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Informatik Master, PM2100.1, 2013Kommunikationssysteme, Teil 2.2, S. Rupp
KommunikationssystemeTeil 2.2 – Aufbau und Entwurf von Protokollen
Stephan Rupp
Informatik Masterstudium
www.dhbw-stuttgart.de
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Inhalt
Aufbau und Entwurf von Protokollen
• Protokolle
• Entwicklung und Test
• Protokollanalysator
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Protokollschichten
Prinzip: Schichtung von Diensten
Schicht N + 1
nutzt …
… Dienst der
Schicht N
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Referenzmodell der ISO-OSI
Endsysteme und Übertragungssysteme
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ISO-OSI Referenzmodell
Funktionen der Protokollschichten
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OSI – Modell für Systeme
Anw
endu
ngen
Net
zwer
k
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Ebenen om OSI Referenzmodell
Management Plane:
Systemadministration
(OSS/NMS)
Control Plane: Steuerung
User Plane: Daten
OSS: Operation Support System, Betriebsführungssystem NMS: Network Management System, Leitsystem
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Anfragen auf Dienstebene
Dienstanbieter (Service Provider) leitet Anfragen weiter
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Innerhalb der Anwendungsknoten
SDU: Service Date Unit
PDU: Protocol Data Unit
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Hierarchie der Nachrichten
Protocol Data Units als komplette Nachricht der Schicht
• (N) PDU = (N) SDU + (N) PCI
• (N) SDU = (N+1) PDU
SDU: Service Date Unit
PDU: Protocol Data Unit
PCI: Protocol Control Information
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Kommunikationsprozess
Nachrichten und Zustandsänderungen
PaketkopfPaketinhaltQuelle: Gerd Siegmund
Prozess: Zustandsautomat
(Finite State Machine)
PDU
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Beispiel: Client - Server Kommunikation
Client und Server als Zustandsautomaten
Zustände (States):
0: Disconnected (DISC)
1: Waiting (WAIT)
2: Connected (CONN)
Zustandsübergänge (Transitions):
+/-1: send/receive Connect Request (Creq)
+/-2: send/receive Connect Acknowledge (Cack)
+/-3: send/receive Disconnect Request (Dreq)
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Zustandsdiagramm
Nachrichten lösen Zustandsänderungen aus
• Gleiches Konzept wie bei UML Zustandsdiagrammen (State Diagram)
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Beispiel: Client-Server in SDL Notation
SDL: Service Description Language (vergleichbar mit Aktivitätsdiagramm bei UML)
Zustand
Nachricht empfangen
Nachricht senden
Nachricht empfangen(warten auf Benutzer)
Zustand
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Beispiel: Sequenzdiagramm
Message Sequence Diagram entspricht Sequenzdiagramm bei UML (Nachricht senden = Methode aufrufen)
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Formale Validierung
Formale Validierung
ist in sehr einfachen
Fällen durch
Berücksichtigung
globaler Zustände
möglich.
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Beispiel: Client-Server Kommunikation
Kriterien zur Validierung:
• gegenseitige Blockierung (Deadlock): Pfade ohne Ausgang
• unspezifizierte Signale (ohne Empfang)
• Nicht auführbare Zustände (Zustand ist nicht erreichbar)
• Mehrdeutige Zustände (Zustand wird durch unterschiedliche Ereignisse erreicht)
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Inhalt
Aufbau und Entwurf von Protokollen
• Protokolle
• Entwicklung und Test
• Protokollanalysator
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Planen und Bauen
Top-Down Prozess
Bottom-Up
Prozess
Modell
Code
Planung und Design: Transformationen eines Modells
Bauen: Transformationen eines Codes
(OpenSource: Code als Modell)
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Implementierung und Tests
System-
anforderungen
Funktionale
Anforderungen
Design
Anforderungen
Implementierung
der Module
Implementierung der Units
white box
black box
Software-
Entwickler
Unit-
Tests
Modul- tests
Integrations- tests
Funktionale
Tests
System-
tests
Implementierung
und Test
V-ModellSpezifikation und Test
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Hardware Architektur
Controller
(Host)
Schnittstelle
(Communication Controller)
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Informatik Master, PM2100.1, 2013Kommunikationssysteme, Teil 2.2, S. Rupp 22
Software Architektur
Controller
(Host)
Schnittstelle
(Communication Controller)
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Modell einer Protokollschicht
Schicht N als Dienstleister (Service Provider) für Schicht N+1
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Protokolltests
Ereignisse und Statustabellen (Event State Tables)
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Protokolltests
Referenz und Prüfling einer Protokollschicht
Referenz Prüfling
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Informatik Master, PM2100.1, 2013Kommunikationssysteme, Teil 2.2, S. Rupp 26
Konformitätstests
Mit externem Protokolltester
FSM: Finite State Machine, Zustandsautomat ASP: Abstract Service Primitives
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Informatik Master, PM2100.1, 2013Kommunikationssysteme, Teil 2.2, S. Rupp 27
Realer Testaufbau
Protokollschicht Testfälle (Test Cases)
Emulation der unteren Protokoll-
schichten
Prüfling(System under Test)
Testsystem(Protokolltester)
PDU
ASP
PDU: Packet Data Unit ASP: Abstract Service Primitives
Simulator Trace
Full Trace
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Informatik Master, PM2100.1, 2013Kommunikationssysteme, Teil 2.2, S. Rupp 28
Anwendungstests
Editor
AnwendungSkript
Testumgebung
Entwicklungs-system & Emulator
Zielsystem
Test Case
Input
record inputs
play backError
situations
Events
Test report
Screen shots
laden
programmieren und testen
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Informatik Master, PM2100.1, 2013Kommunikationssysteme, Teil 2.2, S. Rupp 29
Inhalt
Aufbau und Entwurf von Protokollen
• Protokolle
• Entwicklung und Test
• Protokollanalysator
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Protokollschichten
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Signalisierung und Verbindung
VoIP mit Session Initiation Protokoll (SIP)
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Informatik Master, PM2100.1, 2013Kommunikationssysteme, Teil 2.2, S. Rupp 32
Protokollanalysator einsetzen
Übungen mit Wireshark
• Wireshark installieren und eigenen Verkehr mitschneiden
Siehe auch: SIP Labor
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Protokollanalysator einsetzen
Aufbau einer SIP-Nachricht – Anfrage (Request)
SP: Leerzeichen (Space)
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Informatik Master, PM2100.1, 2013Kommunikationssysteme, Teil 2.2, S. Rupp 34
Protokollanalysator einsetzen
Aufbau einer SIP-Nachricht – Antwort (Response)
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Informatik Master, PM2100.1, 2013Kommunikationssysteme, Teil 2.2, S. Rupp 35
Protokollanalysator einsetzen
Ablauf einer SIP-Transaktion
Verbindungsaufbau
Verbindungsabbau
Verbindung
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Informatik Master, PM2100.1, 2013Kommunikationssysteme, Teil 2.2, S. Rupp 36
Protokollanalysator einsetzen
Aufzeichnung mit Wireshark (Beispiel)
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Informatik Master, PM2100.1, 2013Kommunikationssysteme, Teil 2.2, S. Rupp 37
Protokolle manipulieren
Beispiel: ARP Poisoning
• Sicherheitslücke: zustandsloses Protokoll
• Beschreibung des Szenarios siehe:
http://www.oxid.it/downloads/apr-intro.swf
• Protokollwerkzeug Cain & Abel, siehe:
http://www.oxid.it/downloads/cain20.exe
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Informatik Master, PM2100.1, 2013Kommunikationssysteme, Teil 2.2, S. Rupp 38
Protokolle absichern
Fehlerfälle und Sicherheitsmaßnahmen
Maßnahme Fehler
Sequenz Nummer
Watchdog Connection ID CRC (Prüfsumme) Berechnung
Unbeabsichtigte Wiederholung x xVerlust x x xEingefügte Nachricht x xInkorrekte Sequenz x xVerfälschung xUnakzeptable Verzögerung x
Maskerade x x
Memory Fehler in Switches x x
Inkorrekte Weiterleitung zwischen Segmenten x
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Informatik Master, PM2100.1, 2013Kommunikationssysteme, Teil 2.2, S. Rupp 39
Funktionale Sicherheit (engl. Safety)
• Ziel: Gefahren für Menschen und Umwelt durch Maschinen und Anlagen vermeiden.
• Risiko = Schadenshäufigkeit * Schadensausmaß
• Prinzip: Senkung des Risikos auf ein akzeptables Maß durch Sicherheitsmaßnahmen.
Maschinen und Anlagen sind derart auszulegen, dass Fehler und Defekte keine Gefährdung nach sich ziehen.
Risiko ohne Schutzmaßnahme
< akzeptables Risiko
Risiko mit Schutzmaßnahme
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Informatik Master, PM2100.1, 2013Kommunikationssysteme, Teil 2.2, S. Rupp 40
Kommunikationssysteme
ENDE Teil 2.2
Aufbau und Entwurf von Protokollen