Datenkommunikation II

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1 Datenkommunikation II Lehrstuhl für Informatik IV RWTH Aachen Prof. Dr. Otto Spaniol Dipl.-Inform. Dirk Thißen Vorlesungsbegleitende Übungen 7. November 2001 Alle 14 Tage 21. November 2001 Mittwoch Uhr 5. Dezember 2001 Hörsaal AH V, RWTH Aachen 19. Dezember 2001 Frontalübung 15. Januar Januar 2002 Unterlagen (Folienkopien) Im Netz unter Klausur Am Ende des Semesters Ansprechpartner Organisatorisches Dipl.-Inform. Dirk Thißen Lehrstuhl für Informatik IV, Raum 6006 (Gebäude E2) Telefon: 0241 / thissen@informatik.rwth-aachen.de 1

2 Einordnung der Vorlesung Voraussetzungen: Datenkommunikation I (kurze Wiederholung) Folgeveranstaltungen: Seminar Datenkommunikation und Verteilte Systeme Spezial vorlesungen des Lehrstuhls Multimedia-Kommunikation Sicherheit in Kommunikationsnetzen (Security Engineering) Lokale Netze Telekommunikationssysteme Verteilte Systeme Praktika im Bereich Kommunikationssysteme Diplomarbeiten am Lehrstuhl Struktur der Vorlesung Datenkommunikation I Überblick über Netze Das OSI-Schichtenmodell Kommunikationsprotokolle (TCP/IP) Datenkommunikation II Anwendungsprotokolle Beispiele für Netze (Lokale Netze, ISDN, B-ISDN, ATM) Diese Vorlesung Überblick über Netze OSI-Schichtenmodell (inkl. Anwendungsprotokolle) Beispiele für Netze Kommunikationsprotokolle für spezielle Anwendungsbereiche Kommunikation in Verteilten Systemen 2

3 Inhalte der Datenkommunikation Als Datenkommunikation bezeichnet man den (weltweiten) Austausch von Daten zwischen Rechnern. Folglich müssen bei der Datenkommunikation zwei Aspekte betrachtet werden: Rechnernetze Wie werden Rechner miteinander verbunden? Welche Medien können zur Übertragung verwendet werden? Kommunikationsprotokolle Wie lässt sich der Datenaustausch einheitlich regeln? Wie erreicht man eine zuverlässige, effiziente Übertragung? Kommunikationsnetze Frühe Kommunikationsnetze wurden überwiegend oder ausschließlich für Sprache eingesetzt (Telefon) Im Lauf der Zeit kamen zunehmend Anwendungen der Datenkommunikation hinzu. Die Charakteristika von Sprach- und Datenkommunikation sind aber sehr unterschiedlich (was gerade bei der Integration beider Verkehrsarten Probleme bereitet) Sprachkommunikation Niedrige Dienstgüteanforderungen Geringe Bandbreite (64kBit/s) Vergleichsweise geringe Anforderungen bzgl. Sicherheit Datenkommunikation Kommunikation vorwiegend zwischen Rechnern Viele unterschiedliche Datenarten (Dateien, Software, Videos,...) Unterschiedliche Dienstgüteanforderungen Stark schwankende Datenraten ( bursty traffic ) z.t. extrem hohe Sicherheitsanforderungen. 3

4 Datenkommunikation Die treibende Kraft für die enorm wachsende Bedeutung der Datenkommunikation: Ständig sinkende Kosten für Hardware..... bei gleichzeitig steigender Rechnerleistung Beispiel und Vergleich: Ein PC kostet heute weniger als DM 2.000,-- Er ist leistungsstärker als ein zehn Jahre alter Großrechner Er enthält mehr als 100 Millionen Transistoren Eine vergleichbar große Zahl anderer Bauteile wäre unbezahlbar, z.b. würden 100 Millionen Blatt Papier über DM 100,000,-- kosten. Rechenleistung ist fast zum Nulltarif erhältlich Anwendungen Dateiübertragung Sprache Bildverarbeitung Multimedia-Authoring Videokonferenzen Hochleistungsrechnen (sogen. grand challenge -Probleme)... Steigende Systemvielfalt Steigende Zahl von Anwendungen und von Anwendern Überall im Einsatz: in Büros, in Fabriken, zuhause,... 4

5 Kostenaspekt Gemeinsame Nutzung von Betriebsmitteln spart Kosten: Durch Kommunikation kann man auf fremde Ressourcen zurückgreifen und diese insgesamt kostengünstiger nutzen Erforderlich dazu: Effiziente Methoden zum Datenaustausch zwischen Komponenten eines verteilten Systems Verfahren zur effizienten Zusammenarbeit (CSCW = Computer Supported Cooperative Work) Absprachen zur gemeinsamen Nutzung von Geräten, die von einer einzelne Institution nicht ausgelastet werden können und zu teuer sind. Beispiel für ein Zusammenspiel mehrerer Partner: Client/Server-Prinzip Das Client/Server-Prinzip Client A Client B Server Clientprozess Serverprozess Antwort Anfrage Rechnernetz Vorteile Kostenersparnis bessere Ressourcenauslastung stufenweise Ausbaubarkeit Zuverlässigkeit durch Redundanz Daten: mehrere Kopien 5

6 Nicht-technische Aspekte Kommunikationsnetze machen Informationsaustausch und -verteilung erheblich schneller und preiswerter. Sie haben aber auch eine Vielzahl von sozialen, ethischen, kulturellen, juristischen,... Seiteneffekten. Eventuell fragwürdige oder unzulässige Inhalte Verantwortlichkeit Juristische Aspekte (Gesetzgebung) Mögliche Zensur? Kontrolle der Arbeitsleistung von Beschäftigten, des Aufenthaltsorts von Bürgern,... Belästigung durch anonyme Nachrichten... Rechnernetze 6

7 Klassifikation von Netzen Klassifikation nach Ausdehnung m 100 m Lokal Area Network (LAN) 1 km 10 km Metropolitan Area Network (MAN) 100 km 1000 km Wide Area Network (WAN) km... und leider auch nach Kapazität. Generell haben kleine Netze eine höhere Übertragungskapazität als große. Allerdings findet eine ständige Erhöhung statt. Begriffe: Routing Je nach Netztyp ist eine Wegwahl erforderlich. Diese erfolgt durch sogenannte Router.? Backbone Anbindung über Router Router Verkehrstrennung Wegwahl erforderlich ( Intelligenz in den Routern) Nachrichten, deren Empfänger im eigenen lokalen Netz liegt, werden nicht über den Backbone weitergeleitet Nachrichten, deren Empfänger in einem anderen Netz liegt, werden über den Backbone gezielt an das andere Netz weitergeleitet höhere Sicherheit 7

8 Eigenschaften der Übertragung Eigenschaften der Übertragung: unidirektional/bidirektional Punkt-zu-Punkt/Multicast/Broadcast Point-to-Point (Punkt-zu-Punkt) ein Paar von Rechnern kommuniziert (oft verschiedene Wege und daher Wegwahl durchführen/routing) Adressierung des Kommunikationspartners Broadcast-Netz einer-an-alle (Bsp.: Rundfunk, Fernsehen) Daten in Pakete mit Zieladresse verpacken nur die gewünschten Empfänger extrahieren die Daten und verarbeiten sie Multicast-Netz Vergabe von Gruppenadressen Local Area Networks Kommunikationsinfrastruktur für einen begrenzten geographischen Bereich (10m - wenige km) Üblicherweise im Besitz einer einzigen Organisation Im Vergleich zu Wide Area Networks hohe Kapazität (z.zt. bis 1,000 Mbit/s) Einfache Verbindungsstruktur ( Simple is beautiful ) Wichtigste Topologien: Bus Stern Baum Ring Vermaschtes Netz LAN 8

9 LANs: Der Bus B Abschlusswiderstand Beispiel: Ethernet Ω A Bus Broadcast-Netz - (+) Passive Ankopplung der Stationen - Begrenzung der Ausdehnung und der Zahl anzuschließender Stationen + Einfach, preiswert, einfacher Anschluß neuer + Kein Routing notwendig + Der Ausfall eines s ist kein Problem LANs: Der Stern Stern Ausgezeichneter Rechner als zentrale Station Zentraler Rechner aufwendiger zentraler (Switch) Verwundbarkeit durch zentralen (Redundanz möglich) + Eindeutiger Pfad, kein Routing + N Verbindungen bei N (Komplexität O(N)) + Einfacher Anschluß neuer 9

10 LANs: Der Baum A Abteilung 1 Abteilung 2 C B Repeater Router Backbone Baum Verzweigungselemente können aktiv (Router) oder passiv (Repeater) sein Topologie: Zusammenschluß mehrerer Busse (oder Sterne) + Überbrückung größerer Strecken + gute Anpassung an vorgegebene geographische Gegebenheiten + Minimierung der erforderlichen Kabellänge LANs: Der Ring Ring Broadcast-Netz Aktive : Nachrichten werden in den Konten regeneriert Ausfall bei Unterbrechung einer Verbindung Ausfall eines s (Bypass als Abhilfe) + große Ausdehnung möglich + einfaches Einfügen neuer + Bei N nur N Verbindungen (Komplexität O(N)) 10

11 LANs: Vollvermaschung Vollvermaschtes Netz Point-to-Point-Verbindungen zwischen allen N( N 1) Für N Verbindungen sind 2 nötig (Komplexität O(N²)) Der Anschluss eines neuen s ist sehr aufwendig + Keine Wegwahl (Routing) + Redundante Pfade + Maximale Verbindungssicherheit bei Integration eines Routings Teilvermaschung: kostengünstiger, aber Routing, Flow Control und Congestion Control werden nötig (Weitverkehrsnetze) LANs: Beispiele Arcnet (4 Mbit/s) - Koaxkabel - stern- oder busförmig, bis 50m Ethernet (IEEE 802.3, 10 MBit/s) - das mit Abstand weitverbreitetste Netz - erhältlich in einer Unzahl von Varianten Token Ring (IEEE 802.5, 4/16 Mbit/s) - lange Zeit der Konkurrent von Ethernet - erweitert zu FDDI (Fiber distributed Data Interface) Fast-Ethernet (IEEE 802.3a, 100 Mbit/s) - Erweiterung von Ethernet für kleinere Distanzen Gigabit-Ethernet (IEEE 802.3ab, 1,000 Mbit/s) - das zur Zeit meistdiskutierte Konzept; (dürfte den Kampf gegen ATM im Nahbereich gewinnen!) 11

12 Metropolitan Area Network (MAN) Metropolitan Area Networks Überbrücken größere Distanzen als ein LAN, Einsatz z.b. im Stadtbereich. MAN Beispiel: Distributed Queue Dual Bus (DQDB, IEEE 802.6) Ausdehnung bis 100 km durchaus zulässig. Bus A Fließbandprinzip; Slots fester Länge für Übertragungen von links nach rechts Angeschlossene Station (mehrere Businterfaces sind notwendig) N Head-End (erzeugt Sende- Berechtigungsslots) Bus B Sendeberechtigungs-Slots für Übertragungen von rechts nach links Wide Area Network (WAN) Wide Area Networks Überbrückung beliebig großer Distanzen. Topologie fast immer irregulär, weil bedarfsorientiert. Meist recht komplexe Zusammenschaltung von Teilnetzen, die im Besitz von unterschiedlichen Betreiber sind. Geringere Datenraten als bei LAN, aber deutliche Steigerung (Beispiel ATM: 622 Mbit/s). Subnet Router LAN Host 12

13 Infrastruktur Kupferdoppelader Satellitenverbindung Innenleiter Abschirmung Koaxialkabel innere Isolierung äußere Isolierung Glasfaser Kern Funkstrecken Glas Kunststoff Kommunikationsprotokolle 13

14 Kommunikationsmodi Verbindungslose Kommunikation (z.b. Local Area Network): Daten werden durch den Transport von Paketen fester Länge übertragen, Senden erfolgt spontan ohne Reservierungen, dabei werden Absenderund Zieladresse angegeben Verbindungsorientierte Kommunikation (z.b. Telefon) - sog. Vermittlungsnetze: Verbindungsaufbau: - Auswahl des Kommunikationspartners bzw. des Endgeräts, - Überprüfen der Kommunikationsbereitschaft, - Herstellen der Verbindung Nachrichtenübertragung: Informationsaustausch zwischen den Partnern Verbindungsabbau: Freigabe der Endgeräte und Übertragungskanäle Verbindungslose Kommunikation Rechner A Rechner B Rechner C Nachricht wird in Pakete zerlegt Stichwort: Paketvermittlung Zugriff ist immer möglich, Geringe Störanfälligkeit Nachrichtenvermittlung: Es existieren alternative Pfade für die Pakete keine Zerlegung der Nachricht zusätzlicher Aufwand in den Zwischenknoten 14

15 Rechner A Verbindungsorientierte Kommunikation Rechner B Rechner C Stichwort: Leitungsvermittlung Einfache Kommunikationsmethode Fester Weg zwischen den Teilnehmern Vermittlungsknoten schalten die Leitungen durch Paketvermittlung Exklusive Nutzung der Leitung (Telefon) oder virtuelle Verbindung Warum Protokolle? Um eine Kommunikation durchzuführen, müssen die Kommunikationspartner die gleiche Sprache sprechen. Übertragungsrichtung Prioritäten Fehlerüberwachung Reihenfolgeüberwachung Flußkontrollmechanismen Segmentierung und Zusammensetzen von Nachrichten Multiplexing Routing Ein Protokoll ist definiert als die Gesamtheit aller Vereinbarungen zwischen Anwendungsprozessen zum Zweck einer gemeinsamen Kommunikation 15

16 Standardisierung Unabdingbar für den flächendeckenden praktischen Einsatz von Kommunikationssystemen: Auf nationaler ebenso wie auf internationaler Ebene! Erfolgreiche Standardisierung ist sehr schwierig, weil: komplizierte technische Probleme zu lösen sind die beteiligten Partner, z.b. Firmen, z.t. eher gegeneinander als miteinander arbeiten der Meinungsaustausch durch Vertraulichkeitsrestriktionen erschwert wird Konsequenz: Standardisierung erfolgt sehr langsam (aus vielen, meist nicht-technischen, Gründen). Standardisierungsgremien - Auswahl International Telecommunication Union - ITU Sitz in Genf hat bisher mehr als 1,000 Standards verabschiedet ITU-R: Radio Communication Sector (ex: International Consultative Committee for Radio - CCIR) ITU-T: Telecommunications Sector (ex: International Consultative Committee for Telephone and Telegraph - CCITT) European Telecommunication Standardization Institute - ETSI Z.B. verantwortlich für den GSM-Standard; GSM = Groupe Spéciale Mobile. Heutiger Standard für Mobilfunksysteme 16

17 Standardisierungsgremien - Auswahl American National Standards Institute - ANSI Freiwillige Industriekonsortien Institute of Electrical and Electronic Engineers - IEEE Verantwortlich z.b. für die IEEE 802.X-Standards für Lokale Netze Solche Konsortien arbeiten meist schneller und sind häufig erfolgreicher als bürokratische Organisationen (siehe schnelle Verbreitung von Fast Ethernet, JAVA etc.) Internet Engineering Task Force Standardisierungsgremien - Auswahl International Standards Organization - ISO Organisation, die auf freiwilliger Basis arbeitet (seit 1946). Mitglieder: Standardisierungsorganisationen von ca. 90 Ländern. Beschäftigt sich mit einem sehr weiten Spektrum von Standards Hat 200 Technical Committees (TC) mit spezifischen Aufgaben (z.b. TC97 für Computer und Informationsverarbeitung). TC haben Subkomitees, die wiederum in Arbeitsgruppen unterteilt sind. Zusammenarbeit mit ITU-T bzgl. Telekommunikationsstandards, (ISO ist Mitglied von ITU-T). Bahnbrechende Leistung von ISO bzgl. Datenkommunikation: Das ISO-OSI-Referenzmodell. Bahnbrechend bzgl. des Konzepts, nicht wegen der daraus entstandenen Produkte! 17

18 Das ISO-OSI-Referenzmodell OSI: Open Systems Interconnection Bewältigung der Komplexität einer Kommunikation (also der Einzelheiten, auf die man achten muß) durch Schichten. 7 Schichten (Ebenen, Layer) 7 Anwendung Anwendungsbezogene Protokolle Hauptkritikpunkte: Darstellung Sitzung Transport Vermittlung Sicherung Bit Weitgehend netzunabhängiger Ende-zu-Ende-Transport Adressierung und Routing von Paketen Sicherung von Frames ; Flusskontrolle Signaldarstellung; Zeichenübertragung Die Ebenen 5 und 6 sind nur selten implementiert worden. Generell zuviel Aufwand. Manches ist überflüssig, anderes ist überladen. Übertragungsmedium ( Ebene 0 ) Das ISO-OSI-Referenzmodell Anwendungsprogramm Anwendungsprogramm 7 Layer Application Anwendungsprotokoll Schicht A nwendung 7 Interface 6 Presentation 5 Session Darstellungsprotokoll PDU Sitzungsprotokoll Schnittstelle Darstellung 6 SDU Sitzung 5 anwendungsorientiert 4 Transport Transportprotokoll Transport 4 Grenze des Kommunikations-Subnets 3 Network Vermittlung Vermittlung Vermittlung 3 Internes Subnet-Protokoll 2 Data link Sicherung Sicherung Sicherung 2 netzorientiert 1 Physical Host A Bitübertragung Bitübertragung Bitübertragung Host B 1 Schicht 0 Zwischenknoten 18

19 Wechselspiel zwischen den Schichten Eine Schicht zerlegt eine Nachricht in Protocol Data Units (PDU). Eine Schicht bietet der über ihr liegenden Schicht Dienste an. Zwei Kommunikationspartner tauschen PDUs aus und nutzen dazu die Dienste der nächsttieferen Schicht. Die Schichten tauschen dabei Service Data Units (SDU) aus. Schicht n n-pdu Schicht n Schicht (n-1) H n-sdu Schicht (n-1) (n-1)-pdu H: Header, d.h. Kontrollinformationen der Schicht Der Kommunikationsprozess Anwendungsprozess Daten Anwendungsprozess Anwendungsschicht Darstellungsschicht H H Daten A-PDU Anwendungsschicht Darstellungsschicht Sitzungsschicht H D-PDU Sitzungsschicht Transportschicht H S-PDU Transportschicht Vermittlungsschicht H T-PDU Vermittlungsschicht Sicherungsschicht H V-PDU T Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Bitübertragungsschicht Bitstrom Übertragungsmedium 19

20 Probleme des Referenzmodells 1. Zeitaspekte Das Terrain war schon weitgehend besetzt; TCP/IP-Protokolle waren bereits weit verbreitet, als OSI die fertige Spezifikation vorlegte. 2. Unverbindlichkeit Ein Referenzmodell ist allzu unverbindlich. Es sagt allenfalls, was gemacht werden soll, nicht aber wie es gemacht werden soll. 3. Umständlichkeit Sehr hoher und z.t. überflüssiger Aufwand (Tausende von Seiten an Spezifikationsbeschreibungen) Der Wunsch, alle Sonderfälle befriedigen zu können, führte zu einer Unzahl von Optionen, welche die Produkte aufwendig, unhandlich und unbezahlbar machten. The option is the enemy of the standard! Probleme des Referenzmodells 4. Politisches Umfeld OSI war zu sehr von Europa dominiert - vor allem von den damals noch mit nationalen Monopolen ausgestattenen Telefongesellschaften. Die wirkliche Marktmacht saß und sitzt aber in den USA; dort interessierte man sich für OSI vergleichsweise wenig. 5. Überhastete Produktankündigungen Erste OSI-Produkte wurden (aus Zeit-, Aufwands- und Kostengründen) zu schnell implementiert, enthielten Fehler und hatten ein insgesamt wenig überzeugendes Leistungsverhalten. Im Gegensatz dazu wurden die eigentlich viel unmoderneren TCP/IP- Protokolle ständig modifiziert und verbessert; sie waren qualitativ hochwertig und wegen der hohen Stückzahlen konkurrenzlos preiswert. 20