Kommunikationsnetze für MT Sommersemester Standardisierung, Kommunikationsarchitekturen, -dienst und -protokoll. Backbone

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1 2. Prinzipien Standardisierung, Kommunikationsarchitekturen, -dienst und -protokoll Kommunikationsnetz LAN 1 Backbone mobile Teilnehmer URL (drahtloses) LAN 3 LAN 2 Web-Seite Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 33 Fachgebiet Kommunikationsnetze 1

2 Wichtige Komponenten eines Kommunikationsnetzes Endgeräte (Terminal Equipment) Technische Hilfsmittel zur Kommunikation für die Endanwender Aus kommunikationstechnischer Sicht Quelle und Senke von Information (Endpunkte) Liefern eine Benutzerschnittstelle oder führen Anwendungen aus Vermittlungseinrichtungen Weiterleiten von Informationen (physikalische) Medien resp. Übertragungskanäle Verbindung zwischen Endgeräten und Vermittlungseinrichtungen bzw. zwischen den Vermittlungseinrichtungen untereinander Notwendig: Internationale Standards Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 34 Standardisierung: Überblick Standardisierung des Fernmeldewesens Gremienarbeit mit gut strukturierten Lösungen, aber lange Time To Market Weltweit einheitlich über Fernmelde-Betriebsgesellschaften (Provider, auch PTT) Beispiele: Internet ITU (International Telecommunication Union) ETSI (European Telecommunication Standards Institute) Standards über Diskussionen zwischen den Vorschlagenden und der IETF (Internet Engineering Task Force) Beispielimplementierungen im Vordergrund, daher sehr schnelle Time To Market Herstellervereinigungen Ebenfalls realisierungsorientiert mit relativ schneller Time To Market Beispiele: Bluetooth SIG (Special Interest Group) ECMA (European Computer Manufacturers Association) Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 35 Fachgebiet Kommunikationsnetze 2

3 Standardisierung: Organisationen ITU CCITT CCIR CEPT ISO DIN International Telecommunication Union (ehemals CCITT und CCIR) Internationaler beratender Ausschuss für Telekommunikation Consultative Committee on International Telegraphy and Telephony Comité Consultatif International Télégraphique et Téléphonique Internationaler beratender Ausschuss für Telefon und Telegrafie ( ITU-T) Consultative Committee on International Radio Internationaler beratender Ausschuss für den Funkdienst ( ITU-R) Conférence Européenne des Administrations des Postes et des Télécommunications Konferenz der Europäischen Verwaltungen für das Post- und Fernmeldewesen International Organization for Standardization (ISO griech. gleich ) Internationale Organisation für Standardisierung Deutsches Institut für Normung ist deutscher Partner der ISO Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 36 Standardisierung: Beispiel ISO ISO Technical Committee (TC) SubCommittee (SC) Working Group (WG) WG-Meetings: alle 6-9 Monate Einverständnis aller nationaler Organisationen Standardisierungsprozess: DP: DIS: Draft Proposal Draft International Standard IS: International Standard Für das Erreichen der nächsten Stufe: internationale Abstimmung Einarbeitung der Kritik der Nein -Stimmen sehr langer Prozess Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 37 Fachgebiet Kommunikationsnetze 3

4 Standardisierung: Beispiel Internet Verantwortung bei der Internet Engineering Task Force (IETF) Steuerung der Diskussionen durch die Internet Engineering Steering Group (IESG) zwei mögliche Ergebnisse: RFC: Request for Comments = Standard FYI: For Your Information = informell/experimentell zwei interoperable, unabhängig voneinander entwickelte Implementierungen bereits ab Draft Standard vorhanden Vorschlag, Anregung Proposed Standard Draft Standard Full Standard Experimentell Informell Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 38 Standardisierung: RFC - Beispiele RFC 768 User Datagram Protocol (UDP) August 1980 RFC 791 Internet Protocol (IP) September 1981 RFC 792 Internet Control Message Protocol (ICMP) September 1981 RFC 793 Transmission Control Protocol (TCP) September 1981 RFC 959 File Transfer Protocol (FTP) Oktober 1985 RFC 2460 Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification Dezember 1998 RFC 3550 RFC 8145 RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications Signaling Trust Anchor Knowledge in DNS Security Extensions (DNSSEC) Juli 2003 April 2017 Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 39 Fachgebiet Kommunikationsnetze 4

5 Kommunikationsdienste Teleservice Bearer Service Netz Endgerät Endgerät Nutzer, Anwendung UNI User Network Interface Anwendungsschnittstelle Nutzer, Anwendung Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 40 Schlussfolgerungen für Endgeräte Die Telekommunikationstechnik benutzt Endgeräte zur Wandlung der Information in übertragbare Form Ein Endgerät stellt eine Benutzerschnittstelle bereit Informationen werden zwischen Endgeräten ausgetauscht Aufgabe der Informationsinfrastruktur (Netz) Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 41 Fachgebiet Kommunikationsnetze 5

6 Bereitstellung von Benutzerschnittstellen Unterscheidung von zwei Grundtypen: Anpassung der Technik an den Menschen Schnittstellen unterstützen natürliche Kommunikationsformen Typisch für moderne multimediale Anwendungen mit Sprach- und Bildkommunikation Anpassung des Menschen an die Technik Morse-Alphabet (Tastfunk, Telegrafie) Charakteristisch für spezielle Anforderungen oder Unzulänglichkeiten Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 42 Aufgaben von Kommunikationsnetzen Informationsübertragung Teilnehmer A Teilnehmer B Voraussetzungen für die Telekommunikation: Endgeräte zur Bereitstellung einer Kommunikationsschnittstelle Informationsübertragung zwischen Endgeräten Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 43 Fachgebiet Kommunikationsnetze 6

7 Telekommunikation Analoge Sprachkommunikation Digitale Informationsübertragung Teilnehmer A Teilnehmer B Voraussetzungen für Telekommunikation: Endgeräte zur Bereitstellung einer Kommunikationsschnittstelle Informationsübertragung zwischen Endgeräten Transparenz der Telekommunikation Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 44 Telekommunikationsnetze Grundanforderungen Temporäre Kommunikationsbeziehungen zwischen Teilnehmern auf Anforderung Für jeweils zwei Teilnehmer permanent vorgehaltener Kommunikationsweg nicht beherrschbare Zahl von Kommunikationswegen Bei voller Vermaschung von n Teilnehmern: ½ * n * (n-1) Verbindungen Keine Vermittlung, sondern Auswahl der korrekten Leitung im Endsystem Vollständig vermaschtes Netz aus vielen überlagerten Punkt-zu-Punkt-Verbindungen Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 45 Fachgebiet Kommunikationsnetze 7

8 Verbindungen in einem TK-Netz je Teilnehmer eine (temporäre) Verbindung zu jedem Kommunikationspartner Hinweis: Der Begriff der Verbindung wird in der Telekommunikation in vielfältiger und sehr unterschiedlicher Weise genutzt. Aufgaben, die mit einer Verbindung anfallen: Herstellen von Verbindungen durch Vermittlungsdienste netzinterne Überwachung von Verbindungseigenschaften durch Monitore TN A TN C TN Verbindung Teilnehmer TN B TN D Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 46 Aufgaben von Kommunikationsnetzen Übertragung von Informationen Vermittlung von Informationen Übermittlung von Informationen Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 47 Fachgebiet Kommunikationsnetze 8

9 Beziehung TK-Technik Anwendung Die Anwendung = spezifische Kommunikationsform stellt bestimmte Anforderungen an die TK-Technik: Geschwindigkeit = Information pro Zeit Verzögerung durch Speicherung, Dialog, Laufzeiten Richtung des Informationsaustausches (einfach-/doppelt-gerichtet) Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 48 Beziehung TK-Technik Anwendung Die Qualität der Anwendung wird durch die bereitgestellten Parameter der TK-Technik beeinflusst: Tonqualität, Bildschärfe Verzögerung, -schwankung Echtzeitpräsentation von Informationen Sicherheit Verfügbarkeit Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 49 Fachgebiet Kommunikationsnetze 9

10 Charakterisierung von Kommunikationsvorgängen Grundlegend kann ein Kommunikationsvorgang aufgrund folgender Kriterien charakterisiert werden: beteiligte Menschen bzw. Maschinen Menge der beteiligten Kommunikationspartner Übertragungsverfahren/Schnittstellen Nutzungsrichtung Auslieferungsdisziplin Qualität Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 50 Kommunikationsvorgänge gemäß den Beteiligten Mensch Mensch Mensch Maschine Maschine Maschine zurzeit überwiegend Kommunikationsformen, bei denen Menschen beteiligt sind zukünftig immer mehr Kommunikation von Maschinen untereinander Pervasive Computing Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 51 Fachgebiet Kommunikationsnetze 10

11 Mensch-Mensch-Kommunikation Telekommunikation von Individuen Telekommunikationstechnik zur Überbrückung der räumlichen Distanz zwischen Individuen üblicherweise Dialogkommunikation Beispiel: Telefonie (meistens ) Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 52 Maschine-Maschine-Kommunikation Verteilte Anwendungen Verteilte Informationsverarbeitung auf räumlich getrennten Rechnern Client-Server-Computing Beispiele: Prozessüberwachung Industrie 4.0 Smart Home, Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 53 Fachgebiet Kommunikationsnetze 11

12 Kommunikations- und Informationssysteme Informationssystem: Austausch von und Umgang mit Informationen Kommunikationssystem: ordnungsgemäße Abwicklung der Kommunikationsfunktionen innerhalb eines Informationssystems Informationssystem Verarbeitungsaufgabe Kommunikationssystem Kommunikationsaufgabe Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 54 Kommunikationsvorgänge Menge der beteiligten Kommunikationspartner Anzahl der Sender Anzahl der Empfänger Art der Kommunikation Beispiel 1 1 Unicast Vorlesung (?) 1 1 Dialog Telefonie 1 1 < n < all Multicast Pay TV 1 all Broadcast Radio/TV m > 1 1 Concast Tele-voting m > 1 n > 1 Multipeer Videokonferenz 1 n > 1 Anycast DHCP Communication Networks - 2. Fundamentals 55 Fachgebiet Kommunikationsnetze 12

13 Kommunikationsvorgänge Übertragungsverfahren bzw. Schnittstellen Serielle Übertragung Parallele Übertragung t 1 bit pro Zeitintervall, 1 Leitung bit pro Zeitintervall, 8 Leitungen Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 56 Kommunikationsvorgänge Nutzungsrichtung Simplex Duplex Halbduplex t t t t t t Rundfunk Feuermelder Buchung Sensoren Telefon Wechselsprechen Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 57 Fachgebiet Kommunikationsnetze 13

14 Kommunikationsvorgänge Auslieferungsdisziplin Reihenfolge der beim Empfänger ankommenden Daten in Bezug auf die Reihenfolge, wie sie abgeschickt wurden: treu zur Einlieferungsreihenfolge (FIFO) FIFO + priorisiert zufällig Teilnehmer A Teilnehmer B Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 58 Kommunikationsvorgänge Dienstgüte (Quality Of Service) Zuverlässigkeit: Dienstverfügbarkeit Übertragungsfehler Verbindungsabbruch Kosten: Investitionskosten Betriebskosten Schutz: Sicherung gegen Abhören Nachprüfbarkeit der Senderidentität Wahrung der Datenintegrität Technische Leistung: Signallaufzeit Antwortzeit Durchsatz Angemessenheit: Komplexität Skalierbarkeit Benutzerfreundlichkeit Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 59 Fachgebiet Kommunikationsnetze 14

15 Kommunikationsarchitekturen Kommunikationsarchitektur bietet: physikalische Konnektivität: Verbindung über Kupferkabel, Lichtwellenleiter, Luftschnittstelle,... Kommunikationsfunktionalität Steuerung des Ablaufs Adressierung der Kommunikationspartner Garantie einer geforderten Qualität Anpassung unterschiedlicher Formate Schnittstelle zu den Anwendungen geschichteter Aufbau, bei dem eine Schicht die Funktionalität der darunterliegenden benutzt, um ihre eigenen Funktionen zu realisieren Schnittstelle zu den Anwendungen Kommunikationsfunktionalität Schnittstelle zum phys. Medium Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 60 Übertragungskanal und Medium Sender Empfänger Zugangspunkt Zugangspunkt Übertragungskanal Medium Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 61 Fachgebiet Kommunikationsnetze 15

16 vertikale Kommunikation Übertragungskanal und Medium Broadcast Sender Empfänger Empfänger Empfänger... Übertragungskanal Medium Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 62 Anwendung horizontale Kommunikation Anwendung... Schnittstelle horizontale Kommunikation Zugangspunkt Schicht i... vertikale Kommunikation Geschichtetes Kommunikationssystem horizontale und vertikale Kommunikation abstraktes Medium abstraktes Medium für Schicht i physikalisches Medium Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 63 Fachgebiet Kommunikationsnetze 16

17 Dienst Dienst Dienst und Protokoll - Übersicht Instanzen der Schicht N Dienstnehmer 1 Dienstnehmer 2 Instanzen der Schicht N-1 Dienstgeber 1 Protokoll Dienstgeber 2 Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 64 Dienst und Protokoll Partnerinstanzen einer Schicht benutzen einen Dienst (außer unterste Schicht) bieten einen Dienst (außer oberste Schicht) brauchen nichts zu sehen/kennen außer direkt unterliegendem Dienst (Konzept der virtuellen Maschine ) unterhalten sich gemäß Regeln z. B. Telefon -Schicht: wählen/klingeln/besetzt bei Menschen häufig kontextsensitiv/implizit Kommunikationsarchitekturen basieren auf Dienst = (Kommunikations-) Dienst [(Communication) Service] Regeln = (Kommunikations-) Protokoll [(Communication) Protocol] Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 65 Fachgebiet Kommunikationsnetze 17

18 Zeit (t) Zeit (t) Beispiel Telefon Dienstnehmersicht (1) Teilnehmer A Abheben Wählton Wählen (aus Nummernspeicher) Freiton Ende Freiton Auflegen Telefondienst Nachrichtenaustausch Klingeln Abheben Belegtton Auflegen Teilnehmer B Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 66 Beispiel Telefon Dienstnehmersicht (2) Teilnehmer A Abheben Wählton Wählen (aus Nummernspeicher) Freiton Ende Freiton Auflegen Telefondienst Nachrichtenaustausch Klingeln Abheben Belegtton Auflegen Teilnehmer B Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 67 Fachgebiet Kommunikationsnetze 18

19 Zeit (t)... Signalisierung im analogen Fernsprechnetz Zugangspunkt Zugangspunkt Teilnehmer A Abheben Wählton Wählen Vermittlungsnetz Teilnehmer B (aus Nummernspeicher) Freiton Ende Freiton Auflegen Nachrichtenaustausch Klingeln Abheben Belegtton Auflegen Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 68 Begriffswelt Dienst Dienst einer Schicht Menge von Dienstfunktionen an der Dienstschnittstelle Dienstfunktion erbracht durch Datenaustausch zwischen (Partner-) Instanzen innerhalb der Schicht Protokoll Regeln und Formate für den Datenaustausch Dienstdefinition Spezifikation verfügbarer Dienstfunktionen und der Regeln für ihre Benutzung (in der darüber liegenden Schicht) Dienstprimitiv (Schnittstellenereignis) Anforderung oder Anzeige eines Dienstes beim Dienstnehmer Grundtypen eines Dienstprimitivs: Anforderung Anzeige Antwort Bestätigung (Req, Request) (Ind, Indication) (Rsp, Response) (Cnf, Confirmation) Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 69 Fachgebiet Kommunikationsnetze 19

20 Der Dienstbegriff Dienstschnittstelle D N Kommunikationsinstanz I N+1 1 Kommunikationsinstanz I N I N+1 n-1 Kommunikationsinstanz Kommunikationsinstanz I N+1 n Dienstzugangspunkt Abstraktes Medium M N Schnittstellenereignisse Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 70 Dienst der Schicht N: (N)-Dienst / (N)-Service Menge von Dienstfunktionen, welche die (N)-Schicht den (N+1)-Instanzen an der Schnittstelle zwischen der (N)- und (N+1)-Schicht anbietet (vertikale Kommunikation) Erbringen der Dienstfunktionen der (N)-Schicht durch Nachrichtenaustausch zwischen den Instanzen der (N)-Schicht (horizontale Kommunikation), wofür diese den Dienst der (N-1)-Schicht verwenden Art und Weise der Diensterbringung in der (N)-Schicht transparent für die (N+1)-Schicht Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 71 Fachgebiet Kommunikationsnetze 20

21 (N) - Dienstzugangspunkt / (N) - SAP Kommunikation von (N+1)-Instanz und (N)-Instanz über (N)-Dienstzugangspunkt [(N)-SAP, (N)-Service Access Point] Die (N)-Instanz bietet die von ihr erbrachten (N)-Dienstfunktionen der (N+1)-Instanz am (N)-SAP an Die (N)-Instanz benutzt die Dienstfunktionen, die ihr am (N-1)-SAP angeboten werden Beziehungen zwischen (N-1) - SAP, (N) - Instanz und (N) - SAP (N+1)-Instanz (N)-SAP (N)-Instanz (N-1)-SAP (N-1)-Instanz Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 72 Diensttypen Unbestätigter Dienst Bestätigter Dienst Beispiel Briefübermittlung Beispiel Buchung vom Dienstnehmer initiiert Request Anforderung Request Anforderung Indication Anzeige t Indication Anzeige t Confirmation Bestätigung t Response Antwort t vom Dienstgeber initiiert Anzeige Indication Anzeige Indication t t Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 73 Fachgebiet Kommunikationsnetze 21

22 Verbindungsaufbauantwort Verbindungsaufbau Datagramm-Kommunikation Verbindungslose Kommunikation (Connectionless Communication) kein Zusammenhang zwischen verschiedenen Dienstabwicklungen vom Dienst unterstützt keine Auslieferungsdisziplin: z.b. keine Garantie für Reihenfolgetreue unbestätigter Dienst Problem: ( ) Dienstanforderung Dienstanzeige t t Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 74 Verbindungsorientierte Kommunikation 3-Phasen-Prinzip 1. Verbindungsaufbau Kontexterzeugung Endsysteme Netz 2. Datenaustausch (hier: simplex) weniger Kontextinformationen zu übertragen 3. Verbindungsabbau Kontextfreigabe Ressourcenfreigabe Datenaustausch Verbindungsaufbauanforderung Verbindungsaufbauanzeige Verbindungsaufbaubestätigung Verbindungsabbauanzeige Verbindungsabbau Dienstanforderung Dienstanforderung Dienstanzeige Dienstanzeige Verbindungsabbauanforderung Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 75 Fachgebiet Kommunikationsnetze 22

23 (N) Verbindungsendpunkt [(N) Connection End Point (N)-CEP] Endpunkt einer Verbindung innerhalb eines (N)-SAP (N)-CEP (N)-SAP (N)-SAP (N)-Instanz (N)-Instanz Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 76 Dienstnehmer-Adressierung Datagramm Anforderung: Mit Adresse des Beantworters Anzeige: Gegebenenfalls mit Adresse des Initiators Verbindung Kontext, etabliert durch Verbindungsaufbau, beinhaltet Adressierungsinformation bei mehreren Verbindungen vom selben Dienstzugangspunkt: Verbindungsidentifikation Verbindungsendpunkt X Verbindung Y Dienstzugangspunkt Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 77 Fachgebiet Kommunikationsnetze 23

24 Dienstschnittstelle D N Dienstschnittstelle D N-1 Kommunikationsinstanz I N+1 k Kommunikationsinstanz I N m Abstraktes Medium M N Protokoll der Schicht N Abstraktes Medium M N-1 Kommunikationsinstanz I l N+1 Dienstzugangspunkt Kommunikationsinstanz I N n Diensterbringung: Protokollablauf Ziel: transparente Übertragung der Nutzdaten über abstraktes Medium = darunterliegende Schicht Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 78 Protokoll: Modelle Schnittstellenprotokoll Dienstschnittstelle D N Medium M N Schichtenprotokoll = Telekommunikationsprotokoll der Schicht N Medium M N-1 Dienstschnittstelle D N-1 Überbrückung funktionaler und qualitativer Unterschiede zwischen D N-1 und D N Art und Weise der Erbringung der Dienste D N durch Instanzen I N auf Basis der Dienste D N-1 nebenläufiger Algorithmus verteilter Algorithmus, wobei Dienste D N-1 das Zusammenwirken der I N -Instanzen ermöglichen Berücksichtigung der Auswirkungen von Störungen in D N-1 Beschreibung: i. Allg. nur 2 Instanzen Beschreibungsmethoden: Automatenmodell, Weg-Zeit-Diagramm Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 79 Fachgebiet Kommunikationsnetze 24

25 Protokollfunktionen Protokollfunktion = abgeschlossene Teilfunktion innerhalb des Protokollablaufs: generischer Charakter (ähnlich 'Systemfunktion') in verschiedenen Kommunikationsarchitekturen verwendet oft in mehreren Protokollen/Schichten einer Kommunikationsarchitektur anzutreffen (Mehrfach-)Kapselung/Entkapselung Segmentieren/Reassemblieren Verbindungsverwaltung Routing (Wegewahl, Weiterleiten) Lastkontrolle Fehlererkennung und -behandlung Sicherung (ggf. fehlererkennend) Sequenzüberwachung Quittierung (Acknowledgement) Zeitüberwachung (Timeout) Wiederholen; Rücksetzen Multiplexen/Demultiplexen Bündeln von Verbindungen Teilung/Vereinigung Blocken/Entblocken Verkettung/Trennung Medienzuteilung für geteilte Medien Synchronisation Adressierung Datentransfer Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 80 Protokollfunktionen Kapselung Instanz I N+1 k Instanz I N+1 l Information Information Kapselung (Encapsulation) Instanz I N m Abstraktes Medium M N Protokoll der Schicht N Instanz I N n Entkapselung (Decapsulation) Information Information Abstraktes Medium M N-1 Communication Networks - 2. Fundamentals 81 Fachgebiet Kommunikationsnetze 25

26 Protokollfunktionen Segmentieren/Reassemblieren Instanz I N+1 k Instanz I N+1 l Information Information Instanz I N m Abstraktes Medium M N Protokoll der Schicht N Instanz I N n Abstraktes Medium M N-1 Communication Networks - 2. Fundamentals 82 Protokollfunktionen Verbindungsmanagement Verbindungsaufbau Verbindungsüberwachung Verbindungsabbau Behandlung von Verbindungsabbrüchen Behandlung von verwaisten Verbindungen weitere Aufgaben in Zusammenhang mit dem Verbindungsmanagement: Adressierung Adressabbildung Communication Networks - 2. Fundamentals 83 Fachgebiet Kommunikationsnetze 26

27 Protokollfunktionen Wegewahl (Routing) Auswahl der besten ausgehenden Leitung verschiedene Kriterien Kosten Übertragungsgeschwindigkeit Verfügbarkeit/Zuverlässigkeit Verzögerung/Anzahl der Zwischenknoten (Hops) Auslastung dynamische Anpassung an die aktuelle Netzauslastung je nach Weiterleitungsmechanismus Erzeugung von Duplikaten Fluten (Flooding) Gruppenkommunikation (Multicasting) Communication Networks - 2. Fundamentals 84 Protokollfunktionen Datentransfer gewünscht: geordnete Auslieferung der Daten Ankunft der Daten in der Sendereihenfolge ansonsten Umsortieren der Daten nach dem Empfang notwendig gewünscht: verschiedene Prioritäten normale Daten versus Vorrangdaten Umordnung der Reihenfolge vor dem Senden möglich kein Überholen von wichtigen Daten durch später gesendete Communication Networks - 2. Fundamentals 85 Fachgebiet Kommunikationsnetze 27

28 Protokollfunktionen Lastkontrolle auf Endgeräten Lastkontrolle im Netz Flusssteuerung reaktiv Überwachung der Netzbelastung präventiv Staukontrolle Verkehrskontrolle Communication Networks - 2. Fundamentals 86 Protokollfunktionen Fehlererkennung und -behebung Fehlererkennung Hinzufügen von Redundanz Parität Prüfsumme Versenden von Bestätigungen nach jedem erfolgreichen Empfang (Stop & Wait) akkumuliert (kreditbasiert) Zeitüberwachung (Timeout) Nummerierung der Pakete Überwachung der empfangenen Sequenz Fehlerbehebung Ausnutzen von Redundanz Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction, FEC) Übertragungswiederholung nach Ausbleiben der Bestätigung selektiv beginnend mit dem ersten verlorengegangenen Paket (Go-back-n) Zurücksetzen der Verbindung (Reset) Communication Networks - 2. Fundamentals 87 Fachgebiet Kommunikationsnetze 28

29 Protokollfunktionen Multiplexen/Bündeln Multiplexen Mehrfachnutzung einer Instanz durch mehrere Instanzen der darüber liegenden Schicht Bündeln Gleichzeitige Nutzung mehrerer Instanzen der darunterliegenden Schicht (z. B. mehrerer physikalischer Medien) Dienstnehmer 1 Dienstnehmer 2 Dienstnehmer 1 Instanz Instanz Medium Medium 1 Medium 2 Communication Networks - 2. Fundamentals 88 Protokollfunktionen Medienzugriff geregelter Medienzugriff mit zentraler Steuerung ohne zentrale Steuerung (z.b. über Berechtigungsmarken, Token) kollisionsfrei Teil der Bandbreite des Mediums eventuell ungenutzt willkürlicher Medienzugriff keine zentrale Steuerung jedes Endgerät entscheidet selbst, wann es sendet Kollisionen möglich hybrider Medienzugriff Communication Networks - 2. Fundamentals 89 Fachgebiet Kommunikationsnetze 29

30 Protokollfunktionen Synchronisation auf Signalebene Takt, Abtastung, für den Medienzugriff Zeitschlitze, bei der Übertragung Erkennung von Anfang und Ende (bei Bits, Bytes, Rahmen, Paketen, ) für das Verbindungsmanagement Verbindungsauf- und -abbau während des Datenaustausches Fortschritt der Datenaustausches für den Fall eines Neustarts der Verbindung Communication Networks - 2. Fundamentals 90 Das ISO/OSI-Basisreferenzmodell Ziel: Internationale Standardisierung (International Organization for Standardization, ISO) von Diensten und Protokollen zur Realisierung sogenannter Offener Systeme (Open System Interconnection, OSI) Grundlage zur Kommunikation von Systemen unterschiedlicher Hersteller wichtig: Das Basisreferenzmodell dient als Denkmodell, anhand dessen sich Kommunikationssysteme erklären und klassifizieren lassen. anfangs Implementierung des Modells vor allem in öffentlichen Netzen in Europa (jetzt Verdrängung durch Internet-Protokolle) Standard: ISO/IEC IS 7498: Information Processing Systems - Open Systems Interconnection - Basic Reference Model, Internationaler Standard,15. Oktober 1994 Übernommen von der CCITT bzw. ITU-T in der Norm X.200 Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 91 Fachgebiet Kommunikationsnetze 30

31 Prinzipien des ISO/OSI-Basisreferenzmodells OSI-Endsystem: Kommunikationssystem gemäß den OSI-Standards (N)-Schicht (Layer): sämtliche Einheiten einer (N)-Hierarchiestufe in allen Kommunikationssystemen (N) - Instanz (Entity): Implementierung eines lokalen Teils eines (N) - Dienstes in einem Kommunikationssystem mehrere Typen von (N)-Instanzen möglich ((N)-Instanz-Typen), die z. B. verschiedene Protokolle für eine Schicht implementieren Kopie einer (N)-Instanz = Vorkommnis der (N)-Instanz Partnerinstanzen (Peer-Entities): Instanzen einer Schicht, die Funktionen eines Dienstes durch Datenaustausch erfüllen Kommunikationssystem Kommunikationssystem (N) - Instanz (N) - Schicht (N) - Instanz Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 92 Verbindung und Assoziation (N)-Verbindung (Connection) Beziehung zwischen zwei (oder mehr) (N+1)-Instanz-Vorkommnissen auf Ebene der (N)-Schicht, realisiert mit Hilfe des (N)-Protokolls (N+1)-Assoziation (Association) Kooperative Beziehungen zwischen zwei (N+1)-Instanz-Vorkommnissen, incl. Verwaltung von Zustandsinformationen (N+1)-Assoziation wird durch (eventuell zeitlich aufeinander folgende verschiedene) (N)-Verbindungen (oder (N)-verbindungslosen Dienst) unterstützt (N+1)-Instanz- Vorkommnis (N)-Instanz- Vorkommnis (N+1) - Assoziation (N) - Verbindung (N+1)-Instanz- Vorkommnis (N)-Instanz- Vorkommnis Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 93 Fachgebiet Kommunikationsnetze 31

32 Generische OSI-Kommunikationseinheiten (N+1)-Schicht (N)-Schicht (N)-PCI (N)-SDU SAP (N)-IDU (N)-ICI (N)-PDU (N )-PCI (N)-SDU (N-1)-ICI (N-1)-Schicht SAP (N-1)-IDU (N-1)-SDU (N-1)-ICI Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 94 OSI-Kommunikationseinheiten Beschreibung (N)-Schnittstellendateneinheiten Interface Data Unit, IDU Zwischen (N+1)- und (N)-Instanzen über einen (N)-SAP ausgetauschte Dateneinheit setzt sich zusammen aus (N)-ICI und (N)-SDU (N)-Schnittstellenkontrollinformation Interface Control Information, ICI zwischen (N)-Schicht und (N+1)-Schicht ausgetauschte Parameter zur Steuerung von Dienstfunktionen (z. B. Adressen) (N)-Dienstdateneinheiten Service Data Unit, SDU Daten, die transparent zwischen (N)-SAPs übertragen werden (N)-Protokollkontrolldaten Protocol Control Information, PCI Daten, die zwischen (N)-Instanzen ausgetauscht werden, um die Ausführung von Operationen zu steuern (z. B. Folgenummern o.ä.). (N)-Protokolldateneinheit Protocol Data Unit, PDU Dateneinheit, die zwischen (N)-Instanzen unter Benutzung eines Dienstes der (N-1)-Schicht ausgetauscht wird setzt sich zusammen aus (N)-PCI und (N)-SDU entspricht somit der (N-1)-SDU Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 95 Fachgebiet Kommunikationsnetze 32

33 Kommunikation innerhalb und zwischen OSI-Systemen (N+1)-Schicht (N)-Dienste (N)-IDU (N)-IDU (N)-Dienste (N)-Instanz Protokoll (N)-PDU (N)-Instanz (N-1)-Dienste (N-1)-IDU (N-1)-IDU (N-1)-Dienste (N-1)-Schicht Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 96 Die OSI-Schichten im Überblick Anwendungsschicht Darstellungsschicht Kommunikationssteuerungsschicht Transportschicht Vermittlungsschicht Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Schicht 7 (A - Schicht) Schicht 6 (P - Schicht) Schicht 5 (S - Schicht) Schicht 4 (T - Schicht) Schicht 3 (N - Schicht) Schicht 2 (DL - Schicht) Schicht 1 (Phy - Schicht) Application Layer Presentation Layer Session Layer Transport Layer Network Layer Data Link Layer Physical Layer Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 97 Fachgebiet Kommunikationsnetze 33

34 Datenaustausch Bezeichnungskonventionen (N)-Schicht A P S T N - Schicht: Anwendungsschicht (Application Layer) - Schicht: Darstellungsschicht (Presentation Layer) - Schicht: Kommunikationssteuerungsschicht (Session Layer) - Schicht: Transportschicht (Transport Layer) - Schicht: Vermittlungsschicht (Network Layer) DL - Schicht: Sicherungsschicht (Data Link Layer) Phy- Schicht: Bitübertragungsschicht (Physical Layer) (N)-Dienstprimitive Ph DL N T... -Connect -Data -Disconnect -Abort -... (N)-Dienst.typ.Req (Request, Anforderung).Ind (Indication, Anzeige).Rsp (Response, Antwort).Cnf (Confirmation, Bestätigung) Benennung der Dienstprimitive in der A-Schicht gemäß ihres Application Service Elements (ASE) Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 98 Bezeichnungskonventionen am Beispiel DL-Connect.Req DL-Connect.Ind DL- Connect.Cnf DL-Data.Req DL-Data.Req DL-Connect.Rsp DL-Data.Ind DL-Data.Ind Verbindungsabbau Verbindungsaufbau DL- Disconnect.Req DL-Disconnect.Ind Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 99 Fachgebiet Kommunikationsnetze 34

35 Bitübertragungsschicht und Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht (Schicht 1) ungesicherte Verbindung zwischen Systemen Übertragung unstrukturierter Bitfolgen über physikalisches Medium umfasst u.a. physikalischen Anschluss, Umsetzung Daten Signale Normung der physikalischen Schnittstelle zwischen Rechner und Medium Sicherungsschicht (Schicht 2) gesicherter Datentransfer Zerlegung des Bitstroms (Schicht 1) in Rahmen (Frames) Fehlererkennung und -behandlung Protokollfunktionen: Quittierung, Zeit-/Sequenzüberwachung, Wiederholen/Rücksetzen Schicht 2 Schicht 1 Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 100 Daten und Signale ungesicherte Daten gesicherte Daten Signale fehlerbereinigte Daten u.u. fehlerbehaftete Daten Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht u.u. gestörte Signale Störanfälliges Medium Übertragungskanal Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 101 Fachgebiet Kommunikationsnetze 35

36 Vermittlungsschicht und Transportschicht Vermittlungsschicht (Schicht 3, auch 'Netzwerkschicht') verknüpft Teilstreckenverbindung zu Endsystemverbindungen Wegewahl (Routing) bei Vermittlung, Staukontrolle evtl. aufgeteilt in 'Internetzwerk-/Subnetz-/ Routing-'Subschichten verbindungslos oder -orientiert Endsystem Zwischensystem Transportschicht (Schicht 4) Adressierung von Transportdienstbenutzern Datentransfer zwischen Benutzern in Endsystemen bietet Transparenz bzgl. Übertragungs- und Vermittlungstechnik, Subnetzen verbindungsorientiert oder -los Endsystem Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 102 Anwendungsorientierte Schichten Kommunikationssteuerungsschicht (Schicht 5) Ablaufsteuerung und -koordinierung (Synchronisation im weitesten Sinne) Sitzung (Session) zur Strukturierung ergibt erst Sinn bei Verwendung durch den Benutzer Darstellungsschicht (Schicht 6) behandelt die Darstellung von Informationen (Syntax) für den Datentransfer Anwendungsschicht (Schicht 7) macht dem OSI-Benutzer Dienste verfügbar stellt verschiedene Dienste zur Verfügung, je nach Anwendung, z. B. Dateitransfer zuverlässiger Nachrichtenaustausch entfernter Prozeduraufruf Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 103 Fachgebiet Kommunikationsnetze 36

37 Senden Empfangen OSI: Die 7 Schichten Schicht 7 Schicht 6 Schicht 5 Schicht 4 Endsystem Vermittlungsnetz Anwendungsschicht Darstellungsschicht Kommunikationssteuerungsschicht Transportschicht Endsystem Schicht 7 Schicht 6 Schicht 5 Schicht 4 Schicht 3 Vermittlungsschicht Schicht 3 Vermittlungsschicht Schicht 3 Schicht 2 Sicherungsschicht Schicht 2 Schicht 2 Sicherungsschicht Schicht 2 Schicht 1 Bitübertragungsschicht Schicht 1 Schicht 1 Bitübertragungsschicht Schicht 1 Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 104 Einkapselung von Daten AH Application Header PH Presentation Header SH Session Header TH Transport Header NH Network Header DLH Data Link Header DLT Data Link Trailer Daten AH Daten Anwendungsschicht Anwendungsschicht PH Dateneinheit Darstellungsschicht Darstellungsschicht Kommunikationssteuerungsschicht SH Dateneinheit Kommunikationssteuerungsschicht Transportschicht TH Dateneinheit Transportschicht Vermittlungsschicht NH Dateneinheit Vermittlungsschicht Sicherungsschicht DLH Dateneinheit DLT Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Bits Bitübertragungsschicht Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 105 Fachgebiet Kommunikationsnetze 37

38 Die Internet-Protokollhierarchie Application Layer Transport Layer Network Layer Anwendungsspezifische Funktionen zusammengefasst in Anwendungsprotokollen Ende-zu-Ende-Datenübertragung zwischen zwei Rechnern Wegewahl im Netz auch Internet Layer genannt Network-to-Host Schnittstelle zum physikalischen Medium Netzwerkkarte Gegenüber ISO/OSI wurden die drei anwendungsorientierten Schichten sowie die unteren beiden zu jeweils einer einzigen Schicht zusammengefasst. Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 106 Das 3-Komponentenmodell Anwendungsbezogene Komponente Transportorientierte Komponente entspricht OSI-Schichten 5-7 entspricht OSI-Schichten 2b (LLC) - 4 Netzbezogene Komponente entspricht OSI-Schichten 1 und MAC-Teil von Schicht 2 Reduktion des Verarbeitungsaufwandes durch Minimierung der Schichten und Vermeidung von redundanter Funktionalität mit der Ausrichtung auf Hochleistungskommunikation Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 107 Fachgebiet Kommunikationsnetze 38

39 Literatur Abeck, Sebastian ; Lockemann, Peter C. ; Schiller, Jochen ; Seitz, Jochen: Verteilte Informationssysteme. Integration von Datenübertragungstechnik und Datenbanktechnik. Heidelberg : dpunkt.verlag, Halsall, Fred: Data Communications, Computer Networks, and Open Systems. 4th edition. Harlow, England; Reading, Massachusetts; Menlo Park, California : Addison-Wesley, Krüger, Gerhard ; Reschke, Dietrich: Lehr- und Übungsbuch Telematik. Netze Dienste Protokolle. 3., aktualiserte Auflage. München; Wien : Fachbuchverlag Leipzig im Carl-Hanser-Verlag, Peterson, Larry L. ; Davie, Bruce S.: Computer Networks. A Systems Approach. 5th edition. Burlington, MA : Morgan Kaufmann, Seitz, Jochen ; Debes, Maik: Kommunikationsnetze. Eine umfassende Einführung. Anwendungen Dienste Protokolle. Ilmenau : Unicopy Campus Edition, Seitz, Jochen ; Debes, Maik ; Heubach, Michael ; Tosse, Ralf: Digitale Sprach- und Datenkommunikation. Netze Protokolle Vermittlung. München; Wien : Fachbuchverlag Leipzig im Carl-Hanser-Verlag, Tanenbaum, Andrew S.: Computernetzwerke. 5. Auflage. München : Pearson Studium, Kommunikationsnetze (MT) - 2. Prinzipien und Definitionen 108 Fachgebiet Kommunikationsnetze 39