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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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Qualitätssicherung

Wie kann man Fehler vermeiden?

• Fehler im Programmcode sollten zu einer bestimmten Zeit nicht mehr bearbeitet werden
• Dies steht in Abhängigkeit zum menschlichen Tagesrhythmus (vgl. Abbildung 1)
• Beachtet man dies nicht, steigt die Error Reinjection Rate (ERR)

Was ist die Error Reinjection Rate (ERR)?

• Es handelt sich dabei um das Verhältnis zwischen behobenen Fehlern bei einem Fix und den dabei neu entstehenden Fehlern
• Dies schließt auch die Wiedereinführung bereits behobener Fehler ein
• Die ERR steigt mit dem Alter eines Produkts (neue Mitglieder im Team, komplexer Code und Abhängigkeiten)
• Ab einem gewissen Punkt sollte man die Software von Grund auf neu überarbeiten

Wie kann man Fehler finden?

• In einem iterativem Modell nur über Prototypen und Integrations- und Interaktionstests während der Entwicklung
• Die Agile Entwicklung ermöglicht früheres Testen der Anwendung
• Ein probates Mittel sind Inspektionen und Reviews
• Walkthroughs haben eine schlechte Fehlererkennungsrate, da sie stark vom zeitlichen Aufwand abhängig sind
• In der Praxis kann man 40 Zeilen Programmcode oder 5 Seiten normalen Text pro Stunde prüfen
• Jedoch hat man maximal 2 Stunden Konzentration am Stück verfügbar
• Steht zu wenig Zeit zur Verfügung, kann man sich nicht ausreichend einlesen und den Text lesen
• Wird zu viel Zeit aufgewendet, sinkt die Konzentration (vgl. Abbildung 2)

Der Beitrag Requirements Engineering und Management (Vorlesung 8) erschien zuerst auf Maximilian Krieg.