunterladen, kann eine Datei leicht mehrere Gigabyte groß sein. Mit Hilfe des Internetprotokolls TCP können solche großen Datenmengen fehlerfrei an einen Internetclient ausgeliefert werden.

Quest 2:

Suchen Sie im Internet nach guten Erklärungen für die paketbasierte Übermittlung von großen Datenmengen mit Hilfe des TCP-Protokolls. Ein Einstiegspunkt für Ihre Recherche könnte folgende Seite sein: TCP.

Erstellen Sie eine professionelle Präsentation mit Ihren Erkenntnissen und lassen Sie diese in der vereinbarten Weise Ihrer Lehrkraft zukommen.

(Wert: 15 XP)