Computervermittelte Kommunikation

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Kapitel 9: OSI-Schicht 3: Network Layer -- Vermittlungsschicht


von Margarete Payer

mailto: payer@hbi-stuttgart.de


Zitierweise / cite as:

Payer, Margarete <1942 - >: Computervermittelte Kommunikation. -- 9. OSI-Schicht 3: Network Layer - Vermittlungsschicht . -- Fassung vom 10. Juni 1999. -- URL: http://www.payer.de/cmc/cmcs09.htm. -- [Stichwort].

Erstmals publiziert: 1995

Überarbeitungen: 23. Juni 1997; 10.6.1999 [grundlegende Neubearbeitung und Erweiterung]

Anlass: Lehrveranstaltungen an der HBI Stuttgart

©opyright: Dieser Text steht der Allgemeinheit zur Verfügung. Eine Verwertung in Publikationen, die über übliche Zitate hinausgeht, bedarf der ausdrücklichen Genehmigung der Verfasserin.


Zur Inhaltsübersicht von Margarete Payer: Computervermittelte Kommunikation.


Besonders, um die Internet-Protokolle mit dem OSI-Modell verwirrungsfrei in Beziehung zu setzen, empfiehlt es sich, diese Schicht in drei Unterschichten aufzuteilen:

Unterschicht 3.3 Internet Layer -- Internet-Schicht (Internet = Netzwerk von Netzwerken)
Unterschicht 3.2 Subnet Enhancement Sublayer
Unterschicht 3.1 Subnet Access Sublayer - Unternetzwerk- Zugangs-Schicht

9.0. Übersicht



9.1. Merkmale der Vermittlungsschicht


Die Vermittlungsschicht ermöglicht die Bildung eines einheitlichen übergreifenden Gesamtnetzes (Internet) aus verschiedenen Unternetzwerken (Subnet). Dabei bilden Rechner, die über eine gemeinsame Verbindungssicherungs-Schicht (Data Link Layer) erreicht werden, aus der Sicht der Vermittlungsschicht ein Unternetzwerk (Subnet). Ein Gesamtnetz wird durch ein Paketnetz gebildet.


Merkmale der Vermittlungsschicht:

  • zum Paketnetz gibt es genormte Schnittstellen
  • aus der Sicht des Anwenders stellt sich das Paketnetz als geschlossenes Ganzes dar, dem Pakete nach definierten Regeln übergeben werden, und das Pakete nach definierten Regeln liefert
  • das Paketnetz stellt nicht Leitungen zur Verfügung, sondern Transportdienste für Daten. Da zwischen zwei Teilnehmern keine direkte Leitungsverbindung besteht, können auch Teilnehmer mit unterschiedlichen Datenübertragungsraten verbunden werden
  • das Paketnetz enthält aktive Elemente, die Informationen auswerten und speichern können
  • dem Netz müssen nicht nur die zu übertragenden Informationen übergeben werden, sondern auch Informationen, die zur Steuerung der Übertragung notwendig sind

Aufgaben der Vermittlungsschicht:


Konzepte bei der Realisierung des Paketverkehrs:

Internet-Protocol (IP) und viele Herstellernetze verwenden in der Vermittlungsschicht einen connectionless service, ISO und CCIT/ITU-T dagegen einen connectionful service.


9.2. Protokolle für die Vermittlungsschicht


OSI Service Definition:

WAN:

LAN:

Packet-switched data network:

Public-switched telephone network:

ISDN:

Internet: (Schicht 3.3: Internet Layer)


9.3. Die Vermittlungsschicht in öffentlichen Netzwerken


9.3.1. X.25


X.25 = Schnittstelle zwischen Datenendeinrichtungen und Datenübertragungseinrichtungen für Datenstationen, die im Paketmodus auf öffentlichen Datennetzen arbeiten (Interface between data terminal equipment (DTE) and data circuit-terminating equipment (DCE) for terminals operating in the packet mode and connected to public data networks by dedicated circuit).

X.25 wurde von CCITT 1974 vorgeschlagen und ist immer noch das internationale WAN Protokoll. X.25 wurde mehrmals revidiert, 1992 war die letzte Revision, bei der die höchstmögliche Übertragungsrate auf (nur!) 2MBit/Sekunde festgelegt wurde. Über einer guten Leitungsqualität ist X.25 veraltet und durch Frame Relay ersetzt. In vielen Ländern mit schlechter Leitungsinfrastruktur ist X.25 dagegen weiterhin sinnvoll. (Zu Frame Relay s. Kapitel 8#8.6.).

X.25 ist in drei Schichten analog dem OSI-Modell gegliedert:

Ein X.25 Paket besteht aus:

X.25 stellt nur connectionful services zur Verfügung:

DATEX P10 arbeitet über X.25 Schnittstellen.


Weiterführende Ressourcen zu X.25:


9.3.2. X.28


X.28 = Schnittstelle zwischen Datenendeinrichtung und Datenübertragungseinrichtung für ein Datenterminal mit Start/Stop-Betrieb, welches auf eine Paket-Anordnungs / Auflösungseinrichtung (PAD) zugreift, die sich im gleichen Land befindet (DTE/DCE interface for a start/stop mode data terminal equipment accessing the packet assembly/disassembly facility on a public data network situated in the same country).

Sollen asynchrone Datenendeinrichtungen mit dem Paketnetz verbunden werden, wird ein PAD benötigt. Grundaufgabe des PAD ist die Paketierung ausgehender Daten bzw. die Entpaketierung eintreffender Pakete sowie Prozeduren, die mit dem Aufbau; Unterhalt und Abbau einer virtuellen Verbindung verbunden sind.


9.3.3. X.29


X.29 = Prozedur für den Austausch von Steuerinformationen und Benutzerdaten zwischen einer Datenendeinrichtung im Paketmodus und einer Paket-Anordnungs/Auflöseeinrichtung (PAD) (Procedures for exchange of control information and user data between an packet mode DTE and an packet assembly/disassembly facility).

Nach diesem Protokoll erfolgt der Verkehr zwischen Datenendeinrichtung und PAD über Pakete.


9.4. Die Vermittlungsschicht (Schicht 3.3: Internet-Schicht) im Internet


9.4.1. Merkmale der Internet-Schicht



Aufgaben des Internet Protocol (IP):

  • Definition des Datagram als Grundeinheit der Übertragung im Internet
  • Definition des Internet-Adressierungs-Schemas
  • Übertragung der Daten zwischen Subnetzwerkschicht und Transportschicht
  • Routing der Datagrams
  • Fragmentierung und Wiederzusammensetzen von Datagrams: z.B. muss IP die relativ langen Ethernet-Pakete fragmentieren, um sie über ein X.25 Netzwerk senden zu können

IP ist ein connectionless service, d.h. es kümmert sich nicht darum, ob die Pakete tatsächlich ankommen. Es garantiert auch nicht, dass die Pakete in der Reihenfolge des Absendens ankommen.


Weiterführende Ressourcen zum IP:

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Aufgaben des Internet Control Message Protocol (ICMP):

Das ICMP ist integraler Bestandteil des IP. Es sendet unter Verwendung von IP-Datagrammen Meldungen, die folgende Aufgaben erfüllen:

Auch traceroute (s. unten) nutzt ICMP.

Beispiele für Ping: jeweils von Ofterdingen (ISP: seicom) aus

Versuch Nr. Host Name Adress Response Time
1 machno.hbi-stuttgart.de 193.196.176.135 110 ms
2     50 ms
3     61 ms
4     70 ms
5     130 ms
1 payer.de 195.63.245.100  80 ms
2     80 ms
3     70 ms
4     61 ms
5     60 ms
1 well.com 206.15.64.10 261 ms
2     271 ms
3     250 ms
4     280 ms
5     260 ms

9.4.2. Das Internet Datagram


Das Datagram ist das durch das Internet Protocol (IP) definierte Paketformat. Die ersten fünf (oder optional sechs) 32-Bit Worte des Datagram sind der Header. Sie enthalten die Kontrollinformationen, die nötig sind für die Zustellung des Datenpakets.

Die wichtigsten Bestandteile der Header-Information sind:

Aufbau des Header des Internet Datagrams nach IPv4:

(je 32 Bit)

Version; IHL; Type of Service; Total Length

Identification; Flags; Fragment Offset

Time to Live; Protocol; Header Checksum

Source Adress

Destination Adress

Options; Padding


9.4.3. Adressen im Internet Protocol (IPv4)


IP-Adressen werden oft Host-Adressen genannt. Das ist etwas missverständlich, denn IP-Adressen adressieren Netzwerk-Schnittstellen, nicht Computersysteme. Deshalb hat ein Gateway in jedem Netzwerk, mit dem es verbunden ist (d.h. für jede Schnittstelle) eine andere Adresse. Beispiel: ein Gateway, das ein Ethernet mit Milnet verbindet, kann von Ethernet-Hosts her die Adresse 128.66.12.1 haben, von Milnet her die Adresse 26.104.0.19.

Eine IP-Adresse ist 32 Bit lang und hat die Struktur:

Klassenkennung Netzadresse Rechneradresse

Es gibt vier Klassen dieser Struktur:

  Klassenkennung Netzadresse Rechneradresse Anzahl der zur Verfügung
stehenden Adressen
Anzahl der
möglichen Rechneradressen pro Netz
Klasse A 0 7 Bit 24 Bit 128 16777216
Klasse B 10 14 Bit 16 Bit 16384 65536
Klasse C 110 21 Bit 8 Bit 2097152 256
Klasse D (für Multicasting) 1110 28 Bit
für Rechnergruppe
     

Die so gebildete Adresse wird üblicherweise in dotted-octet (Oktett mit Punkten) Notation geschrieben. Dazu werden die einzelnen Bits nach obiger Adressbildung hintereinandergeschrieben und je acht Bits (ohne Rücksicht auf ihre Bedeutung!) zusammengefasst und als Dezimalzahl (zwischen 0 und 255) wiedergegeben. Die einzelnen so gebildeten Dezimalzahlen werden durch einen Punkt voneinander getrennt.

Beispiel:

Binäradresse: 00001111 00010001 11101000 00011000
Dotted Octet: 15 17 232 24

Die IP-Adresse ist also 15.17.232.24. Jede IP-Adresse in dotted octet notation besteht also aus vier Dezimalzahlen, die durch Punkte voneinander getrennt sind.

Aus der ersten Zahl der Dotted-Octet-Darstellung einer IP-Adresse lässt sich die Klasse erkennen.

Struktur der IP-Adressen in dotted octet:

  erste Zahl Netzwerkadresse Schnittstellenadresse / Hostadresse
Klasse A kleiner als 128 erste Zahl zweite bis vierte Zahl
Klasse B 128 bis 191 erste und zweite Zahl dritte und vierte Zahl
Klasse C 192 bis 223 erste drei Zahlen vierte Zahl

Erste Zahl größer als 223 = reservierte Adresse.


9.4.4. Routing im Internet


Das Routing-Modell des Internet basiert vorwiegend auf Routing Domains genannten gleichberechtigten Ansammlungen autonomer Systeme. Jede Routing Domain ist völlig autonom in den Routing-Entscheidungen.

Routing ist netzwerkorientiert, darum basieren die Routing-Entscheidungen nach IP auf der Netzwerkadresse.

Vorgang des Routing:

Die Route, die Daten im Internet nehmen, kann man mit dem UNIX-Befehl traceroute feststellen (bzw. mit entsprechenden Programmen für andere Betriebssysteme).


Beispiele für Internet-Routing:

Beispiel 1: Traceroute von Ofterdingen (Internet Service Provider: seicom) nach machno.hbi-stuttgart.de:

# Host Name Adress Response Time
[0 Ofterdingen PPP-Dial-In]    
1 [Pfullingen] max4000.Pfullingen.seicom.NET 194.97.208.24 50 ms
2 eth-0-0.Pfullingen.seicom.NET 194.97.208.22 50 ms
3 [Stuttgart] feth-4-0.Stuttgart.seicom.NET 194.97.216.22 70 ms
4 feth-4-0.Stuttgart.seicom.NET 194.97.216.22 51 ms
5 Stuttgart1.BelWue.DE 129.143.103.101 60 ms
6 Stuttgart11.BelWue.DE 129.143.103.26 50 ms
7 HBI-Stuttgart.BelWue.DE 129.143.231.2 80 ms
8 machno.hbi-stuttgart.de 193.196.176.135 70 ms

Beispiel 2: Traceroute von Ofterdingen (Internet Service Provider: seicom) nach well.com, San Francisco:

# Host Name Address Response Time
0 [Ofterdingen PPP-Dial-In]    
1 [Pfullingen] max4000.Pfullingen.seicom.NET 194.97.208.24 50 ms
2 eth-0-0.Pfullingen.seicom.NET 194.97.208.22 50 ms
3 [Stuttgart] feth-4-0.Stuttgart.seicom.NET 194.97.216.22 60 ms
4 feth-4-0.Stuttgart.seicom.NET 194.97.216.22 60 ms
5 [Frankfurt a. M.] hssi-3-1.Frankfurt.seicom.NET 194.97.193.18 70 ms
6 gin-fkf-bb1.Teleglobe.net 195.219.64.209 80 ms
7 [New York] gin-nyy-bb5.Teleglobe.net 195.219.64.202 170 ms
8 gin-nyy-bb2.Teleglobe.net 207.45.223.70 160 ms
9 sl-gw16-pen-4-0-T3.sprintlink.net 144.228.181.9 170 ms
10 sl-bb11-pen-3-1.sprintlink.net 144.232.5.97 170 ms
11 No Reply    
12 sl-gw4-sea-0-0-0.sprintlink.net 144.232.6.50 260 ms
13 sl-gstport-1-0-0-T3.sprintlink.net 144.228.96.10 281 ms
14 No Reply    
15 Unknown 207.170.198.94 311 ms
16 pb-nap.bdr.bdr.hooked.net 206.80.25.6 270 ms
17 [San Francisco] sf-cust1-fe0-0.core.hooked.net 206.80.17.13 481 ms
18 well.com 206.15.64.10 271 ms

Beispiel 3: Traceroute von Ofterdingen (Internet Service Provider: tesion (bluewindow)) nach well.com, San Francisco (gleiches Ziel wie im vorherigen Beispiel, aber anderer ISP):

# Host name Adress Response Time
[0 Ofterdingen PPP Dial-In]    
1 [Stuttgart] stu1ir7.ip.tesion.net 195.226.96.202 50 ms
2 stu1ic2-e0-0-2.ip.tesion.net 195.226.96.195 50 ms
3 Unknown 195.226.96.102 60 ms
4 [Frankfurt] s4-3.fra-icr-01.carrier1.net 212.4.195.5 60 ms
5 [New York] s1-1-0.nyc-bbr-02.carrier1.net 212.4.199.10 140 ms
6 Hssi5-1-0.GW1.NYC4.ALTER.NET 157.130.10.145 140 ms
7 131.ATM2-0.XR2.NYC4.ALTER.NET 146.188.178.126 150 ms
8 288.ATM2-0.TR2.EWR1.ALTER.NET 146.188.179.74 140 ms
9 105.ATM6-0.TR2.SCL1.ALTER.NET 146.188.137.70 210 ms
10 [San José] 298.ATM6-0.XR2.SJC1.ALTER.NET 146.188.146.57 210 ms
11 192.ATM11-0-0.SAN-JOSE9-GW.ALTER.NET 146.188.144.141 211 ms
12 Unknown 198.32.184.34 250 ms
13 [San Francisco] sf-cust1-fe0-0.core.hooked.net 206.80.17.13 241 ms
14 well.com 206.15.64.10 251 ms

Weiterführende Ressourcen zu Routing und Traceroute:

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9.4.5. Mobiles Internet Protocol ( Mobile IP)


Das IP ist nicht geeignet für Änderungen der Adresse im laufenden Betrieb. Deshalb ergeben sich z.B. bei der Verwendung von zellularer Kommunikation (mit sich ändernden Partnern des mobilen Rechners) Schwierigkeiten. Deswegen wurde Mobile IP entwickelt: es definiert wie Knotenpunkte ihre Anbindung an das Internet ändern können ohne ihre IP-Adresse zu ändern.

Das Prinzip ist folgendes. Ein mobiler Nutzer hat ein "home" Netzwerk, an das sein Computer normalerweise angeschlossen ist. Die "home" IP-Adresse ist die IP-Adresse, die er hat, wenn er an das 2home" Netzwerk angeschlossen ist. Wenn der Computer (Laptop u.dgl.) in ein anderes Netzwerk wandert, kommen die Datagramme für den Nutzer weiterhin am "home" Netzwerk an. Das "home" Netzwerk "weiß", dass der Nutzer in einem anderen Netzwerk, dem "foreign" Netzwerk ist, und kapselt die Datagramme ein und sendet sie zum "foreign" Netzwerk

Die Grundbestandteile bei Mobile IP sind also:


Weiterführende Ressourcen zu Mobile IP:


9.4.6. Internet Protocol Version 6 (IPv6)


Die Gesamtzahl der nach IP bildbaren B-Adressen geht rasant der Neige zu. Man geht diese Problem auf zwei Wegen an:

  1. provisorisch zur Überbrückung der Adresskrise:
  2. grundsätzlich: Entwicklung eines neuen Protokolls mit einem größeren Adressbereich: IPv6

Die wichtigsten Neuerungen von IPv6 sind:

Dabei bedeutet:

Für den Übergang von IPv4 (dem derzeit gültigen IP-Protokoll) auf IPv6 sind Vorkehrungen getroffen, die ein Nebeneinander beider Protokolle erlauben sollen.

Aufbau des des Internet Datagram's nach IPv6:

Version (4 Bit), Priority (4 Bit), Flow label (24 Bit)
Payload length (16 Bit), Next header type (8 Bit), Hop limit (8 Bit)
Source adress (128 Bit)
Destination adress (128 Bit)
[Extension headers]
Daten (variable Länge)

Weiterführende Ressourcen zu IPv6:

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Ressourcen in Printform:

Black, Uyless D.: Advanced Internet technologies. -- Upper Saddle River, NJ : Prentice Hall, ©1999. -- 346 S. : Ill. -- ISBN 0137595158. -- [Gibt den aktuellen Stand wieder; empfehlenswert]. -- {Wenn Sie HIER klicken, können Sie dieses Buch bei amazon.de bestellen}


9.5. Routers und Routing


Routers dienen dem Internetworking: sie verbinden ähnliche und heterogene Netzwerk-Segmente zu Internetzwerken. Wenn ein Router ein Datenpaket erhält

Zum Auffinden von Routen und zur Vermeidung von Routen, die fehlgeschlagen haben, dienen Routing Protokolle und Routing Algorithmen.

Routers verwenden die Routing Protokolle, um mit den anderen Routern zu kommunizieren, und so Informationen über die Topologie des Netzwerks zu erhalten. Aufgrund dieser Informationen bilden die Router Routing Tables, die sie für die Routing-Entscheidung benutzen.


Schematische Erklärung einer Routing Table:

cmc0901.gif (8829 Byte)

Abb.: Das Netzwerk zur unten dargestellten Routing Table

Die Routing Table von Router A enthält im Prinzip folgende Angaben:

Zielnetzwerk Anzahl der Router bis Zielnetzwerk Nächster Router Ausgangsport des Routers A
5 2 C A2
2 0 A A1
7 1 F A3
usw.      

[Vorlage des Beispiels: Parker, Timothy: TCP/IP unleashed. -- Indianapolis, IN : Sams, ©1996. -- ISBN 0672306034. -- S. 15. --  {Wenn Sie HIER klicken, können Sie dieses Buch bei amazon.de bestellen}]


Da Routing -- wie dargestellt -- eine ziemlich aufwendige und damit zeitfressende Angelegenheit ist, bemüht man sich


Weiterführende Ressourcen zu Routers und Routing:

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9.6. Layer 3 Switching/Routing


Bei Layer 3 Switching/Routing erstellen die Router zunächst einmal einen Weg zwischen zwei Netzwerken, dann werden die Datenpakte, die zwischen den beiden Netzwerken ausgetauscht werden auf diesem Weg per Layer-2 Switching (Vermittlung) geleitet, ohne dass jedes Mal der umständliche Routing-Prozess stattfindet. Man kann das Prinzip also so formulieren:

Für Layer-3 Switching gibt es eine verwirrende Anzahl von verschiedenen (miteinander nicht kompatiblen) Protokollen und technischen Verwirklichungen.

Andere Bezeichnungen für Layer-3 Switching sind:

Layer-3 Switching ist von besondere Bedeutung für Virtuelle LANs, bei denen ja immer wieder gleiche Endpunkte miteinander verbunden werden.


9.6.1. IP Switching


IP Switching ist Layer-3 Switching für das IP-Protokoll. Einige der implementierten Techniken sind:


Weiterführende Ressourcen zu Layer-3 Switching:

Organisationen:

Linksammlung:


9.7. Weiterführende Ressourcen


Ressourcen in Printform:

Borowka, Petra <1958 - >: Internetworking : Konzepte, Komponenten, Protokolle, Einsatz-Szenarios. -- Bonn : MIPT, ©1998. -- 703 S. : Ill. -- ISBN 3826640276. -- [Grundlegend]. --  {Wenn Sie HIER klicken, können Sie dieses Buch bei amazon.de bestellen}

Minoli, Daniel <1952 - > ; Schmidt, Andrew: Internet architectures. -- New York [u.a.] Wiley, ©1999. -- 526 S. : Ill. -- ISBN 0471190810. -- ["The anatomy of the Internet: how it's structured, what makes it work, who controls it, and how to support internetworking capabilities in your organization." Up to date, grundlegend, umfassend, aber sehr technisch]. --  {Wenn Sie HIER klicken, können Sie dieses Buch bei amazon.de bestellen}

Sheldon, Tom: Encyclopedia of networking. -- Berkeley [u.a.] : McGraw-Hill, ©1998. -- 1164 S. : Ill. + 1 CD-ROM. -- ISBN 0078823331. -- [Unentbehrlich!]. -- {Wenn Sie HIER klicken, können Sie dieses Buch bei amazon.de bestellen}

Tischer, Michael: Internet intern : Technik und Programmierung / [Michael] Tischer, [Bruno] Jennrich. -- Düsseldorf : Data Becker, ©1997. -- 1301 S. : Ill. -- ISBN 3-8158-1160-0. -- [Grundlegend, umfassend, aber sehr technisch]. --  {Wenn Sie HIER klicken, können Sie dieses Buch bei amazon.de bestellen}


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