Peter Mandl Andreas Bakomenko Johannes Weiß. Grundkurs Datenkommunikation

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1 Peter Mandl Andreas Bakomenko Johannes Weiß Grundkurs Datenkommunikation

2 Aus dem Programm Technische und Ingenieurinformatik Weitere Titel des Autors: Grundkurs Betriebssysteme von P. Mandl Grid Computing herausgegeben von G. Barth und A. Schüll Masterkurs Parallele und Verteilte Systeme von G. Bengel, C. Baun, M. Kunze und K.-U. Stucky Grundkurs Verteilte Systeme von G. Bengel Grundkurs Codierung von W. Dankmeier Hardware-Software-Codesign von R. Gessler und T. Mahr Rechnerarchitektur von P. Herrmann Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme von M. Sauter Grundkurs Computernetze von J. Scherff Grundlagen der Rechnerkommunikation von B. Schürmann

3 Peter Mandl Andreas Bakomenko Johannes Weiß Grundkurs Datenkommunikation TCP/IP-basierte Kommunikation: Grundlagen, Konzepte und Standards Mit 219 Abbildungen STUDIUM

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Das in diesem Werk enthaltene Programm-Material ist mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Der Autor übernimmt infolgedessen keine Verantwortung und wird keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieses Programm-Materials oder Teilen davon entsteht. Höchste inhaltliche und technische Qualität unserer Produkte ist unser Ziel. Bei der Produktion und Auslieferung unserer Bücher wollen wir die Umwelt schonen: Dieses Buch ist auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier gedruckt. Die Einschweißfolie besteht aus Polyäthylen und damit aus organischen Grundstoffen, die weder bei der Herstellung noch bei der Verbrennung Schadstoffe freisetzen. 1. Auflage 2008 Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2008 Lektorat: Sybille Thelen Andrea Broßler Vieweg+Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

5 Vorwort Obwohl es Netzwerke zur Datenkommunikation noch gar noch nicht so lange gibt, sind sie heute die Basis für viele Anwendungssysteme. Im Zuge der ISO/OSI- Bemühungen in den 80er Jahren wurden einige grundlegende Konzepte für die Datenkommunikation erarbeitet. Jedoch waren die zum Teil sehr guten Ansätze in mancher Hinsicht zu komplex für eine Implementierung. So ganz nebenbei verbreitete sich seit dieser Pionierzeit die TCP/IP-Protokollfamilie immer mehr. Implementierungen waren schon bald auf Unix-Systemen verfügbar und die Netze wurden immer größer. TCP/IP und die darüberliegenden Protokolle stellen heute einen Standard dar, ohne den viele Netzwerke nicht funktionieren könnten. Beispielsweise ist das globale Internet mit seinen Anwendungen ohne TCP/IP heute nicht mehr vorstellbar. In diesem Buch werden die Grundlagen, wichtige Konzepte und Standards TCP/IP-basierter Kommunikation anhand konkreter Protokolle vermittelt. Es soll dazu beitragen, den komplexen Sachverhalt zu strukturieren und verständlich zu machen. Dabei liegt der Schwerpunkt vor allem bei praktisch relevanten Themen, aber auch die grundlegenden Aspekte sollen erläutert werden. Das Buch behandelt insgesamt die folgenden acht Themenkomplexe: 1. Einführung in Referenzmodelle und Protokolle 2. Technische Grundlagen von Rechnernetzen 3. Ausgewählte Technologien und Protokolle unterer Schichten 4. Konzepte und Protokolle der Vermittlungsschicht 5. Konzepte und Protokolle der Transportschicht 6. Ausgewählte Anwendungsprotokolle 7. Grundlagen der mobilen Kommunikation 8. Entwicklung von Kommunikationsanwendungen Kapitel 1 gibt eine grundlegende Einführung in Referenzmodelle und Protokolle, wobei auf das ISO/OSI-Referenzmodell und das TCP/IP-Referenzmodell eingegangen wird. Kapitel 2 fasst wichtige technische Grundlagen für das Verständnis der unteren beiden Schichten zusammen. In Kapitel 3 werden einige ausgewählte Netzwerktechnologien und Protokolle aus den unteren Schichten vorgestellt, die heute für den WAN-Zugang sowie im LAN von Bedeutung sind. V

6 Vorwort In Kapitel 4 und 5 wird detailliert auf die Vermittlungsschicht und die Transportschicht eingegangen, wobei vor allem die wichtigsten Kommunikationsprotokolle aus der TCP/IP-Protokollfamilie als Beispiele dienen. In Kapitel 6 wird schließlich exemplarisch auf einige Anwendungsprotokolle bzw. -systeme eingegangen. Als Fallbeispiele dienen das Domain Name System, das World Wide Web und systeme. Dies sind Protokolle und Systeme, ohne die das Internet und das WWW heute kaum mehr vorstellbar wären. Weiterhin werden einige Multimedia-Protokolle, die zunehmend an Bedeutung gewinnen, diskutiert. Kapitel 7 befasst sich mit den Grundlagen von mobilen Systemen, die heute Einzug in verschiedenste Anwendungen halten und Kapitel 8 zeigt schließlich auf, wie man Kommunikationsanwendungen auf Basis von Transportzugriffsschnittstellen wie Sockets programmiert. In diesem Buch wird ein praxisnaher Ansatz gewählt. Der Stoff wird mit vielen Beispielen aus aktuell relevanten Protokollstandards angereichert. Für das Verständnis einiger Programmbeispiele sind grundlegende Kenntnisse von Programmiersprachen (C, C++, Java und C#) nützlich, jedoch können die wesentlichen Konzepte auch ohne tiefere Programmierkenntnisse verstanden werden. Vom Leser werden ansonsten keine weiteren Grundkenntnisse vorausgesetzt. Der Inhalt des Buches entstand aus mehreren Vorlesungen über Datenkommunikation an der Hochschule für angewandte Wissenschaften FH München. Bedanken möchten wir uns sehr herzlich bei unseren Studentinnen und Studenten, die uns Feedback zum Vorlesungsstoff gaben. Dem Verlag danken wir für die großartige Unterstützung im Projekt und für die sehr konstruktive Zusammenarbeit. Fragen und Korrekturvorschläge richten Sie bitte an mandl@cs.hm.edu. Für begleitende Informationen zur Vorlesung siehe München, im Juli 2008 Peter Mandl, Andreas Bakomenko und Johannes Weiß VI

7 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung in Referenzmodelle und Protokolle Das ISO/OSI-Referenzmodell Das TCP/IP-Referenzmodell Klassische Protokollemechanismen Übungsaufgaben Technische Grundlagen von Rechnernetzen Bitübertragungsschicht Aufgaben und Einordnung Digitale Übertragung und Multiplexierung Pulse Code Modulation (PCM) Kanalkodierung Datenübertragungsmedien und Verkabelung Sicherungsschicht Aufgaben und Einordnung Topologien Buszugriffsverfahren Fallbeispiel: CSMA-Protokolle Überblick über konkrete Netzwerktechnologien Übungsaufgaben Ausgewählte Technologien und Protokolle unterer Schichten Bitübertragungsschicht: Der RS-232-Standard Protokolle und Technologien der Sicherungsschicht HDLC-Protokoll Point-to-Point-Protocol (PPP) Ethernet LAN...56 VII

8 Inhaltsverzeichnis Wireless LAN (WLAN) Zugang zu öffentlichen Netzen (WAN-Technologien) ISDN DSL PDH, SDH und SONET ATM Übungsaufgaben Konzepte und Protokolle der Vermittlungsschicht Grundlagen Vermittlungsverfahren Wegewahl (Routing) Staukontrolle (Congestion Control) Das Internet und das Internet-Protokoll IPv Überblick Autonome Systeme Standardisierung im Internet Adressierung in Internet-basierten Netzen Subnetze und deren Adressierung VLSM und CIDR IP-Protokoll-Header IP-Fragmentierung und -Reassemblierung Routing im Internet Steuer- und Konfigurationsprotokolle im Internet Internet Control Message Protocol (ICMP) ARP und RARP NAT und IP-Masquerading Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) Das neue Internet-Protokoll IPv Ziele der IPv6-Entwicklung VIII

9 Inhaltsverzeichnis IPv6-Adressstruktur und -Adressraum Der IPv6-Header Flussmarken Neighbor Discovery Automatische Adresskonfiguration Anpassung wichtiger Protokolle an IPv Migrationaspekte und abschließende Bemerkungen Virtual Private Networks Übungsaufgaben Konzepte und Protokolle der Transportschicht Grundlagen Transportdienste Verbindungsmanagement und Adressierung Zuverlässiger Datentransfer Flusskontrolle Staukontrolle Multiplexierung und Demultiplexierung Fragmentierung/Segmentierung und Defragmentierung Transmission Control Protocol (TCP) Einordnung und Aufgaben TCP-Header Adressierung Flusskontrolle Datenübertragung Verbindungsmanagement Staukontrolle Timer-Management TCP-Zustandsautomat User Datagram Protocol (UDP) IX

10 Inhaltsverzeichnis Einordnung und Aufgaben UDP-Header Datenübertragung Abschließende Bemerkung Übungsaufgaben Ausgewählte Anwendungsprotokolle Überblick über TCP/UDP-Anwendungsprotokolle Domain Name System (DNS) Systemüberblick DNS-Zonen und deren Verwaltung Namensauflösung Inverse Auflösung von IP-Adressen DNS-Konfiguration DNS-Nachrichten Das World Wide Web Einführung Web-Server und Proxy-Cache-Server Web-Browser HTTP-Protokoll HTTPS, SSL und TLS AJAX Electronic Mail Multimediale Kommunikationsanwendungen Grundlagen und Anforderungen Audio- und Video-Kompression Multimedia-Protokolle im Internet Übungsaufgaben X

11 Inhaltsverzeichnis 7 Grundlagen der mobilen Kommunikation Mobilitätsunterstützung bei IPv Probleme der Mobilität bei IPv Unterstützung der Mobilität mit IPv Optimierung der Mobilität mit IPv Mobilitätsunterstützung bei IPv Mobilitätsunterstützung bei TCP Performance Enhancing Proxy (PEP) Indirektes TCP Snooping TCP Resümee Übungsaufgaben Entwicklung von Kommunikationsanwendungen Kommunikationsformen Synchrone und asynchrone Kommunikation Meldungs- und auftragsorientierte Kommunikation Fehlersemantiken Entwicklung verteilter Anwendungen Überblick über Modellierungstechniken Fallbeispiel: Chat-Anwendung Programmierung mit Sockets Einführung und Programmiermodell Die wichtigsten Socket-Funktionen im Überblick Socket-Programmierung in C Java-Socket-Programmierung C#-Socket-Programmierung Übungsaufgaben Schlussbemerkung XI

12 Inhaltsverzeichnis 10 Lösungen zu den Übungsaufgaben Einführung in Referenzmodelle und Protokolle Technische Grundlagen von Rechnernetzen Ausgewählte Technologien und Protokolle unterer Schichten Konzepte und Protokolle der Vermittlungsschicht Konzepte und Protokolle der Transportschicht Ausgewählte Anwendungsprotokolle Grundlagen der mobilen Kommunikation Entwicklung von Kommunikationsanwendungen Literaturhinweise Sachwortverzeichnis XII