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Geoinformation III

Offene Systeme, Rechnernetze und das Internet

Vorlesung 11a

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1

• Bislang– Zumeist monolithische Geoinformationssysteme; eher „Insellösungen“– Fernzugriff erfolgt über Versenden von oder Netzwerkdateizugriff auf GIS-

Daten(banken) in proprietären (herstellerspezifischen) Formaten

• Zukunft– Verteilte Geodatenbanken

Direkter Zugriff auf Funktionen entfernter Geoinformationssysteme• Vernetzung von Katasterämtern, Vermessungsbüros, Lverm-Ämter

(z.B. ALKIS)• WebGIS

• Anforderungen– Offene Systeme zur Sicherung der Interoperabilität

• Systeme verschiedener Hersteller arbeiten unmittelbar zusammen– Kommunikation direkt über standardisierte Dienstschnittstellen– Standardisierte Modelle und Übertragungsformate für Geodaten

Einleitung zum dritten Vorlesungsblock

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2

1. Offene Systeme, Rechnernetze und das Internet

Die eXtensible Markup Language XML

2. Grundlagen, Dokumentenstruktur

3. Document Type Definitions (DTDs)

4. XML Schema

5. Geographic Markup Language GML:– der vom OpenGIS-Consortium als XML-Anwendung definierte

Standard für Geo-Objekte

Übersicht über den dritten Vorlesungsblock

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3

Offene Systeme; ISO/OSI-Referenzmodell

• Offenes System– Hersteller- und Geräteunabhängigkeit– Keine Festlegung auf Rechner- oder Netzarchitektur– Endsysteme arbeiten eigenverantwortlich und sind auch

unabhängig vom Offenen System arbeitsfähig– Verteilte Anwendungen ohne Zusatzaufwand realisierbar– Endsysteme sprechen dieselbe Sprache (durch Protokolle

festgelegt)

• Das ISO-Modell für Open System Integration ist das wichtigste Referenzmodell für die Realisierung offener, interoperabler Systeme– ISO-Norm 7498

• 7 hierarchisch aufeinander aufbauende Schichten– Ebenen 1-4 modellieren ein anwendungsunabh.

Transportsystem– Ebenen 5-7 beschreiben anwendungsspezifische Aufgaben

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4

Das ISO/OSI-Referenzmodell

Anwendung

Darstellung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitüber-tragung

Anwendung

Darstellung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitüber-tragung

Schnittstelle

Schnittstelle

7

6

5

4

3

2

1

APDU

PPDU

SPDU

TPDU

Paket

Rahmen

Bit

Physikalisches Medium

Rechner A Rechner B

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5

Aufbau einer Schicht

Schicht i

Erbringt Dienst-Leistung für Schicht i+1

Nimmt Dienst der Schicht i-1

in Anspruch

(abstraktes) Medium i

• Jede Schicht i repräsentiert ein u.U. abstraktes Medium, für das bestimmte Zusicherungen gemacht werden

• Jede Schicht hat eine Schnittstelle nach oben und unten

• Schicht i bietet Dienste für Schicht i+1 an

• Die Implementierung der Dienste verwendet Dienste der Schicht i-1

• Ablauf der Kommunikation und Sicherstellung der zugesicherten Eigenschaften wird durch ein geeignetes Protokoll realisiert.

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6

A 2x

Anwendung

Darstellung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitüber-tragung

Anwendung

Darstellung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitüber-tragung

7

6

5

4

3

2

1

APDU

PPDU

SPDU

TPDU

Paket

Rahmen

Bit

Physikalisches Medium

Rechner A Rechner BAnwendungsprotokoll

Darstellungsprotokoll

Anwendungsprotokoll

Sitzungsprotokoll

Darstellungsprotokoll

Anwendungsprotokoll

Transportprotokoll

Sitzungsprotokoll

Darstellungsprotokoll

Anwendungsprotokoll

Vermittlungsprotokoll

Transportprotokoll

Sitzungsprotokoll

Darstellungsprotokoll

Anwendungsprotokoll

Sicherungsprotokoll

Vermittlungsprotokoll

Transportprotokoll

Sitzungsprotokoll

Darstellungsprotokoll

Anwendungsprotokoll

Schnittstelle

Schnittstelle

Schnittstelle

Schnittstelle

Schnittstelle

Schnittstelle

Schnittstelle

Sicherungsprotokoll

Vermittlungsprotokoll

Transportprotokoll

Sitzungsprotokoll

Darstellungsprotokoll

Anwendungsprotokoll

Horizontale Kommunikation

Vertikale

Kommunikation

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7

Schicht 1: Bitübertragung (physical layer)

• In der untersten Schicht findet die räumliche Übertragung der Informationen über ein physikalisches Medium statt.

• Wesentliche Charakteristika– Bandbreite (Angabe in [Hz] oder [bps] (Bit pro Sekunde))– Qualität (Signal-/Rauschabstand)– Konnektivität (z.B. Rundfunk oder Punkt-zu-Punkt)– Übertragungsrichtung (simplex, halbduplex, vollduplex)– Mehrfachnutzung (z.B. per Zeit- oder Frequenzmultiplex)

• Häufigste Übertragungsmedien:– Kupfer- und Glasfaserkabel (z.B. Ethernet, Telefon)– Richtfunkstrecken (z.B. Satellitenverbindung)– Rundfunk (z.B. GPRS, Wireless LAN)

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8

Schicht 2: Sicherung (data link layer)

• Regelung des Medienzugangs– Vermeidung von Kollisionen– gerechte Zuteilung des Mediums („Aushungern“ vermeiden)

• gerechte Zuteilung unter hoher Last• dauerhafte Belegung durch einen Teilnehmer verhindern

• gezieltes Ansprechen einzelner Rechner im Teilnetz– Definition des Adressierungsschemas für physikalisch am selben

Medium angeschlossenen Geräte Beispiel Ethernet: MAC-Adresse der Netzwerkkarte (a.b.c.d.e.f);

• fehlerfreie Übertragung von Datenpaketen– Prüfsummenverfahren zur Fehlererkennung und -korrektur– bei erkanntem Fehler wird das Paket erneut übertragen

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Schicht 3: Vermittlung (network layer)

• Realisierung der netzübergreifenden Kommunikation– Definition eines globalen Adressierungsschemas zum gezielten

Ansprechen einzelner Rechner im Gesamtnetz– Routing: Bestimmung des Pfades von Paketen durch das Netzwerk– Flusskontrolle: lastabhängige Veränderung von Routing-Pfaden

• Multiplex-Mechanismus– zur Ermöglichung des gleichzeitigen Nutzens des darunterliegenden

Mediums von vielen Netzteilnehmern• Zeitmultiplex durch Zerlegung von Daten in kleine Pakete;

Pakete verschiedener Teilnehmer werden abwechselnd geschickt

• Bevorzugte Behandlung bestimmter Datenpakettypen (z.B. bei Video-Daten)

• Abrechnung– bei Dienstleistungserbringern (Providern), deren Abrechnung auf

dem Transfervolumen basiert

9

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Schicht 4: Transport (transport layer)

• Stellt ein universelles, zuverlässiges und anwendungs-unabhängiges Transportsystem zwischen allen beteiligten Rechnern bereit.– gezieltes Ansprechen einzelner Prozesse auf einem Rechner

• Übertragung beliebig langer Datenströme über beliebige Dauer– Zerlegung von Datenströmen in Sequenzen kleiner Pakete– Pakete können in veränderter Reihenfolge eintreffen– Transportschicht sorgt beim Empfänger für das korrekte

Zusammensetzen des ursprünglichen Datenstroms

• Verbindungsorientierte und verbindungslose Dienste– Verbindungsaufbau, Datenübertragung, Verbindungsabbau– Datagramme

• Schicht 4 stellt oftmals die Schnittstelle zwischen Betriebssystem und Anwendungsprogrammen dar

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Schicht 5: Sitzung (session layer)

• Sitzungsmanagement– Aufbau und Aufrechterhaltung von länger andauernden

Verbindungen (z.B. bei Datenbanken, Buchungssystemen, Online-Banking) über Trennungen der Netzverbindung hinweg

• Synchronisierung– u.a. Überbrückung von Netzausfällen– Rücksetzung zu definierten Wiederaufsetzpunkten („Rollback“)

• Übernahme typischer Aufgaben der sog. „Middle-Ware“– Middleware bezeichnet die Teile des Systems, die zwischen

Betriebssystem und Anwendungsprogrammen angesiedelt sind– Bereitstellung gemeinsamer Datenbereiche für verteilte

Anwendungen– Authentifizierung und Rechtevergabe– Remote Procedure Call RPC/ Remote Method Invocation RMI– Beispiele: CORBA, Microsoft DCOM, Java Beans, Java RMI, Sun RPC

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Schicht 6: Darstellung (presentation layer)

• Verschlüsselung– Daten werden vor Weiterleitung an bzw. nach Empfang von Schicht

5 für die Anwendung transparent ver- bzw. entschlüsselt– Beispiel: https implementiert verschlüsselte WWW-Verbindungen

• Datenkompression– Daten werden vor Weiterleitung an bzw. nach Empfang von Schicht

5 für die Anwendung transparent ge- bzw. entpackt

• Konvertierung– u.a. Zeichensatzanpassungen (z.B. ISO-8859-1 MS-DOS)– Wandlung von Binärformaten auf unterschiedliche Plattformen

• Dienste für Anwendungsprogramme– virtuelle Terminals– Protokolle zur Durchführung von Dateitransfern– Protokolle zur Durchführung von Aufträgen

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Schicht 7: Anwendung (application layer)

• Jede Anwendung besitzt ihr eigenes, auf den Diensten der darunterliegenden Schichten aufbauendes Protokoll– Anwendungsprogramme können auf alle Dienste der Schichten 4-6

zurückgreifen. Beispiel: WWW setzt direkt auf Schicht 4 auf, die Schichten 5 und 6 werden zum einfachen „Web-Surfen“ nicht benötigt.

• Beispielanwendungen:– Internet: World Wide Web, Email, News, IRC– Dateitransfer und –zugriff über das Netz– Datenbankabfragen– Reise- und Konzertbuchungssysteme– Verteilte, netzfähige Geoinformationssysteme (z.B. ArcInfo mit

ArcSDE)

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Dienste

• Dienst umfasst– Schnittstelle zwischen Teilnehmer (Nutzer) und Diensterbringer– Protokoll (Ablauf / Reihenfolge der Kommunikation)– Datenformat (Aufbau der einzelnen Nachrichten)

• Dienstelemente bzw. Dienstschnittstellenereignisse – Request: ein Teilnehmer möchte einen Dienst veranlassen, etwas

zu tun– Indication: ein Teilnehmer soll über ein Ereignis informiert werden– Response: ein Teilnehmer möchte auf ein Ereignis reagieren– Confirmation: ein Teiln. soll über eine Anforderung informiert

werden

• Standarddienste der Ebenen 2-5– Datagramm-Übertragung (verbindungslose Datenübertragung)– Verbindungsorientierte Kommunikation

• Verbindungsaufbau• Verbindungsabbau• Übertragung von Nutzdaten

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15

A 2x

Bsp.: Verbindungsaufbau in der Vermittlungsschicht

An

ford

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ng

[ re

qu

est

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un

g[

con

firm

ati

on

]

An

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[ re

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An

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ind

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on

]

Vermittlungs-schicht

Sicherungs-schicht

Bitüber-tragungs-

schicht

Request

Indication

Response

Confirm

Rechner ASchicht i

Rechner BSchicht i

Dienst-benutzer

DienstleisterSchicht i-1

Dienst-benutzer

Zeit

Weg

Der Ablauf einer Kommunikation lässt sich gut durch Sequenz-diagramme (vgl. GIS III, 7. Vor-lesung) darstellen.

Der Ablauf einer Kommunikation lässt sich gut durch Sequenz-diagramme (vgl. GIS III, 7. Vor-lesung) darstellen.

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Protokolle

• Aufgaben einer Schicht müssen dezentral gelöst werden, da Instanzen räumlich verteilt und nur lose (über die darunter liegenden Schichten) miteinander gekoppelt sind.– Protokolle stellen Verhaltensvorschriften dar, wie die miteinander

kommunizierenden, aber autonom arbeitenden Instanzen die Aufgaben einer Schicht gemeinsam lösen können.

• Wichtige Protokollmechanismen– Zuteilung geteilter Medien– Fehlererkennung und –behebung, Ausnahmebehandlung– Längenanpassung / Zerlegung und Rekomposition– Flusskontrolle– Weiterleiten– Übertragungsleistungsanpassung

• Ausnahme- und Fehlerbehandlung machen in der Praxis den größten Teil aus

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• Protokollspezifikation mittels Zustandsübergangsdiagramm– Zustände beschreiben stabile Situationen innerhalb des Mediums

zwischen ausgelösten Reaktionen (Nachricht an höhere Schicht) und dem Eintreffen neuer Stimuli

– Zustandsübergang wird durch das Eintreffen eines Stimulus eingeleitet• bevor der neue Zustand erreicht wird, wird eine Reaktion

hervorgerufen• Neben Stimuli der Dienstschnittstelle müssen auch „von

außen“ hervorgerufene Spontanübergänge berücksichtigt werden– z.B. bei Verbindungstrennung oder Herunterfahren des

Rechners

• Weitere Spezifikationsmöglichkeiten– Petri-Netze– Protokollbeschreibungssprachen wie z.B. STL („Estelle“)

Protokollspezifikation

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Protokollkorrektheit

• Korrektheit bedeutet– Protokoll realisiert genau die für das Medium spezifizierte und über

die Dienstschnittstelle erreichbare Funktionalität• Korrektheit muss für jedes Protokoll nachgewiesen werden

– formaler Beweis ist möglich– Erfordert die Untersuchung aller global möglichen Zustände

• z.B. durch Aufbau eines Erreichbarkeitsgraphen• ist für komplexe Protokolle entsprechend aufwändig

• Typische Fehler– Verzögerungen: es existieren Schleifen, die endlos durchlaufen

werden, ohne dass Zieldienst-Ereignisse auftreten; es existieren aber auch andere Übergänge (mit Zieldienst-Ereignissen)

– Deadlocks: Medium erreicht einen Zustand ohne weitere Ausgänge– Toter Ereignistyp: ein Ereignistyp tritt im Erreichbarkeitsgraph nicht

auf– Toter Instanzenzustand: ein Zustand fehlt im Erreichbarkeitsgraph

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Protokollspezifikation

... mittels Zustandsübergangsdiagramm

• am Beispiel des Verbindungsaufbaus

A 11x

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.... .... ....

19

A 11x

Ruhezustand

VerbindungIn Aufbau

VerbindungaufgebautConReq

ConInd

ConRes-ConCon-

ConRes+

ConCon+

ConReq

AboInd1

AboInd1AboInd2 „Höhere Gewalt“

„Höhere Gewalt“

AboInd1AboInd2

Rechner A Rechner B

Schicht i

Schnittstellen

zur Schicht x+1

Schnittstellen

zur Schicht x+1

Schnittstellen

zur Schicht i+1

Schnittstellen

zur Schicht i+1

Zustand

Zustand

StimulusStimulus

ReaktionReaktion

Connect Request Connect Confirmation -

Connect Confirmation +

Abort Indication 1Abort Indication 2

Connect Response +

Connect Response -

Connect Indication

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Protokollablauf:

... Aufbau u. Abbruch einer Verbindung

A 10x

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A 10x

ConReq

Ruhezustand

VerbindungIn Aufbau

Verbindungaufgebaut

AboInd1AboInd2

AboInd1AboInd2

ConCon-ConCon+

AboInd1

ConInd

ConRes-

ConReq

ConRes+

„Höhere Gewalt“

„Höhere Gewalt“

.... .... ....

Rechner A Rechner B

Schicht i

Connect Confirmation -

Connect Confirmation +

Abort Indication 1

Connect Response +

Connect Response -

Connect Indication

VerbindungIn Aufbau

Ruhezustand

ConInd

Connect Indication

ConRes+

Connect Response +

ConCon+

Connect Confirmation +

Verbindungaufgebaut

VerbindungIn Aufbau

z.B.Netzwerkkabel unterbrochen„Höhere Gewalt“

Ruhezustand

Verbindungaufgebaut

Connect Request

ConReq

AboInd1AboInd2

Abort Indication 1Abort Indication 2