Grundlagen des Protokollentwurfs

Wie geht man mit Pfadänderungen im Protokoll um?

• Kein Problem, außer eine Firewall hängt dazwischen
• Veränderungen an Bandbreite, Latenz und RTT müssen kommuniziert werden

Welche Regeln sind beim Protokollentwurf zu beachten?

• Werte: Binary- (kompakter) oderText-Format
• KISS: Keep it simple, stupid
• Reserved-Felder: Definiere, wie sie aussehen müssen (Must be set zero when sending (MBZ))
• Format: Big oder Little Endian
• Ethertype: Unterscheidung und IPv4 und IPv6 wird bereits auf Layer 2 erkennbar
• Feldgrößen: 64/128-Bit Felder für Zukunftsfähigkeit
• Options im IP-Header: Viele Firewalls blocken die Optionen und sind daher nutzlos
• IPv4: Hier ist das Type-Feld zu klein
• IPv6: Es werden Erweiterungen anstatt Optionen mit Next Header-Adressierung verwendet

Was sind Type-Length-Values (TLVs)?

• Optionale Informationen können als TLV in einem Protokoll codiert werden anstatt den Header zu vergößern
• A/B: Anweisung wie mit den Nachrichten umzugehen ist, wenn Extension unbekannt ist (read, forward, delete)

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State in Networking

Wo befinden sich Zustände (state)?

• PC: TCP Connection State (Lokale IP und Port, Remote IP und Port, Sequence- und Acknowledgement-Nummer, Größe des Windows) = TCP Control Bar (TCB)
• Firewalls/Middleboxes im Netzwerk: TCP und UDP Connection State, IPv4 Fragmente
• Router: IPv4 Fragmente

Wie werden solche Zustände verwaltet?

• Erzeugung: TCP-SYN-Packete
• Reguläre Entfernung: TCP-FIN-Packete (Nicht immer gegeben)
• Sonstige Entfernung: Zeitgesteuert mit Timern
• Feste Zustände: „Sowas macht man nicht!“

Was ist ein Soft State?

• Dies bedeutet, dass der Zustand an eine Lebensdauer geknüpft ist
• Dies wird bspw. durch einen Timer gesteuert
• Nahezu jeder Status/Zustand ist ein Soft State

Was passiert, wenn der Timer ausläuft?

• Kommt ein Paket innerhalb des Gültigkeitszeitraumes an, wird der Timer zurückgesetzt (Refresh)
• Läuft der Timer ohne ein Paket aus, wird der Zustand wird sofort/nach einer Wartezeit entfernt

Warum ist es bei TCP schlecht, sofort einen Zustand anzulegen, wenn das erste SYN-Paket eingeht? 

• Ein Angreifer kann zahlreiche SYN-Pakete schicken und nicht auf die SYN+ACK-Pakete antworten (ignorieren/droppen)
• Durch diese halboffenen Verbindungen kann die Betriebsfähigkeit eines Dienstes bzw. Hosts eingeschränkt werden (vgl. Abbildung 1)

Was ist ein Delayed State?

• Man sollte nur einen Zustand erzeugen, wenn man sicher ist, dass der andere auch da ist und es ernst meint
• Dies kann mit dem SYN-Cookies-Mechanismus gelöst werden
• Der Zustand wird erst nach Rücklieferung des Cookies erzeugt (vgl. Abbildung 2)
• Mithilfe eines rechenintensiven Puzzles (Primzahlen) kann dies noch verstärkt werden (vgl. Abbildung 3)

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Design Elemente

Was ist eine Prüfsumme (Checksum)?

• Ein Wert, mit dem die Integrität von Daten überprüft werden kann
• Wird aus den Ausgangsdaten berechnet und erlaubt die Erkennung von mindestens einem Bitfehler
• Der Empfänger berechnet aus den empfangenen Daten die Prüfsumme und vergleicht diese mit der übertragenen Prüfsumme des Senders

Warum macht es Sinn, eine Checksum bereits auf Layer-2 zu verwenden?

• Wird durch einen Bitfehler die Ziel-IP-Adresse einer Nachricht auf einen anderen, im Netzwerk vorhandenen, Host geändert, so empfängt dieser die Nachricht und entpackt sie fälschlicherweise komplett
• Dieser Prozess verbraucht unnötig CPU-Zyklen, außer es wird bereits auf dem niedrigeren Layer erkannt, dass die Nachricht fehlerhaft ist

Was ist eine Feedback-Loop?

• Grundlegend handelt es sich um ein System, bei dem der Output bzw. die Reaktion dazu vom Empfänger oder einem Netzwerkknoten wieder als Input eingespeist wird
• Dadurch lässt sich validieren, ob die Pfade korrekt funktionieren und die Endpunkte erreichbar sind
• Beim Real-Time Transport Protocol (RTP) werden Informationen durch das RealTime Transfer Control Protocol (RTCP) zurück geliefert (vgl. Abbildung 1)
• Anhand dessen, können beispielsweise Anpassungen an der Dienstqualität (Quality of Service) oder Synchronität vorgenommen werden

Was ist Flusskontrolle (Flow Control)?

• Eine Funktion von Kommunikationsprotokollen zur Anpassung der Übertragungsgeschwindigkeit von asynchron arbeitenden Endgeräten
• Hierbei teilt die empfangende Station dem Sender kontinulierlich ihre Aufnahmefähigkeit (Window Size) mit
• Der Sender passt daraufhin seine Übertragungsgeschwindigkeit der Aufnahmefähigkeit an

Wie wird die Übertragungsrate bei Telefonie angepasst?

• Sprache bzw. Telefonie verwendet sogenannte Codecs
• Diese haben eine jeweils fest definierte Bitrate (G.711 = 80 Kbps)
• Sind die Kapazitäten ausgeschöpft, wird ein Codec mit niedriger Qualität und geringerer Übertragungsrate gewählt

Was ist die TCP-Sequenznummer?

• 32 Bit großes Feld im TCP-Header zur Sicherstellung einer vollständigen Übertragung in der richtigen Reihenfolge und ohne Duplikate
• TCP-Segmente können durch die inkrementierende Sequenznummer sortiert werden, da diese in unterschiedlicher Reihenfolge beim Empfänger ankommen können
• Die Start-Sequenznummer ist eine zufällig Zahl

Warum wird eine zufällige TCP-Sequenznummer verwendet?

• Um Sicherheitsrisiken zu vermeiden

Was passiert wenn der komplette Sequenznummernraum durchlaufen ist?

• Dies findet spätestens dann statt, wenn 4096 MB über das Netzwerk übertragen wurden
• Sobald dieser Zeitpunkt erreicht ist, findet ein sogenannter wrap around statt und die Zahlen beginnen von Vorne
• Ab diesem Augenblick kann nicht klar definiert werden, ob eine Nachricht zu den ersten 4096 MB gehört, eine Retransmission ist oder zum nächsten Zyklus gehört
• Maximum Segment Lifetime (MSL) und TCP Sequence Number Wrapping (PAWS) werden hierfür als Lösung verwendet

Was ist die MSL?

• Sie gibt die maximale Lebensdauer eines Segmentes im Netz an und liegt üblicherweise bei 2 Minuten
• Sie dient auch als Timeout für das erneute Senden eines Paketes, wenn keine Quittierung bis zum Ablauf der Zeit erfolgt ist
• Für eine fehlerfreie Kommunikation muss folgendes Kriterium erfüllt sein: \( \frac{2^{31}}{\text{Byte pro Sekunde}} > MSL (secs) \)
• Je schneller die Übertragungsgeschwindigkeit ist, desto anfälliger wird dieses Prinzip für Fehler (vgl. Tabelle)

Was ist das PAWS?

• Für PAWS wird die TCP-Option Timestamp in jedem Segment (SEG.TSval) benötigt
• Damit der Mechanismus funktioniert, wird ausgenutzt, dass es sich um einen monoton, steigenden Wert handelt
• Nachrichten werden verworfen, wenn der Zeitstempel (deutlich) geringer ist, als der von kürzlich empfangenen Nachrichten dieser Verbindung
• Eine Zeitsynchronisierung ist nicht erforderlich, da nur mit dem Zeitstempeln des Absenders gearbeitet wird

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Internet Traffic Exchange

Was ist Peering?

• Zusammenschluss von gleichrangigen Computernetzwerken zum Datenaustausch (z. B. zwischen zwei Internetzugangsanbietern)
• Es werden keine Kosten für den Traffic veranschlagt, da Konnektivität im Vordergrund steht
• Hierfür treffen die Partner eine Vereinbarung (peering agreement)
• Peering ist nicht transitiv (vgl. Abbildung 1)

Was ist Transit?

• Die Dienstleistung, Datenverkehr durch ein Netzwerk durchzuleiten
• Vertragspartnern sind meist unterschiedlich große Provider
• Der größere stellt gegen Bezahlung einen sogenannten Uplink zur Verfügung
• Hierbei entstehen im Gegensatz zum Peering Kosten für den Traffic bzw. die Nutzung

Wie sehen Peering und Transit in der Praxis aus?

• Peering ist in der Regel horizontal
• Transit ist in der Regel vertikal

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Konzepte und Designaspekten für Internetprotokolle

Zum Einstieg in das Thema haben wir das Draft-Dokument zum Substrate Protocol for User Datagrams (SPUD) (Link) durchgelesen.

The goal of SPUD (Substrate Protocol for User Datagrams) is to provide a mechanism for grouping UDP packets together into a „tube“ with a defined beginning and end in time. Devices on the network path between the endpoints speaking SPUD may communicate explicitly with the endpoints outside the context of the end-to-end conversation.https://tools.ietf.org/id/draft-hildebrand-spud-prototype-03.txt

Welche Adressierungsarten gibt es in Netzwerken?

• Unicast: Kommunikation von einem Sender zu genau einem Empfänger (1:1).
• Multicast: Kommunikation von einem Sender zu einer definierten Gruppe von Empfängern (1:n, nur abonnierte Teilnehmer).
• Broadcast: Kommunikation von einem Sender zu allen Geräten im selben Netzwerksegment (1:alle).
• Anycast: Kommunikation von einem Sender zu genau einem Empfänger aus einer Gruppe, meist dem nächstgelegenen oder besten erreichbaren (1:1 aus n möglichen).
• Je nachdem auf welcher Netzwerkschicht man sich befindet, kann die Adressierung von Nachrichten anders adressiert werden (Verteilung von Nachrichten an Gruppen durch Anwendungen)

Was ist ein Anycast?

• Bei einem Anycast können mehrere Server adressiert werden, aber nur einer Antwortet (Routing ist hierbei entscheidend)
• Die Server haben die gleiche IP-Adresse, sind jedoch räumlich voneinander getrennt
• Bei Unerreichbarkeit verschwindet die Route und alle folgenden Pakete werden zu einem anderen Server geleitet
• Anycast-Server besitzen daher meist eine Unicast-Adresse, um auch direkt angesprochen werden zu können
• Die Antwort eines Anycast-Servers ist ein Unicast

Welche Probleme machen routing changes?

• Die Änderung einer Route führt meist zu neuen Latenzen und Bandbreiten 
• Weiterhin fehlt der State bei zu passierenden Middleboxes, wie Firewalls, was zum Verwerfen von Paketen führt

Was ist der Unterschied zwischen Stream- und Nachrichten-basierter Kommunikation?

In einem Stream werden alle Bytes als kontinuierlicher Datenstrom behandelt. Sendet man also dreimal „Hello world!“ hintereinander, wird jeder lesende Zugriff eine Teilmenge aus „Hello world!Hello world!Hello world!“ zurückliefern.

read #1 -> "Hel"
read #2 -> "lo worl"
read #3 -> "d!Hello"
read #4 -> ""
read #5 -> " world!Hello world!"

In einem Nachrichten-basierenden Protokoll werden die Bytes mithilfe von Frames unterteilt.

read #1 -> "Hello world!"
read #2 -> "Hello world!"
read #3 -> "Hello world!"

Die Beispiele hierfür stammen von Adrian Ho auf Quora.com (Link).

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Prinzipien der Internetarchitektur

Wie sollte das Systemdesign aussehen?

• Das Systemdesign sollte unabhängig von Anzahl der Knoten sein und beliebig viele erlauben
• In der Praxis limitieren IP-Adressen und die Werte des TTL-Felds die Kommunikation
• Diese Einschränkungen liegen nicht am Design, sondern der Implementierung

Warum sollte man das Senden beschränken?

• Aus Gründen der Staukontrolle, um die Bandbreite der anderen Teilnehmer nicht übermäßig negativ zu beeinflussen

Warum sollte man beim Empfangen tolerant sein?

• Aufgrund von falschen Werten in reservierten (d. h. nicht genutzten) Feldern sollten die Nachrichten nicht verworfen werden

Warum sollte man keine Adressinformationen im Quellcode von Programmen festlegen?

• Damit Änderungen nicht nur durch Entwickler vorgenommen werden können
• Damit Anwendungen modular und portabel sind

Welche Protokolle und Technologien sind zu präferieren?

• Unpatentierte Technologien sind immer zu bevorzugen, auch wenn sie unter Umständen schlechter sind

Wie gewährleistet man eine maximale Kompatibilität bei der Protokollentwicklung?

• Verwende stets alle Teile eines Protokolls und nicht nur Teile davon

Warum ist es wichtig, Internationalization zu berücksichtigen?

• Bei der Eingabe von Zeichenketten können Sonderzeichen vorkommen
• Es muss klar sein, wie mit diesen umzugehen ist

Wie sieht es mit Vertraulichkeit aus?

• Man sollte immer davon ausgehen, dass alle Daten vertraulich sind
• Daher sollte am Besten immer verschlüsselt und authentifiziert werden

Was ist crypto-agility?

• Die Fähigkeit, dass von einem IT-System alternative kryptographische Verfahren genutzt werden können
• Es sollte immer ein Verfahren geben, das alle machen können müssen (mandatory support)

Der Beitrag Advanced Internetworking (Vorlesung 4) erschien zuerst auf Maximilian Krieg.

Der Beitrag Advanced Internetworking (Vorlesung 3) erschien zuerst auf Maximilian Krieg.

Historie der Netzwerke

Was sind Interworkingfunctions?

• Netzwerke wurden so konzipiert, dass sie ausfallsicher sind
• In der Anfangszeit konnten Netzwerke unterschiedlicher Anbieter nicht miteinander kommunizieren
• Dies könnte zum Beispiel an unterschiedlichen Frame-Größen gelegen haben
• Ein Client hat für jedes verbundene Netzwerk eine eigene Netzwerkkarte
• Später wurden sogenannte Interworkingfunctions zwischen die Netzwerke geschaltet (vgl. Abbildung 1)
• Diese haben die Nachrichten transformiert
• Das skaliert jedoch sehr schlecht, weshalb später gemeinsame Netzwerkstandards etabliert

Der Beitrag Advanced Internetworking (Vorlesung 2) erschien zuerst auf Maximilian Krieg.

Der Beitrag Advanced Internetworking (Vorlesung 1) erschien zuerst auf Maximilian Krieg.