Vernetzte IT-Systeme3. Vermittlung und Betrieb

Prof. Dr. Volkmar Langer

Florian Schimanke

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Vernetzte IT-Systeme3. Vermittlung und Betrieb

3.1 Multiplextechnik

Prof. Dr. Volkmar Langer

Florian Schimanke

Multiplextechnik

Was ist Multiplexing?

Vermittlung und Betrieb Seite 3

Multiplexing

Vermittlung und Betrieb Seite 4

XX

X

X

Verbindung ohne Multiplexing

Verbindung mit Multiplexing

1 physischer Kanal1 logischer Kanal

1 physischer Kanal3 logische Kanäle

Multiplexer /Demultiplexer

Multiplexer /Demultiplexer

Verzweiger Verzweiger

Überblick Multiplexverfahren

Vermittlung und Betrieb Seite 5

Multiplex-Verfahren

Frequenz-Multiplexing

Wellenlängen-

Multiplexing

Zeit-

Multiplexing

Synchrones

Zeitmultiplexing

PDHSONET/

SDH

Asynchrones

Zeitmultiplexing

Packet Switching

(z.B. Frame Relay)

Cell Switching

(z.B. ATM)

Code-

Multiplexing

Kupfer

LWL

Funk

Grundlegende Multiplexverfahren

Vermittlung und Betrieb Seite 6

Bandbreite logischer Kanal 1

Bandbreite logischer Kanal 2

Bandbreite logischer Kanal 3

Bandbreite logischer Kanal 4

Bandbreite logischer Kanal 5

Frequenzmultiplexing

Ges

amtb

and

bre

ite

des

ph

ysis

chen

Kan

als

Zeit

Grundlegende Multiplexverfahren

Vermittlung und Betrieb Seite 7

Zeitmultiplexing

Ges

amtb

and

bre

ite

des

ph

ysis

chen

Kan

als

Zeit

TimeslotLogischer

Kanal 1

TimeslotLogischer

Kanal 2

TimeslotLogischer

Kanal 3

TimeslotLogischer

Kanal 1

TimeslotLogischer

Kanal 2

TimeslotLogischer

Kanal 3

TimeslotLogischer

Kanal 1

Multiplexing

Vermittlung und Betrieb Seite 8

Synchrones Zeitmultiplexing

Asynchrones Zeitmultiplexing

Multiplexer Demultiplexer

Multiplexer Demultiplexer

A

B

A A A A AB B B B B

Feste Zuteilung der Timeslots

Flexible Zuteilung der Timeslots

A

B

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3.2 Paket-/Speicher-/Leitungsvermittlung

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Vermittlungssystem – Prinzip

Vermittlung und Betrieb Seite 10

Vermittlungs-einheit

Eingangsport

Eingangsport

Eingangsport

Ausgangsport

Ausgangsport

Ausgangsport

Steuereinheit

Vermittlungssystem (z.B. Switch oder Router)

Vermittlungsarten

• Leitungsvermittlung– Physische Punkt-zu-Punkt-Verbindung

• Speichervermittlung– Keine direkte Verbindung

– „Store and Forward“-Verbindung

• Paketvermittlung– Kombination aus Leitungs- und Speichervermittlung

– Aufteilung der Daten in

Fragmente, Pakete, Datagramme, ...

Vermittlung und Betrieb Seite 11

Vermittlungsarten (Switching)

Vermittlung und Betrieb Seite 12

Vermittlungsarten

Leitungs-vermittlung

Speicher-vermittlung

Paketvermittlung

Datagramme(z.B. iP)

Virtual Circuits

(z.B. ATM)

Nachrichten-vermittlung

Leitungsvermittlung (Circuit Switching)

Vermittlung und Betrieb Seite 13

A

B

Sender Empfänger

Nachrichten-/Speichervermittlung (Message Switching)

Vermittlung und Betrieb Seite 14

A

B

Sender Empfänger

Paketvermittlung

• Prinzip:

– Erzeugung von Frames: Fragmentierung der Daten in Pakete (Blöcke) gleicher Länge

– fortlaufende Nummerierung der Pakete– Übermittlung unabhängig von

Route

Zeit

Vermittlung und Betrieb Seite 15

Vergleich Nachrichten- und Paketvermittlung

Vermittlung und Betrieb Seite 16

Nachrichtenvermittlung Paketvermittlung

tt

Paketvermittlung

• Vorteile:

– Verbindung wird nur für die tatsächliche Übertragungszeit benötigt

– Gleichzeitige Nutzung einer Leitung

– Routing ist möglich

• Nachteile:

– höherer Protokollaufwand (Multiplexing, Nummerierung, Routinginformationen, Flusssteuerung)

Vermittlung und Betrieb Seite 17

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3.3 Grundlagen Routing

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Grundlagen Routing

Was ist unter Routing zu verstehen?

Grundlagen Routing Seite 19

Was ist Routing?

Wie kommen die Daten unter optimaler Nutzung der zur Verfügung stehenden Ressourcen von A nach B (und wieder zurück)?

Seite 20Grundlagen Routing

A

B

Ziele von Routing-Strategien

• Erzielung eines möglichst großen Gesamtdurchsatzes

• Garantie einer relativ niedrigen mittleren Ende-zu-Ende-Verzögerung inkl. aller Lauf-, Zwischenspeicher- und Abfertigungszeiten

• Vermeidung von lokalen Netzüberlastungen durch Umleitung des Verkehrs bei Eintreten von Stausituationen

Seite 21Grundlagen Routing

Routing-Prinzip

ankommendesDatenpaket

ankommendesDatenpaket

Zielknoten erreicht?Zielknoten erreicht?

RoutingtabelleRoutingtabelleWeiterleitungan nächsten

Router

Weiterleitungan nächsten

Router

Weiterleitungan

Endgerät (DEE)

Weiterleitungan

Endgerät (DEE)

Seite 22Grundlagen Routing

ja

nein

//

Einfachste Routing-Tabelle

Routing-Tabelle

Schicht 3 Adressen

Entfernung in Hops

Next Hop

Jedes Durchlaufen eines Paketes durch einen Router auf dem Wegvom Sender zum Empfänger wird als Hop bezeichnet!

Seite 23Grundlagen Routing

Beispiel für Routing-Tabellen

Netz Next Hop MetrikN1 A 2N2 E 3... ... ...

Netz Next Hop Hops

N1 A 1

N2 C 1

... ... ...

Netz Next Hop Hops

N1 B 2

N2 direkt 0

... ... ...

Netz Next Hop Hops

N1 A 1

N2 E 2

... ... ...

Netz Next Hop Hops

N1 B 2

N2 1

... ... ...

Netz Next Hop Hops

N1 direkt 0

N2 B 2

N2 D 2

N2 D 5

N3 B 8

Seite 24Grundlagen Routing

A

CD

E

B

N1N2

N2 B 3

direkt

Beispiel: Routing im OSI Referenzmodell

ApplicationPresentation

SessionTransportNetwork

Data LinkPhysical

ApplicationPresentation

SessionTransportNetwork

Data LinkPhysical

ANetwork

Data LinkPhysical

BNetwork

Data LinkPhysical

CNetwork

Data LinkPhysical

Seite 25Grundlagen Routing

A

CD

E

B

N1 N2

Optimierungskriterien

• hoher Datendurchsatz• gleichmäßige Lastverteilung• Kostenminimierung• Sicherheit

erfordert ständige Aktualisierung der Routingtabellen!Praxis: Kompromiss zwischen Routingeffizienz und Datenaktualität!

Routing-Tabelle: statt Hops dann Metrik!Routing-Verfahren vgl. Kap. 6.4

Seite 26Grundlagen Routing

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3.4 Flusssteuerung

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Flusskontrolle (flow control)

• Protokollelement, das die Kommunikation zwischen

…………………………… leistungsfähigen Systemen im Netz ermöglicht

……………………………………………….. zwischen Sender und Empfänger!

Seite 28Vermittlung und Betrieb

Puffer

unterschiedlich

Geschwindigkeitsanpassung

Problem bei Stop-and-Wait

Kapazität der Übertragungsleitung wird nicht ausgelastet!

Seite 30Vermittlung und Betrieb

Daten

ACK

Stop-and-Wait

Problem bei Stop-and-Wait

Kapazität der Übertragungsleitung wird optimal genutzt Keeping the pipe full

Seite 31Vermittlung und Betrieb

Daten

ACK

Packet-Pipeline

Sliding-Window-Verfahren

• jeder Frame erhält eine Sequenznummer• der Sender besitzt ein Schiebefenster (sliding window):

• jeder gesendete Frame erzeugt einen Eintrag im Schiebefenster– Jeder Eintrag steht für einen gesendeten Frame– LAR: Last Acknowledgement Received bis zu diesem Frame (incl.) wurden

alle quittiert– LFS: Last Frame Sent– SWS: Sender Window Size - max. SWS Frames werden ohne ACK

abgeschickt

Seite 32Vermittlung und Betrieb

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14… …

SWS

LAR LFS

LFS – LAR ≤ SWS

Sliding-Window-Verfahren

• der Empfänger hat ebenfalls ein Sliding Window

• jedes empfangene Frame erzeugt einen Eintrag– LFR: Last Frame Received - alle n Frames mit n ≤ LFR wurden

korrekt empfangen und quittiert– LAF: Largest Acceptable Frame - Frame n wird nur akzeptiert,

wenn LFR < n ≤ LAF– RWS: Receiver Window Size - Anzahl der Pufferplätze beim

Empfänger

Seite 33Vermittlung und Betrieb

5 6 8 9 14… …

RWS

LFR LAF

LAF – LFR ≤ RWS

Sliding-Window-Verfahren

TCP/IP-Protokollfamilie Seite 34

Send 1

Send 2

Send 3

ACK 2

ACK 3

ACK 4

Send 1, 2, 3

ACK 3Window 2

Send 3, 4, 5

ACK 5Window 2

Send 5, 6

ACK 7Window 2

Sender Empfänger Sender Empfänger

Static window Sliding window

X

X

Funktionen/Aufgaben von Sliding Window

• Sicherung der Übertragung

– Neu-Übertragung bei Verlust

– Korrekte Frame-Reihenfolge

• Empfänger gibt nur die Frames mit

Sequenznummer ≤ LFR an die obere Schicht weiter

• Flusskontrolle (durch kleine Erweiterung)

Abstimmung über jeweils aktuelle Fenstergröße

Seite 35Vermittlung und Betrieb

Vernetzte IT-Systeme3. Vermittlung und Betrieb

3.5 Sicherheit und Zuverlässigkeit

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Sicherheit und Zuverlässigkeit

Sicherheit (security) in Netzwerken Betriebsmittelzuordnung

Berechtigungsschutz

Zugriffsschutz und Datenschutz

Speziell Abhörsicherheit in Netzwerken

Zuverlässigkeit (reliability) Verfügbarkeit (availability)

Mittlere Fehlerintervall (MTBF: mean time between failure)

Mittlere Reparaturdauer (MTTR: mean time to repair)

Vermittlung und Betrieb Seite 37

Sicherheit (security)

• Betriebsmittelzuordnung: Jeder angenommene Job (z.B. Anfrage,

Druckerjob, Datensicherung) muss in angemessener Zeit bearbeitet

werden.

• Berechtigungsschutz: Innerhalb eines Multiusersystems muss jeder

User vor allen anderen geschützt werden, insbesondere vor deren

Fehlern.

• Zugriffs- und Datenschutz: Die Daten der einzelnen User müssen vor

einem zufälligen oder gezieltem Zugriff anderer geschützt werden.

• Speziell Abhörsicherheit: Da die Informationen im Netzwerk häufig

lange Übertragungswege zurücklegen, ist der Einsatz von

Verschlüsselungsverfahren notwendig.

Vermittlung und Betrieb Seite 38

Zuverlässigkeit/Verfügbarkeit

Unter der Verfügbarkeit von x% eines Systems ist zu verstehen, dass das System während x% der zugesagten Funktionszeit seine Leistung störungsfrei erbringt!

wichtig für verbindliche Leistungszusagen (service level agreements – SLA´s)

Bsp: Ein Router hat eine Verfügbarkeit von 99,9%

24h x 30 x 12 = 8640h knapp 9 Stunden Ausfall/Jahr!!!

Vermittlung und Betrieb Seite 39

Parameter für Verfügbarkeit

Mittlere Fehlerintervall (MTBF: mean time between failure):

Angabe für das durchschnittliche Zeitintervall, während dessen

ein System fehlerfrei arbeitet.

Bsp.: Angaben bei Festplatten ca. 40 000 - 60 000h

Mittlere Reparaturdauer (MTTR: mean time to repair):

Angabe für die durchschnittliche Zeitspanne, in der ein

erkannter/gemeldeter Fehler behoben werden kann.

Bsp.: 24h-Service auf PC´s bis hin zu Sekunden-Service bei

Netzknoten

Vermittlung und Betrieb Seite 40

Qualität und Verfügbarkeit

Wie kann hohe Verfügbarkeit erreicht werden?Generell durch Redundanz: Komponenten, Subsystem und

Systeme werden mehrfach bereitgestellt um möglichst hohe

Verfügbarkeit zu erzielen

„Kalter Ersatzrechner“

„Heißer Ersatzrechner“

Intrinsische Überwachung via Netz

Konzept der „ausfallsicheren“ Systeme (Parallel/Einzelbetrieb)

Vermittlung und Betrieb Seite 41

Abschätzung/Berechnung der Verfügbarkeit

Wie kann die Verfügbarkeit eines Systems, das Redundanz enthält, bestimmt werden? Die resultierende Ausfallwahrscheinlichkeit bei

Zusammenschalten von Einzelkomponenten mit individueller Ausfallwahrscheinlichkeit wird wie folgt berechnet:

Die Ausfallwahrscheinlichkeiten der einzelnen Komponenten addieren sich, wenn

…………………………………...besteht.

Die Ausfallwahrscheinlichkeiten der einzelnen Komponenten müssen multipliziert werden, wenn

……………………………….. bestehen.

Vermittlung und Betrieb Seite 42

keine Alternative

Alternativen

Quellenhinweise

[1] J. Scherff: Grundkurs Computernetze. Eine kompakte Einführung in die Netzwerk- und Internet-Technologien, 2., überarbeitete und erweiterte Auflage 2010, Wiesbaden: Vieweg + Teubner Verlag.

[2] L.L. Peterson, B.S. Davie: Computernetze – Eine systemorientierte Einführung, dpunkt.verlag Heidelberg, 2008

[3] Tanenbaum, Andrew S.: Computernetzwerke. 4., überarb. Aufl., [4. Nachdr.]. München: Pearson-Studium (InformatikNetzwerke), 2007

[4] Cisco Networking Academy Program, 1. und 2. Semester CCNA, 3. Auflage, Markt und Technik Verlag, München, 2007

[5] Cisco Academy @ HSW:

https://www.hsw-elearning.de/cisco/, 2013

August 2014