Broadcast

Broadcast - Rundsendung an alle Empfänger

Beschreibung

Broadcast

• In Rechnernetzen eine Nachricht, bei der Datenpakete von einem Punkt aus an alle Teilnehmer eines Nachrichtennetzes übertragen werden

• In der Vermittlungstechnik ist ein Broadcast eine spezielle Form der Mehrpunktverbindung

Ein Broadcast-Paket erreicht alle Teilnehmer eines lokalen Netzes

• ohne dass sie explizit als Empfänger angegeben sind.

Daraus folgt, dass Broadcasts sich auf das eigene Netzsegment beschränken sollten, und nicht von Routern weitergeleitet werden.

• Soll eine Information an eine Gruppe von ausgewählten Teilnehmern gesendet werden, verwendet man stattdessen ein Multicast-Verfahren.

Jeder Empfänger eines Broadcasts entscheidet selbst, ob er im Falle seiner Zuständigkeit die erhaltene Nachricht entweder verarbeitet oder andernfalls stillschweigend verwirft.

Broadcasts gibt es auf verschiedenen Schichten des OSI-Referenzmodells.

• Allen gemein ist, dass Broadcasts von einer höheren Schicht an die unteren Schichten entsprechend angepasst werden müssen.
• So wird etwa ein IPv4-Broadcast als Ethernet-Broadcast an die MAC-Adresse FF:FF:FF:FF:FF:FF gesendet.
• Ist das unterliegende Netz nicht broadcastfähig, zum Beispiel weil es – wie unter anderem das Internet – aus einer Menge von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen besteht, kann die Nachricht stattdessen mittels eines Flooding-Algorithmus gesendet werden.

Anwendungen

Adressierung unbekannter Empfänger

• Ein Broadcast wird in einem Computernetz unter anderem verwendet, wenn die IP-Adresse des Empfängers der Nachricht noch unbekannt ist.
• Diese Technik kommt gemäß OSI-Modell in der Vermittlungsschicht zum Einsatz.
• Beispiele hierfür sind ARP, DHCP und Wake On LAN.
• Netzwerkfähige Computerspiele verwenden Broadcasts, um eine Liste aller offenen Spiele im lokalen Netz zu finden, an denen der Nutzer teilnehmen kann.
• Das Kommunikationsprotokoll SMB sucht per Broadcast Datei- und Druckerfreigaben im lokalen Netz.

IP-Broadcast

Broadcasts in IPv4 werden über eine Gruppenadresse realisiert.

• Es werden verschiedene Formen von IP-Broadcasts unterschieden:

Limited Broadcast

Als Ziel wird die IP-Adresse 255.255.255.255 angegeben.

• Dieses Ziel liegt immer im eigenen lokalen Netz und wird direkt in einen Ethernet-Broadcast umgesetzt.
• Ein limited broadcast wird von einem Router nicht weitergeleitet.

Directed Broadcast

Das Ziel sind die Teilnehmer eines bestimmten Netzes.

• Die Adresse wird durch die Kombination aus Zielnetz und dem Setzen aller Hostbits auf 1 angegeben.
• Die Adresse für einen directed broadcast in das Netz 192.168.0.0 mit der Netzmaske 255.255.255.0 lautet somit: 192.168.0.255 (CIDR-Notation: 192.168.0.255/24).
• Ein directed broadcast wird von einem Router weitergeleitet, falls Quell- und Zielnetz unterschiedlich sind, und wird erst im Zielnetz in einen Ethernet-Broadcast umgesetzt.
• Falls Quell- und Zielnetz identisch sind, entspricht dies einem limited broadcast.
• Oft wird dieser Spezialfall auch als local broadcast bezeichnet.
• Ein directed broadcast kann weiter differenziert betrachtet werden.
• Der Broadcast kann als subnet-directed broadcast, als all-subnets-directed broadcast oder als net-directed broadcast auftreten.
• Ein subnet-directed broadcast hat als Ziel ein festgelegtes Subnetz.
• Ein all-subnets-directed broadcast ist ein Broadcast in allen Subnetzen eines Netzes, und ein net-directed broadcast wird in einem klassifizierten Netz, das nicht in Subnetze aufgeteilt ist, verteilt (zum Beispiel Broadcast an die Adresse 10.255.255.255 wird in einem Klasse A IP-Netz verteilt).

Wegen Sicherheitsproblemen mit DoS-Angriffen wurde das voreingestellte Verhalten von Routern in RFC 2644 für directed broadcasts geändert.

• Router sollten directed broadcasts nicht weiterleiten.

IPv6 unterstützt keine Broadcasts mehr, es werden stattdessen Multicasts verwendet.

Broadcast-Sturm

Entstehung eines Broadcast-Sturms

Broadcast-Sturm - starker Anstieg des Broadcast/Multicast-Verkehrs in einem Rechnernetz

Broadcast-Stürme können schnell zum Ausfall eines Netzwerks führen

Große Netzwerksegmente

• Viel Teilnehmer
• Große Broadcast-Domänen
• kann sich
• durch verschiedene Ursachen
• bei einem Broadcast-Sturm
• die Antwortzeit des Netzwerks
• durch einen Schneeballeffekt
• dramatisch erhöhen

Abgrenzung

Routing-Schleifen

• Router, die auf Layer 3 des OSI-Modells arbeiten, leiten jedoch keine Layer-2-Broadcasts weiter, wie es Switches tun.

Unzutreffende Annahme

Router leiten keine Layer-3-Broadcasts weiter

• Es gibt Routing-Protokolle, die Broadcasts zu anderen Netzwerken weiterleiten

Fehleinschätzung

Nur können Router eine Broadcast-Domäne begrenzen und damit Broadcast-Stürme eingrenzen

• Auch Switches mit VLANs oder Layer-3-Funktionalitäten

Broadcast werden nicht mit Broadcasts beantwortet

• Allerdings kann ein Broadcast dazu genutzt werden, herauszufinden, wie auf einen empfangenen Broadcast geantwortet werden kann
• In redundanten Topologien kann ein solcher zweiter Broadcast dasjenige Netzwerkinterface erreichen, welches den initialen Broadcast gesendet hat

Ursachen

Redundante Verkabelung mit zwei oder mehr Uplinks zwischen Switches

• In einem solchen Fall werden Broadcasts und Multicasts auf alle Ports weitergeleitet, mit Ausnahme des Ports, von dem der Datenverkehr kam
• Dadurch wird eine Schleife erzeugt, ein Switching Loop, und die Switches leiten die Broadcasts des jeweils anderen Switches weiter

Denial-of-Service-Angriff

Darüber hinaus kann ein Broadcast-Sturm z. B. auch durch Denial-of-Service-Angriffe (wie den Smurf-Angriff oder den Fraggle-Angriff) oder durch eine fehlerhafte Netzwerkkarte ausgelöst werden

Maßnahmen

Option	Beschreibung
Schleifen zwischen Switches verwalten	Spanning Tree Protocol Shortest Path Bridging
In Metropol-Netzwerken	Ethernet Automatic Protection Switching (EAPS)
Filterung von Broadcasts durch Layer-3-Geräte	Router
Physikalische Segmentierung	einer Broadcast-Domäne durch Router oder Layer-3-Switches
Logische Segmentierung	einer Broadcast-Domäne durch VLANs
Router und Firewalls	können so konfiguriert werden, dass sie bösartige oder überdurchschnittlich viele Broadcasts erkennen und blockieren

Sicherheit

In den ersten Ethernetimplementierungen wurde die gesamte Kommunikation über einen gemeinsamen Bus, der in Form eines Koaxialkabels realisiert war, abgewickelt.

• An diesen wurden alle Arbeitsstationen abhängig vom Kabeltyp entweder per T-Stück oder „Invasivstecker“ (auch Vampirklemme, Vampirabzweige oder Vampire Tap genannt) angeschlossen.
• Jede Information, die von einem Computer gesendet wurde, wurde auch von allen empfangen.
• Die über Ethernet verbundenen Geräte müssen ständig Informationen ausfiltern, die nicht für sie bestimmt sind.

Diese Tatsache kann genutzt werden, um Broadcast- (Rundruf-Nachrichten) an alle angeschlossenen Systeme zu senden

• Bei TCP/IP beispielsweise verwendet das ARP einen derartigen Mechanismus für die Auflösung der Schicht-2-Adressen.
• Diese Tatsache ist auch ein Sicherheitsproblem von Ethernet, da ein Teilnehmer mit bösen Absichten den gesamten Datenverkehr auf der Leitung mitprotokollieren kann.
• Eine mögliche Abhilfe ist der Einsatz von Kryptografie (Kryptografie) auf höheren Protokollebenen.
• Die Vertraulichkeit der Verkehrsbeziehungen (wer tauscht mit wem in welchem Umfang wann Daten aus?) ist aber so nicht zu schützen.

Der Einsatz von (Repeater) Hubs zur Bildung von Multi-Segment-Ethernet-Netzen ändert hier nichts, weil alle Datenpakete in alle Segmente repliziert werden.

In moderneren Ethernetnetzen wurden zur Aufteilung der Kollisions-Domänen zunächst Bridges, heute Switches eingesetzt.

• Durch diese wird ein Ethernet in Segmente zerlegt, in denen jeweils nur eine Untermenge an Endgeräten zu finden ist.
• Werden ausschließlich Switches verwendet, so kann netzweit im Full-Duplex-Modus kommuniziert werden, das ermöglicht das gleichzeitige Senden und Empfangen für jedes Endgerät. Über Switches werden Datenpakete in der Regel direkt vom Sender zum Empfänger befördert – unbeteiligten Teilnehmern wird das Paket nicht zugestellt.
• Broadcast- (deutsch: Rundruf-) und Multicast-Nachrichten hingegen werden an alle angeschlossenen Systeme gesendet.

Das erschwert das Ausspionieren und Mithören, der Sicherheitsmangel wird durch die Einrichtung einer „geswitchten“ Umgebung allerdings nur verringert und nicht behoben.

• Zusätzlich zu den Broadcast-Meldungen werden auch die jeweils ersten Pakete nach einer Sendepause – dann, wenn der Switch die Ziel-MAC-Adresse (noch) nicht kennt – an alle angeschlossenen Systeme gesendet.
• Dieser Zustand kann auch böswillig durch MAC-Flooding herbeigeführt werden.
• Pakete können auch böswillig durch MAC-Spoofing umgeleitet werden.

Die Sicherheit des Betriebs im Sinne der störungsfreien Verfügbarkeit von Daten und Diensten beruht auf dem Wohlverhalten aller angeschlossenen Systeme.

• Beabsichtigter oder versehentlicher Missbrauch muss in einer Ethernetumgebung durch Analyse des Datenverkehrs aufgedeckt werden (LAN-Analyse).
• Switches stellen vielfach statistische Angaben und Meldungen bereit, die Störungen frühzeitig erkennbar werden lassen bzw. Anlass geben zu einer detaillierteren Analyse.

Dokumentation

RFC

1. RFC 826 – Ethernet Address Resolution Protocol (englisch)
2. RFC 1812 – Requirements for IP Version 4 Routers (englisch)
3. RFC 2644 – Changing the Default for Directed Broadcasts in Routers (englisch)

Links

Weblinks

1. https://de.wikipedia.org/wiki/Broadcast

Testfragen

Testfrage 1

Antwort1

Testfrage 2

Antwort2

Testfrage 3

Antwort3

Testfrage 4

Antwort4

Testfrage 5

Antwort5