Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II 1

Systeme II – erste Vorlesung

Lehrstuhl für KommunikationssystemeInstitut für Informatik / Technische Fakultät

Universität Freiburg2009

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Vorlesung Systeme 1Lehrstuhl für KommunikationssystemeProf. Gerhard Schneidergerhard.schneider@rz.uni-freiburg.de

Assistenten:Dirk von Suchodoletz <dirk.von.suchodoletz@rz.uni-freiburg.de>Klaus Rechert <klaus.rechert@rz.uni-freiburg.de>

Web:http://www.ks.uni-freiburg.de

Informationen zur Vorlesung:http://www.ks.uni-freiburg.de/php_veranstaltungsdetail.php?id=28

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Vorlesung Systeme 1 – Organisatorisches

Vorlesung (wöchentlich) Montag und Mittwoch 14 – 16 Uhr (c.t.) Start: 20. April 2009 (heute) Hörsaal 026 im Gebäude 101 (Flugplatz) Klausur: 08.09.2009, 10.00 Uhr, angesetzt auf 90 Minuten

in den Hörsälen 026, 036, 010/14 Anmeldung für Klausur erforderlich (via Prüfungssystem)

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Vorlesung Systeme 1 – Organisatorisches

Übung (ergänzend) Vorlesung teilweise ersetzt durch Doppelübung, siehe

Vorlesungsplan online Start: 29. April 2009 (nächste Woche, Mittwoch) Übungsräume -100/-101, Keller Rechenzentrum

(Institutsviertel, H.-Herder-Str. 10, Nähe Mensa, JVA) ~ 1 Übungszettel (theoretisch/praktisch) pro Woche

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Übung (ergänzend) Teilnahme an Übungen nicht verpflichtend (kein

Eingangs- kriterium zur Klausurzulassung) Korrektur durch Tutoren Zentraler Termin zur Zettelrückgabe/Präsentation der

Ergebnisse je nach Bedarf (siehe Ankündigungen) direkt nach Vorlesung oder Übung

Bonussystem: Teilnahme ab 70% Gesamtpunktzahl (entspricht Klausurpunkte von 1/3 Note Verbesserung) bis 90% Gesamtpunktzahl (2/3 Note Verbesserung)

Vorlesung Systeme 1 – Organisatorisches

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Medien

‣ PDF-Foliensätze• Teilweise/basierend auf Systeme II von Prof.

Schindelhauer• Siehe auch dessen Vorlesung von SS2008

‣ Lecturnity-Aufzeichnung (so sie gelingen)‣ Literaturhinweise

• Folgen gleich und auf der Web-Site zur Vorlesung

‣ Mailingliste (bei Bedarf / wird noch eingerichtet)• Für allgemeine Ankündigungen/Fragen&Antworten

‣ Übungszettel• Auf der angegebenen Web-Site (Download-Bereich)

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Inhalte

‣ Einführung• Literatur, Beispiele• Referenzmodelle

‣ IP als zentrales Bindeglied‣ Aufbau dann lose dem Hauptwerk Kurose&Ross folgend

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Inhalte

‣ Anwendungsschicht (Application Layer)‣ Transportschicht (Transport Layer)‣ Vermittlungsschicht (Network Layer)‣ Sicherungsschicht (Data Link Layer)‣ Mediumzugriffs-Steuerung

(Medium Access Control Sub-Layer - MAC)‣ Bitübertragungsschicht (Physical Layer)‣ Sicherheit in Netzwerken‣ Ausblick

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Veranstaltungen im Bereich Netzwerke

Netzwerke I = Systeme II jeden Sommer Einführung in NetzwerkeEthernetGrundlagen des InternetsNetzwerke II = Communication Systems jeden Winter

ab nächstes Semester

WLAN, ISDN, Mobil-telefonie, UMTS, VoIP, u.v.a.

Vertiefung Netzwerke

z.B. Peer-to-Peer-NetzwerkeMobile Ad-Hoc-NetzwerkeInternet-SicherheitTelematik IV

jeden Sommer

Praktika, Projekte,Teamprojekte

z.B. Ad-Hoc-NetzwerkeWireless Sensor NetworksLocation Based Service

jeden Winter

SeminareBachelor-/Master-Arbieten

je nach Lehrstuhl,individuell

jedes Semester

forschungsnahe Arbeit

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Motivation

Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II 11Systeme IISommer 2008

Internet 2007www.internetworldstats.com

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Internet Wachstum von 2000-2007

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Internet Datenmengen

‣ Monatlicher Datenverkehr weltweit• Minnesota Internet Traffic Studies:• 3000-5000 PB• 1 PetaByte = 1015 bytes

‣ Monatlicher Datenverkehr pro Kopf• Europa: 2,3 GB• Japan 2,6 GB• USA: 3 GB• Hongkong, Südkorea: 17 GB

‣ Jährliche Wachstumsrate• Weltweit: 50-60%

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Literatur I

‣ Das primäre Buch zur Vorlesung:• Vorlesung folgt grob diesem

Ansatz• “Pflichtlektüre” (primäre

Angaben auf zu lesende Kapitel)

• Computer Networking - A Top-Down Approach Featuring the Internet, James F. Kurose, Keith W. Ross, Prentice Hall, Fourth Edition

• Mehrfach in der TF-Bibliothek/UB vorhanden

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Literatur II

‣ Alternativlektüre zur Vorlesung• Computer Networks, Andrew S.

Tanenbaum (Prentice Hall)• Auch in Deutsch:

Computernetzwerke• Lange Zeit der Standard

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Literatur III

‣ Zur Vertiefung• Klassiker: TCP/IP Illustrated,

Volume - The Protocols, W. Richard Stevens, Addison-Wesley

• Daneben inzwischen etliche weitere Bücher ...

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Literatur IV

‣ Weiteres (Standard)Buch: • Data and computer

Communications• William Stallings• Pearsons, Prentice-Hall, 2007• In TF-Bibliothek vorhanden

Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II 18Systeme IISommer 2008

Rechnernetze und TelematikAlbert-Ludwigs-Universität Freiburg

Christian Schindelhauer

Literatur V

‣ Weiteres Buch (älter):• Fred Halsal, Data

Communications, Computer Networks and Open Systems, Addison-Wesley, 1995

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Das Internet

‣ ... ist das weltweite, offene WAN (wide area network) ‣ ... ist nicht das World Wide Web (WWW)‣ ... ist systemunabhängig (zentrale Idee)‣ Verbindet LANs (local area networks)‣ Keine zentrale Kontrolle‣ Konzepte von Robert Kahn (DARPA 1972)

• Jedes (lokale) Netzwerk ist autonom- arbeitet für sich - muss nicht gesondert konfiguriert werden für das WAN

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Netzwerk offen für alle Architekturen

‣ Kommunikation nach “best effort”- schafft es ein Paket nicht zum Ziel, wird es gelöscht- es wird von der Anwendung wohl wieder verschickt werden

• Black Box Ansatz für Verbindungen- Black Boxes später umgetauft in Gateways und Routers- Paketinformation werden nicht aufbewahrt- keine Flußkontrolle

• Keine globale Kontrolle‣ Das sind die Grundprinzipen des Internet

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Struktur-Vergleich

‣ Hierarchisches Telefon-Netzwerk ‣ Struktur des Internets

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Originaldiagramme des “Ur-Internets”

Geschichte des Internets

‣ 1961: Packet Switching Theory • Leonard Kleinrock, MIT, “Information Flow in Communication Nets”

‣ 1962: Konzept des “Galactic Network”• J.C.R. Licklider and W. Clark, MIT, “On-Line Man Computer

Communication”‣ 1965: Erster Vorläufer des Internet

• Analoge Modem-Verbindung zwischen zwei Rechnern in den USA

‣ 1967: Konzept des “ARPANET”• Entwurfspapier von Larry Roberts

‣ 1969: Erster Knoten im “ARPANET”• an der UCLA (Los Angeles)• Ende 1969: vier Rechner verbunden

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ARPANET

Wachstum ARPANET (a) Dezember 1969. (b) Juli 1970.(c) März 1971. (d) April 1972. (e) September 1972.

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ARPANET

Zahl vernetzter Rechner (Internet): 1980: 14 (NSF-Net, USA) 1984: 1.000 1988: 60.000 1990: 300.000 1991: 700.000 1992: Millionengrenze 1997: 20 Millionen

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NSFNET 1988

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Architektur des Internet

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Das BelWue(Landes-

netz)

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Das Deutsche Forschungs-

netz (~ 2001)

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Internet 2000 - Autonome SystemeQuelle:netdimes.org

Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II 30Systeme IISommer 2008

Rechnernetze und TelematikAlbert-Ludwigs-Universität Freiburg

Christian Schindelhauer

Das Internet 2006Autonome Systeme

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Quelle:netdimes.org

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Das Internet 2006IP Routers

netdimes.org

Netzwerkmodelle / Formalisierung Im Netzwerkbereich typischerweise Schichtenmodelle

Komplexe Kommunikationsrealität wird in überschaubare Teile aufgegliedert

Schichten als Gesamheit sind einfacher zu betrachten Konzentration auf jeweilige Aufgaben

Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II 32

Das Internet 2006IP Routers

netdimes.org

Netzwerkmodelle Idee/Merkmale im Schichtenmodell

Beide Kommunikationspartner je gleich hoch auf einem Schichtenstapel

Inhaltliche Kommunikation auf der gleichen Schicht statt Jeweils durch geeignete Protokolle gesteuert →

Protokollstapel (protocol stack) Physische Kommunikation in der Vertikalen statt, dabei an

Übertragungsmedium gebunden: elektrische Signale, Funk- und Lichtwellen

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Das Internet 2006IP Routers

netdimes.org

Netzwerkmodelle Jede Schicht bietet über wohl definierte Schnittstellen nach

oben Dienste an und jede Schicht beansprucht von unten Dienste

Jede Schicht versteckt die Komplexität der unteren Schichten für die darüber liegenden

Jede Schicht ist für die darüber liegende eine virtuelle Kommunikationsmaschine

Kommunikation nach unten: jede Schicht hat die Aufgabe ein Bündel binärer Signale von oben in Empfang zu nehmen

Dem Bündel werden einige Daten angebunden oder eingewickelt (Kapselung) und dann nach unten gesendet

Nach oben: ein empfangenes Bündel wird ausgepackt und nach oben gesendet

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Das Internet 2006IP Routers

netdimes.org

Netzwerkmodelle Begriffe für die Datenbündel: Pakete (packets),

Datengramme (datagrams), Zellen (cells) Ein Bündel kann von Daten eingehüllt werden: Rahmen

(frames) mit Kopfteil (header) und Schwanzteil (trailer) Das Schichtenmodell stammt von der ISO/OSI von 1977

Ziele der sieben-schichtigen Kommunikations-Architektur Ablösung/Integration der herstellerabhägigen Protokollstapel Kommunikation in heterogenen Umgebungen Spezifizierung einer offenen, herstellerneutralen und kon-

kurrenzfreundlichen Kommunikationswelt OSI-Modell legt keine detaillierte Netzwerkarchitektur fest

sondern sellt einen Rahmenstandard dar

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Das Internet 2006IP Routers

netdimes.org

ISO/OSI Modell

Schichten 5 bis 7 regeln die Anwendung der Daten

→ finden üblicherweise innerhalb einer Anwendung statt

Schichten 1 bis 4 regeln das Transportswesen

(Implementation in der Netzwerkhardware oder im Betriebsystem)

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Informatik IIIWinter 2007/08

Rechnernetze und TelematikAlbert-Ludwig-Universität Freiburg

Christian Schindelhauer

Das ISO/OSI Referenzmodell

‣ 7. Anwendung (Application)• Datenübertragung, E-Mail, Terminal, Remote login

‣ 6. Darstellung (Presentation)• Systemabhängige Darstellung der Daten (EBCDIC/ASCII)

‣ 5. Sitzung (Session)• Aufbau, Ende, Wiederaufsetzpunkte

‣ 4. Transport (Transport)• Segmentierung, Stauvermeidung

‣ 3. Vermittlung (Network)• Routing

‣ 2. Sicherung (Data Link)• Prüfsummen, Flusskontrolle

‣ Bitübertragung (Physical)• Mechanische, elektrische Hilfsmittel

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ISO/OSI Schicht 7

7. Anwendungsschicht• Große Vielfalt aller möglichen Funktionen, z.B.

- Virtuelle Terminals- Filetransfer (FTP), HTTP- E-mail (SMTP)- Video- Radio- Spiele ...

• Anwendungen verfügen über eine Programmierschnittstelle, um sie plattformspezifischen der Anwendungsprogrammierung zugänglich zu machen

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ISO/OSI Schicht 6

6. Präsentationsschicht• Anpassung von Kodierungen, • z.B. Zeichensätze, Namen, Addressfelder, Formulare, etc.• Daten erhalten eine universelle Form• “Gemeinsame Sprache” damit die Übertragbarkeit zwischen

unterschiedlichen Plattform möglich ist: ASCII oder Unicode, Kodierung negativer Ganzzahlen als Einer- oder Zweierkomplement, ...

• Übernimt auch Datenkompression, Ver- und Entschlüsselung• Auf dieser Schicht (sowie 7) arbeiten die Betriebssysteme

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Informatik IIIWinter 2007/08

Rechnernetze und TelematikAlbert-Ludwig-Universität Freiburg

Christian Schindelhauer

ISO/OSI - Schicht 55. Sitzungsschicht

• Festlegung der Sitzungsart, z.B.- Dateitransfer, Einloggen in ein entferntes System

• Dialogkontrolle- Falls Kommunikation immer nur abwechselnd in einer

Richtung geht, regelt die Richtung die Sitzungsschicht• Token Management

- Falls Operationen nicht zur gleichen Zeit auf beiden Seiten der Verbindungen möglich sind, verhindert dies die Sitzungsschicht

• Synchronisation- Checkpoints zur Wiederaufnahme abgebrochener

Operationen nach Ausfall (z.B. Filetransfer)

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Informatik IIIWinter 2007/08

Rechnernetze und TelematikAlbert-Ludwig-Universität Freiburg

Christian Schindelhauer

ISO/OSI - Schicht 4

4. Transportschicht• Unterteilung der Daten aus der Sitzungsschicht in kleinere

Einheiten (Pakete)• In der Regel Erstellung einer Transportverbindung für jede

anfallende Verbindung• Möglicherweise auch mehrere Transportverbindungen zur

Durchsatzoptimierung• Art der Verbindung

- fehlerfrei, logische Punkt-zu-Punkt (z.B. TCP)- fehlerbehaftet, Unidirektional (z.B. UDP)- Multicasting (einer an viele)- Broadcasting (einer an alle)

• Multiplexing: Zu welcher Verbindung gehört dieses Paket• Flusskontrolle: Wieviele Pakete können/sollen versendet

werden (ohne das Netzwerk zu überfordern)

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Informatik IIIWinter 2007/08

Rechnernetze und TelematikAlbert-Ludwig-Universität Freiburg

Christian Schindelhauer

ISO/OSI - Schicht 3

3. Vermittlungsschicht• Packetweiterleitung (packet forwarding)• Routenermittlung/Wegewahl der Pakete (route

detection)• Kontrolle von Flaschenhälsen (bottleneck) in der

Wegewahl• Abrechnung der Pakete (Abrechnungssystem)

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Informatik IIIWinter 2007/08

Rechnernetze und TelematikAlbert-Ludwig-Universität Freiburg

Christian Schindelhauer

ISO/OSI - Schicht 2

2. Sicherung (Data Link Layer)– Bereinigung von Übertragungsfehler– Daten werden in Frames unterteilt mit

Kontrollinformation (z.B. Checksum)

– Bestätigungsframes werden zurückgesendet– Löschen von Duplikaten– Ausgleich schneller Sender - langsamer

Empfänger (Flusssteuerung)– Lösung von Problemen beim Broadcasting

• Zugriff auf gemeinsames Medium = Mediumzugriff (medium access control = MAC)

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Informatik IIIWinter 2007/08

Rechnernetze und TelematikAlbert-Ludwig-Universität Freiburg

Christian Schindelhauer

ISO/OSI - Schicht 1

‣ Bitübertragung (Physical)• Übertragung der reinen Bits• Technologie (elektronisch/Licht)• Physikalischen Details (Wellenlänge, Modulation)• Nur hier Teinehmer eigentlich gekoppelt• Transport ist ungesichert• Daten können unterwegs auch vom analogen in ein

digitales Format umgewandelt, vom eletrischen Leiter in den optischen übertragen werden

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Informatik IIIWinter 2007/08

Rechnernetze und TelematikAlbert-Ludwig-Universität Freiburg

Christian Schindelhauer

ISO/OSI - Zusammenfassung

Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II 45

OSI versus TCP/IP

Tanenbaum

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TCP/IP-Schichtenmodell‣ 1. Host-to-Network

• nicht spezifiziert, hängt vom LAN ab, z.B. Ethernet, WLAN 802.11b, PPP, DSL

‣ 2. Vermittlungsschicht (IP - Internet Protokoll)• Spezielles Paketformat und Protokoll• Paketweiterleitung• Routenermittlung

‣ 3. Transportschicht• TCP (Transport Control Protocol)

- zuverlässiger bidirektionaler Byte-Strom-Übertragungsdienst- Fragmentierung, Flusskontrolle, Multiplexing

• UDP (User Datagram Protocol)- Paketübergabe an IP- unzuverlässig, keine Flusskontrolle

‣ 4. Anwendungsschicht• zahlreiche Dienste wie TELNET, FTP, SMTP, HTTP, NNTP

(für DNS), ...

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Anwendung Application Telnet, FTP, HTTP, SMTP (E-Mail), ...

Transport TransportTCP (Transmission Control Protocol)

UDP (User Datagram Protocol)

Vermittlung NetworkIP (Internet Protocol)+ ICMP (Internet Control Message Protocol)+ IGMP (Internet Group Management Protocol)

Verbindung Host-to-Network LAN (z.B. Ethernet, Token Ring etc.)

Das Internet 2006IP Routers

netdimes.orgSchichtung des Internets - TCP/IP-Layer

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Das Internet 2006IP Routers

netdimes.org

Ende erste Vorlesung

Nächste Vorlesung am Mittwoch an diesem Ort, gleiche Zeit: Einführung IP (Vermittlungsschicht)

Alle relevanten Informationen auf der Webseite zur Vorlesung: http://www.ks.uni-freiburg.de/php_veranstaltungsdetail.php?id=28

Zu lesen: Einführungskapitel der angegebenen Literatur!