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1 Computernetze Sommersemester 2005 Prof. Dr. Thomas Wieland Datennetze/Computernetze und Internet, Sommerrsemester 2005 © Landes/Wieland, FH Coburg, FB Elektrotechnik / Informatik. Alle Rechte vorbehalten. 2 Organisatorisches Ablauf 2 h Vorlesung pro Woche 2 h Übung (Besprechung der Übungsaufgaben) Evtl. 4 h Praktikum statt Übung In zwei Gruppen, jeweils 14-tägig Jede Woche ein Übungsblatt Bewertung Jede(r) muss zwei Übungsaufgaben vorrechnen/vorstellen, um zur Klausur zugelassen zu werden Auswahl auf Freiwilligenbasis, sofern Meldungen Abschließende Note durch Klausur

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ComputernetzeSommersemester 2005

Prof. Dr. Thomas Wieland

Datennetze/Computernetze und Internet, Sommerrsemester 2005© Landes/Wieland, FH Coburg, FB Elektrotechnik / Informatik. Alle Rechte vorbehalten.

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OrganisatorischesAblauf

2 h Vorlesung pro Woche2 h Übung (Besprechung der Übungsaufgaben)Evtl. 4 h Praktikum statt Übung

In zwei Gruppen, jeweils 14-tägig

Jede Woche ein ÜbungsblattBewertung

Jede(r) muss zwei Übungsaufgaben vorrechnen/vorstellen, um zur Klausur zugelassen zu werden

Auswahl auf Freiwilligenbasis, sofern MeldungenAbschließende Note durch Klausur

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Literatur zur VorlesungL. Peterson, B. Davie: Computernetze. dpunkt.verlag, Heidelberg, 2004

www.dpunkt.de/lehrbuch/netzeJ. Kurose, K. Ross: Computernetze. Pearson Education, 2002

www.pearson-studium.deA. Tanenbaum: Computer-Netzwerke. 3. Aufl., Pearson Education, 1999 Viele, viele Internet-Sites

Seite zur Veranstaltung: http://www.fh-

coburg.de/4383.2.html

Einführung

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Verteilte Systeme als neues Paradigma

bis Mitte der achtziger Jahre zentralisierte Systemeein HauptrechnerVielzahl einfacher ASCII-Terminals (einfarbig)

http://www.columbia.edu/acis/history/carman.jpg

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Intelligente RechnerJeder Benutzer hat selbstständigen Rechner mit eigener Intelligenz (CPU)Geeignete Verbindung dieser Rechner ermöglicht

gemeinsame Nutzung von RessourcenDatenGeräteProgramme

Erhöhung der VerfügbarkeitInformationsaustausch zwischen Rechnerbenutzernbesseres Preis/Leistungsverhältnis

Vergleich Großrechner / (leistungs-fähiger) Mikroprozessor:

Leistung: 10 zu1Preis: 1000 zu 1

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Verteilte SystemeGrundlegende Voraussetzungen:

kostengünstige und leistungsfähige Prozessoren (-> PCs)schnelle Kommunikation über Hochleistungsnetze

Verteilte SystemeAnsammlung unabhängiger Rechner, die dem Benutzer als Einzelcomputer erscheinen (nach Tanenbaum)System, das nicht funktioniert, weil irgendein Rechner ausgefallen ist, von dem man bisher keine Ahnung hatte, dass es ihn gibt und wofür er gebraucht wird (nach Lamport)

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Wachstum des Internet

http://www.navigators.com/statall.gif

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Kommerzialisierung des Internet

http://www.navigators.com/statdom.gif

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Die Informationsgesellschaft

0100000200000300000400000500000600000700000800000900000

1998 1999 2000 2001 2004 2005(geschätzt)

Arbeitsplätze in der IuK-Branche in Deutschland

Quelle: http://www.bmwi.de/Homepage/download/infogesellschaft/Fortschrittsbericht.pdf

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Die Informations-gesellschaft (2)

Quelle: http://www.bmwi.de/Homepage/download/infogesellschaft/Fortschrittsbericht.pdf

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GB JPN I E F FIN A USA DK B D S

DSL-Anschlüsse je 1000 Einwohner im Jahr 2001

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Die Informations-gesellschaft (3)

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3.000.000

4.000.000

5.000.000

6.000.000

7.000.000

2000 2001 2002 2003 2004

DSL-Anschlüsse in Deutschland

DTAG Wettbewerber

Quelle: RegTP

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Die Informations-gesellschaft (4)

Internet-Nutzer ab 14 Jahren in Millionen in Deutschland 1998-2004

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10152025303540

Dez98

Jun 99 Dez99

Jun 00 Dez00

Jun 01 Dez01

Dez03

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Quelle: BMWA, ARD

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Begriffsdefinitionen

Datennetz

Verbindung mehrerer voneinander unabhängiger Datenstationen (→ DIN 44302)

Datennetz

Verbindung mehrerer voneinander unabhängiger Datenstationen (→ DIN 44302)

Rechnernetz

Verbund voneinander unabhängiger, geographisch verteilter Rechner

Rechnernetz

Verbund voneinander unabhängiger, geographisch verteilter Rechner

Verteiltes SystemRechnernetz, das dem Benutzer wie ein Einzelrechner erscheint

Verteiltes SystemRechnernetz, das dem Benutzer wie ein Einzelrechner erscheint

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Fragestellungen

Wie lässt sich dieKommunikation zwischenRechnersystemen kon-zeptuell beschreiben?

Wie lässt sich dieKommunikation zwischenRechnersystemen kon-zeptuell beschreiben?

Welche Aufgaben müssendabei bewältigt werden?

Welche Aufgaben müssendabei bewältigt werden?

Welche Lösungengibt‘s dafür?

Welche Lösungengibt‘s dafür?

Protokolle spielenzentrale Rolle

Protokolle spielenzentrale Rolle

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ProtokollKommunikationsregeln zwischen System(komponent)en

Systeme im Wesentlichen gleichberechtigtgleiche bzw. spiegelbildliche Aufgabe

⇒ horizontale BeziehungDefinition der ausgetauschten Nachrichten

syntaktischer AufbauBedeutung

Festlegung der Realisierung der Operationen, die zur Abwicklung der Kommunikation erforderlich sind

Kapselung, d.h. interne Realisierung transparent für Nutzer der Operationen (damit bessere Änderbarkeit)

Kapselung, d.h. interne Realisierung transparent für Nutzer der Operationen (damit bessere Änderbarkeit)

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Weitere DefinitionenProtokollstapel (protocol stack)Aufbau komplexer Protokolle aus Schichten „einfacherer“ Protokolle

Dienst (service)Funktionen, die Protokollschicht i-1 für unmittelbar übergeordnete Schicht i anbietet

Dienstzugriffspunkt (SAP, service access point)Schnittstelle, über die Schicht i Dienste der unmittelbar untergeordneten Schicht i-1 anfordern kann

eindeutig über ID ansprechbar

Analogien:Telefonsystem: Vorwahl+Rufnummer bildet ID für „SAP“ AnschlussdosePost: Ort+Straße+Hausnummer bildet ID für „SAP“ Haus

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Vorlesungsinhalte (1)1. Grundlagen

NetztopologienAnforderungen an ein Netz ISO/OSI-Referenzmodell für offene Systeme

ArchitekturAufgaben und Dienste der SchichtenISO/OSI und TCP/IP

Bandbreite und Performance

2. AnwendungsschichtInternet-AnwendungenProtokolle der AnwendungsschichtSOAP als Beispiel für ein RPC-Protokoll

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Vorlesungsinhalte (2)3. Transportschicht

Struktur von TCP/IPEinfache IP-ProtokolleSender/Empfänger-KoordinationTransmission Control Protocol (TCP)Überlastkontrolle

4. Vermittlungsschicht und RoutingDienstmodelle im NetzRouting-VerfahrenHierarchisches Routing und SubnetzbildungDas Internet-Protokoll IPAdressierung im InternetIP-Protokoll Version 6

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Vorlesungsinhalte (3)5. Sicherungsschicht

RahmenbildungFehlererkennung und Fehlerkorrektur Lokale NetzeEthernetVerbindungselementeLAN-Switches (Bridges)Zellenvermittlung (ATM)

6. Multimedia-AnwendungenReal-time Transport ProtokollSession Control und Call Control (H.323) Session Initiation Protocol (SIP)

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Übersicht Teil 11.1 Einführung1.2 Netztopologien1.3 Anforderungen an ein Netz 1.4 ISO/OSI-Referenzmodell1.5 ISO/OSI und TCP/IP1.6 Bandbreite und Performance

1.2 Netztopologien

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KomponentenEndsystem

• mit der Abwicklung von Anwendungs-programmen befasster Rechner

• im engeren Sinn Sender bzw. Em-pfänger von Nachrichten

Endsystem• mit der Abwicklung von Anwendungs-

programmen befasster Rechner• im engeren Sinn Sender bzw. Em-

pfänger von Nachrichten

Transitsystem• Rechner zur Abwick-

lung von Kommunika-tionsaufgaben

• im Wesentlichen Weiterreichen von Nachrichten

Transitsystem• Rechner zur Abwick-

lung von Kommunika-tionsaufgaben

• im Wesentlichen Weiterreichen von Nachrichten

Übertragungsmedium• Verbindung zwischen End- und

Transitsystemen

Übertragungsmedium• Verbindung zwischen End- und

Transitsystemen

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Vermittelte Netze

Zwei oder mehr Knoten, die durch einen Link verbunden sind, oder

Zwei oder mehr Netze, die durch zwei oder mehrKnoten verbunden sind

Ein Netz kann rekursiv definiert werden als ...

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Bus

Mit Terminierung (50 Ω)

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Ring

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Stern

HUB

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Stern-Stern

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Stern-Bus

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Baum

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Maschennetz

1.3 Anforderungen an ein Netz

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ZuverlässigkeitNetz und seine Dienste sollen 99,9.. % verfügbar seinDaher: Maßnahmen zur Erhöhung der ZuverlässigkeitHardware

Stromversorgung (Unterbrechungsfreie Stromversorgung)Ausfallsichere Hardware für Netzserver (z.B. mit ausreichender Kühlung)Mehrere, redundante Verbindungen innerhalb des Netzes (z.B. durch Ringform)

SoftwareSpezialisiertes und optimiertes Betriebssystem für Hochlastnetzverteiler (Router, Switches)Stabile und fehlertolerante Systeme bei StandardhardwareStabile Anwendersoftware, aufeinander abgestimmt

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Was geht schief im Netz?Ursachen

Fehler auf Bitebene (elektrische Interferenzen)Fehler auf Paketebene (Überlast)Verbindungs- und Knotenausfälle

FolgenNachrichten werden verzögert zugestelltNachrichten werden in falscher Chronologie zugestelltDritte können mithören!

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SkalierbarkeitNetz muss leicht an geänderte Bedingungen anpassbar sein

Zusätzliche Teilnehmer (Knoten)Weniger Teilnehmermehr Netzlast

Neue Anwendungen, z.B. Video-ÜbertragungGestiegene Nutzungsfrequenz

Veränderte Hardware Schnellere oder zusätzliche ProzessorenLeitungen mit höherer Bandbreite

Erforderlich: Skalierbarkeit auf allen EbenenLeitungen und ÜbertragungskapazitätenBetriebssysteme der NetzkomponentenServersoftware

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SicherheitStandort der Server sicher vor Brand/Wasserschäden, Sabotage etc.Regelmäßige Datensicherungen der Server, sichere Verwahrung der Backup-Datenträgerverteilte Datenhaltung (z. B. Raid Systeme)Informationssicherheit

Authentisierung (Sicherstellen der Identität eines Teilnehmers/Knotens)

Abfrage von Kennwörtern, Überprüfung der Hardware-IdentitätAuthorisierung (Rechte der Teilnehmer für Zugriff auf Ressourcen im Netz)Verschlüsselung vertraulicher Daten

Z.B. verschlüsselte Übertragung von KennwörternSicherstellung der unveränderten Übertragung von Daten

Zugang von außen geschützt durch eine FirewallProxy-Server für das Surfen im Netz

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GeschwindigkeitEffektiver Datendurchsatz wird durch Latenz und Bandbreite der einzelnen Verbindungselemente bestimmt

=> alle Elemente müssen aufeinander abgestimmt sein:

Anwendersoftware Worksstations am Arbeitsplatz Netzwerkkarte Verkabelung Transitstationen (Switches, Router, Gateways, Firewalls, Proxies)

1.4 ISO/OSI-Referenzmodell

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SchichtenbildungVerwende Abstraktionen, um die Komplexität zu verbergenAbstraktion führt natürlicherweisezu SchichtenbildungVerschiedene Abstraktionen in jederSchicht

Anfrage/Antwort-Kanal

Nachrichtenstrom-Kanal

Anwendungsprogramme

Hardware

Verbindung zwischen Hosts

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ISO/OSI-ReferenzmodellZielsetzung

Rahmen für die Standardisierung von Kommunikationsprotokollen bezüglich ihres Verhaltens nach außen

ISO = International Standardization OrganizationSchaffung der Grundlage für offene Systeme:

OSI = Open Systems Interconnection

Offenes System:Systeme, die darauf angelegt sind, mit anderen Systemen zu kommunizierenBasis ist die Erfüllung von Standards für den DatenaustauschKompatibilität unterschiedlicher und heterogener Systeme miteinander

Geschlossenes System:proprietäre Kommunikationsmechanismeninkompatibel mit anderen Systemen

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EntwurfsprinzipienReduzierung der Komplexität durch Definition einer Schichtenhierarchie

unterschiedliche Abstraktionsebenen der Schichtengenau definierte Funktion jeder Schichtgegenseitige Nutzung von Funktionen nur zwischen benachbarten Schichten

sinnvolle Balance zwischen Trennung unterschiedlicher Funktionenund Handhabbarkeit der Architekturminimaler Informationsfluss zwischen benachbarten SchichtenKompatibilität mit international genormten Protokollen bei Definition von Funktionen

Hierarchie aus 7 SchichtenHierarchie aus 7 Schichten

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Aufgaben der Anwendungsschicht (Schicht 7)

englische Bezeichnung: Application Layerspezifischer Anwendungsprotokolle für häufig benötigte Dienste, z.B.

Dateitransfer (ftp)Nutzung entfernter Rechner (telnet, rlogin)E-Mail (smtp, X.400)Verzeichnis- und Namensdienste (DNS, X.500)Elektronischer Datenaustausch (EDI)Informationsdienste (http)

Identifikation und Lokalisierung von Kommunikationspartnern, Authentisierung

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Aufgaben der Darstellungsschicht(Schicht 6)

englische Bezeichnung: Presentation Layergemeinsames Datenformat

Zahlenformate (Byte-Ordnung), StringdarstellungUmwandlung von lokaler in Transfersyntax (z.B. Abstract Syntax Notation (ASN.1) oder External Data Representation(XDR)) und umgekehrt

Datenverschlüsselung und -kompression

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Aufgaben der Sitzungsschicht(Schicht 5)

englische Bezeichnung: Session LayerDialogsteuerung während der Sitzung

Halb- oder VollduplexbetriebTransaktionskontrolle

Einstreuen von SynchronisationspunktenWiederaufsetzen auf dem letzten gültigen Synchronisationspunkt im Fehlerfall

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Aufgaben der Transportschicht (Schicht 4)

englische Bezeichnung: Transport LayerEnde zu Ende-Kommunikation

Kommunikation zwischen Quelle und ZielAufbau und Trennung von Verbindungen, FlusssteuerungUnabhängigkeit von beteiligten Subnetzen, deren Qualität und deren verwendeter Technologie

Mechanismen zur Steigerung des Durchsatzesggf. Aufbau mehrerer Verbindungen und parallele Nutzungüberlappende Nutzung einer Verbindung (Multiplexing)

Dienstgüte und -artVerhandlung zwischen beteiligten Parteien z.B. über

Umfang der FehlerbehandlungForm der Verbindungsnutzung (Punkt-zu-Punkt, Broadcast ...)

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Aufgaben der Vermittlungsschicht (Schicht 3)

englische Bezeichnung: Network LayerSteuerung des Subnetzes

Leitwegbestimmung für zu übermittelnde Paketestatische oder dynamische Festlegung der zu verwendenden Route

ÜberlastungssteuerungVermeidung bzw. Auflösung von Engpässen bei hohem Verkehrsaufkommen

Anpassung von Paketformaten und AdressierungsschemataUmsetzung beim Übergang zwischen heterogenen Netzen

vor allem wichtig im InternetSegmentierung von Paketen in Rahmen (senderseitig) bzw. Zusammenfügen von Rahmen zu Paketen (empfangsseitig)Abrechnungsfunktion

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Aufgaben der Sicherungsschicht (Schicht 2)

englische Bezeichnung: Data Link LayerStrukturierung des Bitstroms

Zerlegung des Bitstroms in Blöcke (Rahmen) fester oder variablerLängeKennzeichnung der Rahmengrenzen, z.B. durch Sondersymbole

Gesicherte Übertragung von DatenAustausch von Daten- und zugehörigen QuittungsrahmenFlusssteuerung zur Vermeidung von Datenüberflutung und -verlustFehlererkennung und -behebung

Kanalzugriffsregelungkonkurrierender oder gesteuerter Kanalzugriff

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Aufgaben der Bitübertragungsschicht (Schicht 1)

englische Bezeichnung: Physical LayerÜbertragung eines „rohen“ Bitstroms

über Kommunikationskanal, der zwei beteiligte Partnerinstanzen physisch miteinander verbindetungesicherte reihenfolgeerhaltende Datenübertragung

FestlegungenBetriebsart (Übertragungsrichtung, Parallelität, Synchronisation)Darstellungsform der Elementarinformation (Signalcodierung, Modulationsart, Trägerfrequenz)Übertragungsmedium (elektrische Spannung über Kabel, Lichtimpulse über Lichtwellenleiter, elektromagnetische Strahlung per Radio oder Mikrowellenübertragung)

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Gruppierung der SchichtenHäufig Unterscheidung zwischen

netzwerk-orientierten Schichten (Schicht 1 bis 4) undanwendungs-orientierten Schichten (Schicht 5 bis 7)

beziehungsweise zwischenTransitschichten (Schicht 1 bis 3)

sowohl in Transit- als auch Endsystemen erforderlichEndsystemschichten (Schicht 4 bis 7)

nur in Endsystemen erforderlich, nicht in Transitsystemen

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Übertragung im OSI-ModellDaten

DatenH7

DatenH6

DatenH5

DatenH4

DatenH3

DatenH2 T2

BitstromBitübertragungs-schicht

Anwendungs-schicht

Transport-schicht

Sitzungs-schicht

Darstellungs-schicht

Sicherungs-schicht

Vermittlungs-schicht

Bitübertragungs-schicht

Anwendungs-schicht

Transport-schicht

Sitzungs-schicht

Darstellungs-schicht

Sicherungs-schicht

Vermittlungs-schicht

SENDER EMPFÄNGER

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Prinzipielle Struktur einer OSI-Nachricht

Nutzdaten

Header Schicht 7

Header Schicht 6

Trailer Schicht 2

Header Schicht 4

Header Schicht 2

Header Schicht 3

Header Schicht 5

1.5 ISO/OSI und TCP/IP

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Internet-ArchitekturDefiniert von der Internet Engineering Task Force (IETF)"Doppelkegel"-DesignAnwendung vs. Anwendungsprotokoll (FTP, HTTP)

FTP HTTP NV TFTP

TCP UDP

IP

NET1 NET2 NETn

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Beziehung der Schichten

Application LayerApplication Layer

Host-to-HostTransport LayerHost-to-Host

Transport Layer

Internet LayerInternet Layer

Network Access Layer

Network Access Layer

AnwendungsschichtAnwendungsschicht

DarstellungsschichtDarstellungsschicht

SitzungsschichtSitzungsschicht

TransportschichtTransportschicht

VermittlungsschichtVermittlungsschicht

SicherungsschichtSicherungsschicht

BitübertragungsschichtBitübertragungsschicht

TCP/

IP

ISO

/OSI

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Gemeinsamkeiten und Unterschiede (1)

Modellarchitekturgemeinsamer Grundgedanke: Stapel unabhängiger ProtokolleISO/OSI-Modell

Ungleichgewicht der SchichtenSitzungs- und Darstellungsschicht kaum genutztVermittlungs- und Sicherungsschicht überladen

Adressierung, Flusssteuerung und Fehlerkontrolle über mehrere Schichten ver-teiltDatensicherheit und Verschlüsselung nicht berücksichtigt

TCP/IP-ModellVermischung von Sicherungs- und Bitübertragungsschicht

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Gemeinsamkeiten und Unterschiede (2)

Grundmodell und ProtokolleISO/OSI-Modell zunächst auf konzeptueller Ebene entwickelt, dann durch Protokolle unterlegt

Definition von Zwischenschichten aufgrund von Erkenntnissen bei Entwicklung/ Einsatz von Protokollen

Erweiterungen des ModellsModell schwierig zu implementieren

z.T. komplexe und unhandliche ProtokolleTCP/IP-Modell durch Abstraktion vorhandener Protokolle entstanden

TCP/IP-Modell passt nur zu TCP/IPkeine allgemeine theoretisch fundierte Architektureffiziente Implementierungen, z.B. in BSD UNIX

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Gemeinsamkeiten und Unterschiede (3)

GrundkonzepteISO/OSI-Modell

konzeptuelle Unterscheidung zwischenDiensten: Leistungsangebot für andere SchichtenSchnittstellen: Beschreibung der Zugriffsmöglichkeiten aufLeistungsangeboteProtokollen: Implementierung bestimmter Dienste

TCP/IP-Modellkeine klare Unterscheidung zwischen Diensten, Schnittstellen und Protokollen

⇒ Protokolle im ISO/OSI-Modell leichter austauschbar

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Gemeinsamkeiten und Unterschiede (4)

KommunikationsartenISO/OSI-Modell

ursprünglich stark auf verbindungsorientierte Dienste und Protokolle ausgerichtetverbindungslose Dienste und Protokolle erst im Nachhinein berücksichtigtauf Vermittlungsschicht verbindungsorientierte und verbindungslose Kommuni-kationauf Transportschicht nur verbindungsorientierte Kommunikation

TCP/IP-Modellauf Vermittlungs- (Internet-)schicht nur verbindungslose Kommunikationauf Transportschicht verbindungsorientierte und verbindungslose Kommunikation

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1.6 Bandbreite und Performance

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Performance-MetrikBandbreite (Datendurchsatz)

Pro Zeiteinheit übermittelte DatenmengeÜber eine Verbindung oder Ende-zu-EndeNotation:

KB = 210 bytesMbps = 106 bits per second

Latenz (Verzögerung)Zeit, um eine Nachricht von A nach B zu sendenUnidirektional oder "round-trip time" (RTT)Bestandteile

Latenz = Ausbreitungsverzögerung + Übertragungsverzögerung + WartezeitAusbreitungsverzögerung = Entfernung/LichtgeschwindigkeitÜbertragungsverzögerung = Paketgröße/ Bandbreite

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Bandbreite gegenüber LatenzRelative Bedeutung

1-byte: Latenz dominiert, 1ms statt 100ms bringt mehr als100Mbps Bandbreite statt 1Mbps25MB: Bandbreite dominiert, 100Mbps statt 1Mbps bringt mehrals 1ms Latenz statt 100ms

Roundtrip-Zeit überwiegtDurchsatz = TransferGröße / TransferZeitTransferZeit = RTT + 1/Bandbreite x TransferGrößeUnendliche Bandbreite: Transferzeit -> RTT

Eine 1-MB Datei über eine 1-Gbps-Verbindung verhält sichwie ein 1-kB Paket über eine 1-Mbps-Verbindung

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Produkt aus Verzögerung x Bandbreite

Datenmenge, die gerade “unterwegs” oder “in derPipeline” istBeispiel: 100ms x 45Mbps = 560KB

Bandbreite

Verzögerung

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AufgabeBerechnen Sie die Latenz (vom ersten gesendeten bis zum letzten empfangenen Bit) für ein 10 MBit/s-Ethernet mit drei Speichervermittlern (Store-and-Forward-Switche) auf der Strecke und einer Paketgröße von 5.000 Bit. Gehen Sie davon aus, dass jede Verbindungsleitung eine Ausbreitungs-verzögerung von 10 µs einführt und dass jeder Switchsofort, nachdem er ein Paket vollständig empfangen hat, mit der erneuten Übertragung beginnt.