Netzwerke & Internet

A1

$320000$ Geräte

A2

Anzahl Verbindungen für $n$ Geräte: $$A = \frac{n-1}{2} \cdot n$$ Tipp für Herleitung: Berechne explizit für einige Beispiele:

• $n=5$: $A = 4 + 3 + 2 + 1 = 2 \cdot 5$
• $n=6$: $A = 5 + 4 + 3 + 2 + 1 = 2.5 \cdot 6$
• $n=7$: $A = 6 + 5 + 4 + 3 + 2 + 1 = 3 \cdot 7$

Mit Code:

def anzahl_verbindungen(n):
    a = 0
    for i in range(1,n):
        a = a + i
    return a
 
print(anzahl_verbindungen(1000000))

Problem: Dauert sehr lange, kaum berechenbar für $30$ Mia. Geräte

B1

1. $2^{32} \approx 4.3$ Milliarden
2. Nein, da ca. $30$ Milliarden Geräte gibt

B2

Für Hosts stehen $8$ Bits zur verfügung, also $2^8-2 = 254$ Geräte. Achtung: Muss $2$ abziehen, da zwei Adressen nicht an Geräte vergeben werden - später mehr dazu.

B3

1. IP (Beispiel): $172.16.27.145$, Subnetzmaske: $255.255.248.0$
2. $11$ Bits für Hosts, also $2^{11}-2 = 2046$ Hosts. Ca. $600$ Personen an KSR, sollte also passen.

B4

$$2^x = 30 \cdot 10^9$$ $$x \approx 34.8$$ Also mind. $35$ Bit.

Gleichung kann gelöst werden mit dem Logarithmus oder einfach durch ausprobieren.

B5

2. Wird typischerweise mit $6$ Hexadezimalzahlen ($16$er System) geschrieben, z.B. 2b:80:41:ae:fd:7e. Dies entspricht $48$ Bits.
3. Anzahl Möglichkeiten: $16^{12} = 2^{48} \approx 281 \cdot 10^{12}$, allerdings sind zwei Bits fix, also deshalb nur $2^{46} \approx 70 \cdot 10^{12}$
4. ca. $9000$ Geräte (MAC mit $46$ freien Bits), mit $48$ Bits wären es sogar etwa $35000$. Wird irgendwann nicht mehr reichen. Laut Quellen im Internet dürften um 2040 die MAC-Adressen ausgehen.

B6

siehe Tabelle hier: https://de.wikipedia.org/wiki/Classless_Inter-Domain_Routing#Übersicht_für_IPv4

• Anwendungsschicht
  • Analogie: Versand von Gegenständen (Möbel, Bücher…)
  • Abstraktion: –
  • Adressen: –
  • Internet-Protokoll: HTTP(S), SMTP, DNS, …
• Transportschicht
  • Analogie: Übertragung einer ganzen Sendung aus mehreren Paketen, mit Lieferschein.
  • Abstraktion: (bidirektionaler) Datenstrom
  • Adressen: TCP-Ports
  • Internet-Protokoll: TCP, UDP
• Vermittlungsschicht (Internet Layer)
  • Analogie: Post-Pakete
  • Abstraktion: (Einweg-) Paketvermittlung Ende-zu-Ende
  • Internet-Protokoll: IP
• Netzzugangsschicht (Link Layer , Physical Layer)
  • Analogie: Transport über eine einzelne Strecke.
  • Abstraktion: Paket-Vermittlung über eine einzelne Verbindung
  • Internet-Protokolle: Ethernet (LAN), WiFi (WLAN), DSL, LTE, …

• Domain / URL
  • Domain:
    • Beispiel: www.ethz.ch
    • Eigenschaften:
      • Identifiziert einen Server (oder einen Server-Namensraum) im Internet.
      • Ist hierarchisch aufgebaut: am Schluss steht die Top-Level-Domain (entweder eine Länder-Domain wie .ch oder eine globale Domain wie .com oder .org), danach folgen die unter-Domains (im Beispiel ethz, danach www).
      • Ist Teil eines URLs.
  • URL (bisher nicht explizit besprochen)
    • Beispiel: http://www.ethz.ch/index.html
    • Eigenschaften:
      • Identifiziert eine Resource („Datei“) im Internet.
      • Wird insbesondere von HTTP benutzt, um Resourcen wie HTML und CSS von einem Webserver über das Internet zu laden.
      • Der zweite Teil (www.ethz.ch) ist eine Domain (Servername)
• IP-Adresse
  • Beispiel: 129.132.98.12
  • Eigenschaften:
    • Identifiziert ein Gerät (eigentlich: eine Netzwerk-Karte) im Internet.
    • Pakete werden auf der Vermittlungsschicht von einer IP-Adresse an jede andere geroutet.
    • Besteht aus 32 bit (IPv4) oder 128 bit (IPv6)
    • Es gibt ca. 4 Milliarden (2³²) IPv4-Adressen.
    • IP-Adressen sind logische Adressen - dasselbe Gerät erhält eine andere IP-Adresse, wenn es in einem anderen Netz eingebunden wird.
• MAC-Adresse
  • Beispiel (müssen Sie nicht wissen): 00:80:41:ae:fd:7e
  • Eigenschaften:
    • Identifiziert ein Geräte (eigentlich: eine Netzwerk-Karte) im lokalen Subnetz.
    • MAC-Adressen sind fix, jede Netzwerkkarte hat fix eine MAC-Adresse zugewiesen. Sie ändert sich nicht, wenn das Gerät in einem anderen Netzwerk angemeldet wird.
    • MAC-Adressen spielen nur für das lokale Subnetz eine Rolle, sie werden vom Router nicht weitergeleitet.

Ein Protokoll ist eine standardisierte Kommunikation und definiert den zeitlichen Ablauf sowie das Format der ausgetauschten Nachrichten. Viele Protokolle können beliebige Inhalte (zum Beispiel höhere Protokolle) also Nutzlast (payload) transportieren. Die Protokoll-spezifischen Teile der Kommunikation (Adressen etc.) heissen Metadaten.

Protokolle aus dem Internet z.B.:

• HTTP(S)
• SMTP
• DNS
• TCP
• UDP
• IP (Internet Protocol - Achtung: oft sprechen wir von der „IP“ wenn wir eigentlich die IP-Adresse (also z.B. 129.132.98.12) meinen. Aber IP bezeichnet streng genommen das Internet Protokoll auf der Vermittlungsschicht).
• Ethernet
• LTE

Protokolle aus der realen Welt:

• Flugfunk
• Begrüssungsrituale
• Diplomatisches Protokoll (wer sitzt neben wem, Begrüssungsreihenfolge…)
• Telefongespräche (Do isch Wullschleger-Haslebacher! - Grüetsi Frau Wullschleger-Haslebacher, do isch Rüegsegger etc.)
  • Vergessen Sie nicht den Schluss des Gesprächs

Behandelte Protokolle:

• ARP
• DNS
• Ethernet
• HTTP
• IP
• MAC
• TCP
• UDP

Weitere wichtige Protokolle:

• SMTP: Simple Mail Transfer Protocol (Mail)
• DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol (Vergabe von IP-Adressen in Subnetz)

Behandelte Protokolle:

• ARP: Adress Resolution Protocol (Finde Gerät mit gesuchter MAC-Adresse, schicke dazu Broadcast Nachricht an alle Geräte im Subnetz, siehe z.B. https://oinf.ch/interactive/tcp-ip-visualisierung/)
• DNS: Domain Name System
• Ethernet (kabelgebundene Datenübertragung von Gerät zu Gerät
• HTTP: HyperText Transfer Protocol
• IP: Internet Protocol
• MAC: Media-Access-Control
• TCP: Transmission Control Protocol
• UDP: User Datagram Protocol

Weitere wichtige Protokolle:

• SMTP: Simple Mail Transfer Protocol (Mail)
• DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol (Vergabe von IP-Adressen in Subnetz)

• Internet disconnected
  • Netzzugangsschicht: fehlende Netzverbindung (z.B. kein WLAN)
• No route to host www.ethz.ch
  • Vermittlungsschicht: keine Route zur Ziel-IP-Adresse.
• Cannot resolve host www.ethz.ch
  • Anwendungsschicht: Problem mit dem DNS-Server, oder unbekannte Domain
• Server www.ethz.ch timed out
  • Könnte auf allen Schichten verursacht werden:
    • Netzzugangsschicht: schlechte Verbindungsqualität
    • Vermittlungsschicht: fehlerhaftes Routing, Pakete gehen verloren
    • Transportschicht: fehlerhafte Geschwindigkeits-Aushandlung.
    • Anwendungsschicht: Webserver ist überlastet und antwortet nicht.
• 404 Resource not found
  • Anwendungsschicht: falsche URL, oder Webserver ist falsch konfiguriert.

• Anwendungsschicht:
  • Browser löst Domain zu IP auf mit DNS auf 8.8.8.8 (erhält 129.132.98.12)
  • Browser öffnet HTTP-Verbindung zu www.ethz.ch
    • Browser verlangt die Resource mit GET /index.html
    • Webserver antwortet mit HTML Inhalten
• Transportschicht:
  • UDP-Stream zwischen 192.168.2.5:<random port 1> und 8.8.8.8:53
  • TCP-Stream zwischen 192.168.2.5:<random port 2> und 129.132.98.12:80
• Vermittlungsschicht:
  • IP-Pakete zwischen 192.168.2.5 und 8.8.8.8
  • IP-Pakete zwischen 192.168.2.5 und 129.132.98.12
• Netzzugangsschicht:
  • WLAN- oder Ethernet-Pakete zwischen 0xcafe und 0xface

Das Paket wird via 3.3.3.5 weitergeleitet und zu diesem Zweck auf der Ethernetkarte 1 hinausgeschickt. Achtung: die Quell-Adresse spielt fürs Routing keine Rolle.

Es braucht zwei Lookups in der Routing-Tabelle:

• Zeile 3 bestimmt, dass 129.132.* via 3.3.3.5 weitergeleitet wird
• Zeile 5 bestimmt, dass alle Pakete an 3.3.3.5 über die Ethernetkarte 1 gesendet werden.

Die KSR verwendet NAT. Das heisst, intern werden nur IP-Adressen aus einem privaten Bereich vergeben. Der Router ersetzt die Quell-Adresse von ausgehenden Paketen mit seiner eigenen und merkt sich die Verbindung (connection tracking). Kommt ein Antwortpaket, so ersetzt der Router die Zieladresse des Pakets und leitet es intern weiter.

Auswirkungen:

• Das Gerät kann zwar Verbindungen nach aussen öffnen, aber von aussen können keine neuen Verbindungen zum Gerät erstellt werden.
• Du kannst auf deinem Laptop keinen Server betreiben, der von aussen erreichbar ist.
  • Es ist schwierig, einen Webserver zu betreiben.
  • Es ist schwierig, einen Peer-to-peer-Client (Transmission, Gnutella…) zu betreiben (natürlich gibt es Workarounds)