Vorlesung. Wintersemester 2008/2009. Christian Grimm Fachgebiet Distributed Virtual Reality (DVR) Lehrgebiet Rechnernetze

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1 Vorlesung Rechnernetze I Teil 1 Wintersemester 2008/2009 Christian Grimm Fachgebiet Distributed Virtual Reality (DVR) Lehrgebiet Rechnernetze

2 Allgemeine Informationen Hinweise zur Vorlesung, Folien zu erreichen über Lehre Rechnernetze I Prüfung schriftlich, 90 Minuten ca. 20 Kurzfragen ca. 3 Langfragen voraussichtlicher Termin Montag, 12. Februar 15:00 Uhr Probeklausur auf dem WWW-Server! Seite 2

3 Literatur zu Rechnernetze I J. F. Kurose, K. W. Ross. Computer Networking A Top-Down Approach Featuring the Internet. Addison Wesley, 3rd Ed., A. Tanenbaum. Computer Networks. Prentice Hall, 4th Ed., R. Perlman. Interconnections: Bridges, Routers, Switches, and Internetworking Protocols. Addison Wesley, 2nd Ed, D. Comer, D. L. Stevens. Internetworking with TCP/IP, Volume 1: Principles, Protocols, and Architecture. t Prentice Hall, 4th Ed., W. R. Stevens. TCP/IP Illustrated, Volume 1: The Protocols. Addison Wesley, 1st Ed., W. R.Stevens.UNIX Network Programming, Volume 1: Networking APIs Sockets and XTI. Prentice Hall, 2nd Ed., Seite 3

4 Das Internet Nuts and Bolts Hosts Router Links lokaler Internet Service Provider (ISP) (über)regionaler ISP Firmennetzwerk Nodes (Knoten) Hosts (End systems, Endgeräte) PCs, Workstations, Großrechner Notebooks, PDAs, Handys, Kühlschränke... Router Aufgabe: Vermittlung einzelner Datenpakete über Links zwischen Hosts Links (Leitungen, Verbindungen) drahtgebunden: Glasfaser, Kupfer drahtlos: Luft (Funk, Satellit) charakteristische Größe: Bandbreite (daraus Datenrate), Signallaufzeiten Seite 4

5 Das Internet Nuts and Bolts lokaler Internet Service Provider (ISP) (über)regionaler ISP Firmennetzwerk Protokolle Regeln zum Austausch von Nachrichten zwischen Knoten Ende-zu-Ende: Datenaustausch zwischen Hosts Hop-by-Hop: H Datenaustausch t zwischen beliebigen bi Knoten Beispiele: HTTP, FTP, DNS, TCP, UDP, IPv4 IPv6 Standardisierung di i IETF: Internet Engineering Task Force RFC: Request For Comments ITU, IEEE, Seite 5

6 Beispiele für Ablauf eines Protokolls Entschuldigen Sie bitte Ja? connection request connection response Können Sie mir sagen, wie spät es ist? Kurz vor drei Übertragung der Nutzdaten (hier Request und Response) GET SEND <object> Dankeschön, Auf Wiedesehen Keine Ursache, Tschüss Verbindungs- aufbau Verbindungsabbau connection release connection close t t t t Seite 6

7 Network Edge lokaler Internet Service Provider (ISP) (über)regionaler ISP Firmennetzwerk den Rand des Internet bilden die Hosts auf den Hosts werden verteilte Anwendungen ausgeführt Ziel ist der Austausch von (Nutz)Daten zwischen den Hosts Beispiele für Anwendungen WWW, FTP, , Peer-to-Peer Voice over IP, Videoconferencing, Online Games Dienste einige Hosts stellen Dienste bereit andere Hosts nutzen diese Dienste Seite 7

8 Network Edge Klassifizierung von Diensten 1. Klassifizierung nach Kommunikationsformen Client-Server ein Host (Client) ruft Informationen von einem anderen Host (Server) ab Peer-to-Peer gleichgestellte Hosts (Peers) tauschen gegenseitig Informationen aus 2. Klassifizierung nach Zuverlässigkeit zuverlässige Dienste Daten werden vollständig in der richtigen Reihenfolge übertragen auftretende Fehler werden zuverlässig erkannt und behoben oder zumindest gemeldet typisch: Übertragung von Dateien (bereits ein fehlendes oder falsches Bit würde Datei zerstören) oder Übertragung über weite Strecken (hoher Fehlerwahrscheinlichkeit) unzuverlässige Dienste nichts wird garantierta te t Daten können bei der Übertragung verloren gehen typisch: periodisches Aussenden unkritischer Daten (z. B. Zeitinfo), Dienste in lokalen Netzen (geringe Fehlerwahrscheinlichkeit), in der Regel alle Echtzeitdienste Seite 8

9 Network Edge Klassifizierung von Diensten 3. Klassifizierung nach Dienstgüte best effort Daten werden unter bestmöglicher Nutzung der verfügbaren Ressourcen übertragen der typische Dienst im Internet real time (Echtzeit) Anwendungen fordern Garantien bezüglich minimaler Datenrate, maximaler Verzögerung oder maximaler Fehlerrate schwierige aber besonders interessante Umsetzung dieser Dienste 4. Klassifizierung nach Dienstnutzern Anwendungsdienste werden vom Nutzer explizit aufgerufen z. B. durch Start einer Applikation z. B. durch expliziten Klick oder Eingabe einer URL im WWW- Browser Infrastrukturdienste werden vom Nutzer nicht explizit aufgerufen werden von Applikation oder Betriebssystem in den Knoten automatisch aufgerufen z. B. Domain Name Service (DNS) zur Auflösung eines Namens in eine IP-Adresse Infrastrukturdienste wie DNS sind essentiell für die Funktion des Internet Seite 9

10 Network Edge Klassifizierung von Diensten 5. Klassifizierung nach Kardinalität (Grad der Beziehung) Unicast ein Knoten mit genau einem anderen Knoten Kardinalität 1:1, wobei 1 aus n ist n=7 Multicast ein Knoten mit mehreren Knoten aus einer Gruppe m=3 n=7 Kardinalität 1:m Anycast ein Knoten mit einem beliebigen Knoten aus einer Gruppe Kardinalität 1:1, wobei 1 aus m ist (m=n ist auch möglich) m=3 n=7 Broadcast ein Knoten mit allen anderen Knoten n=7 Kardinalität 1:n Seite 10

11 Network Core lokaler Internet Service Provider (ISP) (über)regionaler ISP Firmennetzwerk den Kern des Netzes bilden Router und Links Links verbinden Router miteinander Router leiten Datenpakete über geeignete g Links weiter Hosts werden über Zugangsleitungen an den Kern des Netzes angeschlossen Zugangsleitungen bilden die Verbindung zwischen Network Edge und Network Core in öffentlichen Netzen häufig über Modem, ISDN oder xdsl weitere Komponenten in lokalen Netzen häufig noch Switches, Hubs oder Access Points (WLAN) für Anschluss mehrerer Hosts Seite 11

12 Network Core Vermittlung Leitungsvermittlung zwischen zwei Hosts wird eine durchgehende physikalische Verbindung geschaltet die Verbindung steht den Hosts exklusiv zur Verfügung das klassische Verfahren der herkömmlichen Telefonie Berechnungen zur Leitungsvermittlung aus der Verkehrstheorie (Anfang 20. Jahrh.) Einteilung der Ressourcen auf den Links in einzelne Kanäle (hier Beispiel 4 Kanäle) Frequency Division Multiplex (FDMA): Einteilung in Frequenzbereiche f [hz] Kanal 1 Kanal 2 Kanal 3 Kanal 4 t [s] Time Division Multiplex (TDMA): Einteilung in Zeitbereiche f [hz] Kanal 1 Kanal 2 Kanal 3 Kanal 4 Kanal 1 Kanal 2 Kanal 3 Kanal 4 Kanal 1 Kanal 2 Kanal 3 Kanal 4 Kanal 1 Kanal 2 Kanal 3 Kanal 4 Kanal 1 Kanal 2 Kanal 3 Kanal 4 t[s] Seite 12

13 Network Core Vermittlung Paketvermittlung Daten werden vor der Übertragung in kleine Einheiten (Pakete) eingeteilt Pakete werden unabhängig voneinander durch das Netz zum Ziel geleitet Pakete verschiedener Host teilen sich Ressourcen jedes einzelne Paket erhält volle Ressourcen auf dem Link Pakete müssen bei belegten Ressourcen in Routern warten (Verzögerungen!) einzelne Pakete können fehlerhaft, d. h. unbrauchbar werden die Folge der Pakete auf einem Link ist nicht vorgegeben statistisches (zufälliges) Multiplexing oder gezieltes Scheduling in Warteschlangen das klassische Verfahren im Internet Warteschlangenberechnung für paketvermittelte Netze durch Kleinrock et. al. (ab 1960) Warteschlange Warteschlange Seite 13

14 Network Core Vermittlung Leitungsvermittlung Vorteile Übertragungsparameter (Datenrate, Verzögerungen) der gesamten Verbindung zwischen zwei Hosts sind konstant und oft bekannt bzw. berechenbar keine Störungen durch Dritte: Fehler durch Verluste von Paketen treten nicht (sehr selten) auf Nachteile Ressourcen werden auch dann belegt, wenn keine Daten ausgetauscht werden Daten können nur dann ausgetauscht werden, wenn ein Kanal frei ist vor der Übertragung der Daten ist ein Verbindungsaufbau zwingend notwendig Paketvermittlung Vorteile verfügbare Ressourcen stehen allen Teilnehmern zur Verfügung durch Scheduling in Warteschlangen (theoretisch) flexible Ressourcenvergabe möglich wesentlich bessere Nutzung der Ressourcen Nachteile Garantien für Übertragungsparameter (Datenrate, Verzögerungen) können nur schwer eingehalten werden Anwendungen mit konkretem Bedarf an Ressourcen nur schwer umzusetzen Seite 14

15 Network Core Vermittlung Beispiel: Nutzung eines Links mit 1 MBit/s Kapazität jeder Host ist 10% der betrachteten Zeit aktiv alle Hosts erzeugen in der aktiven Phase einen Datenstrom von 100 kbit/s in Pausen (inaktive Phase) werden keine Daten gesendet, d. h. Datenstrom von 0 kbit/s Leitungsvermittlung Annahme: jedem Host werden permanent 100 kbit/s zugewiesen (ähnlich FDMA) unabhängig davon, ob er aktiv oder inaktiv ist! d. h. es können maximal 10 Hosts gleichzeitig den Link nutzen mittlere Auslastung des Links beträgt 10% Paketvermittlung Berechnung über Wahrscheinlichkeiten die Wahrscheinlichkeit, dass ein Host sendet, beträgt p=0,1 (s. o.) Ansatz: von z. B. 40 Hosts sollen mehr als 10 gleichzeitig Daten senden (Link ist überlastet!) 10 Gleichung hier ohne Herleitung durch Kombinatorik: 40 n 40 n 1 p (1 p) =... 0,001 n= 0 n mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,1% senden von 40 Hosts mehr als 10 gleichzeitig im Mittel nutzen 40 Hosts zu 99,9% der Zeit voneinander ungestört den Link Seite 15

16 Paketvermittlung: Verzögerungen und Verluste Pakete im Internet werden auf ihrem Weg zum Ziel verzögert eine zu hohe Verzögerung entspricht einem Paketverlust Unterscheidung zwischen vier verschiedenen Verzögerungen (Delays) Processing d Proc : Verarbeitungszeit auf Router Prüfung auf Bitfehler Wegefindung Suche des geeigneten ausgehenden Links (das eigentliche Routing!) Queueing d Queue : Wartezeit auf Router bis Verarbeitung (Processing) des Pakets beginnt (nicht relevant) bis Aussenden des Pakets auf ausgehendem Link beginnt Transmission d Trans : Zeit, um Daten auf Link zu geben (Serialisierungszeit) bestimmt durch Größe der Datei G bestimmt durch verfügbare Datenrate auf dem Link R d Trans = G / R Propagation d Prop : Signallaufzeit auf Link abhängig von Signalausbreitungsgeschwindigkeit S abhängig von Länge des Links L d Prop = L / S d Gesamt = d Proc + d Queue + d Trans + d Prop Processing Transmission Propagation Queueing Seite 16

17 Überblick über Rechnernetze I zunächst weitere grundlegende Begriffe und Architekturmodelle Betrachtung verschiedener Dienste im Internet best effort gegenüber real time Realisierung der Dienste Protokolle: TELNET, HTTP, FTP, P2P, SMTP, IMAP, POP, RTP, RTCP, RTSP, Protokolle für die Infrastruktur des Internet: DNS Transport der Daten im Internet weitere Protokolle: TCP und UDP Programmierung einfacher Anwendungen Leitung von Paketen durch das Internet t Routing viele Protokolle: IP, ICMP, RIP, OSPF, BGP Anbindung von Hosts an das Internet t noch mehr Protokolle: Ethernet, Seite 17

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