Informatik der digitalen Medien
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- Ingrid Holst
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1 Informatik der digitalen Medien Ergänzungs-Studienangebot der Mediendidaktik für Lehramtstudenten Dr. rer. nat. Harald Sack Institut für Informatik FSU Jena Wintersemester 2005/2006
2 Vorlesung Nr (Teil 1) 14 Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 2
3 3. Grundlagen der Rechnervernetzung Grundbegriffe Paketvermittlung Kommunikationsprotokolle und Referenzmodell LAN-Technologien WAN-Technologien Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 3
4 3. Grundlagen der Rechnervernetzung Grundbegriffe Paketvermittlung Kommunikationsprotokolle und Referenzmodell LAN-Technologien WAN-Technologien Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 4
5 Grundbegriffe Punkt-zu-Punkt Verbindungen älteste Form der Vernetzung je zwei miteinander verbundenen Rechner verfügen über eigenen Kommunikationskanal (z.b. Mietleitung) wird heute nur noch für Fernnetze und Sonderfälle genutzt A Kommunikationskanal C Kommunikationskanal Kommunikationskanal Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 5 B
6 Grundbegriffe Vorteile der Punkt-zu-Punkt Verbindung wahlfreie Benutzung der Kommunikationshardware Kommunikationskanal stets frei verfügbar Protokolle, Datenformate, Fehlererkennung zwischen Kommunikationspartnern frei wählbar Protokolle und Sicherheitsmechanismen einfach implementierbar Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 6
7 Grundbegriffe Nachteile der Punkt-zu-Punkt Verbindung: es ist schwierig, mehr als zwei Computer miteinander kommunizieren zu lassen für n Computer ergibt sich ein quadratischer Anstieg der benötigten Direktverbindungen! n ( n 1) 2 # Rechner # Kabel Bsp.: 23 Rechner, 253 Kabel Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 7
8 Grundbegriffe Verwendung gemeinsam genutzter Kommunikationskanäle Ende der 60er Jahre kehrte man von Punkt-zu-Punkt Verbindungsschema ab und führte die so genannten "Local Area Networks - LANs" ein Grundidee: gemeinsame Nutzung des Netzwerks. Computer senden abwechselnd Datenpakete über ein gemeinsames Kommunikationsmedium Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 8
9 Grundbegriffe Unterteilung von Computernetzwerken nach Reichweite und Größe WAN - Wide Area Network Vernetzung von mehreren Städten, Ländern, Kontinenten (skalierbar) MAN - Metropolitan Area Network Vernetzung einer Stadt LAN - Local Area Network Vernetzung von Gebäuden PAN Personal Area Network Mini-Vernetzung im persönlichen Umfeld Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 9
10 Grundbegriffe Unicast 1:1 Kommunikation (1 Sender 1 Empfänger) Sender Empfänger Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 10
11 Grundbegriffe Broadcast 1:alle Kommunikation (1 Sender alle Empfänger) Sender Empfänger Empfänger Empfänger Empfänger Empfänger Empfänger Empfänger Empfänger Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 11
12 Grundbegriffe Multicast 1:viele Kommunikation (1 Sender viele Empfänger) Sender Empfänger Empfänger Empfänger Empfänger Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 12
13 3. Grundlagen der Rechnervernetzung Grundbegriffe Paketvermittlung Kommunikationsprotokolle und Referenzmodell LAN-Technologien WAN-Technologien Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 13
14 Grundlagen der Rechnervernetzung Paketvermittlung Herkömmliche geschaltete Verbindungen A Relaisknoten Relaisknoten Relaisknoten B Relaisknoten Switched Circuit z.b. Telefonnetz Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 14
15 Grundlagen der Rechnervernetzung Paketvermittlung Herkömmliche geschaltete Verbindungen A Relaisknoten Relaisknoten Relaisknoten B Relaisknoten Ausfall eines Relaisknoten Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 15
16 Grundlagen der Rechnervernetzung Paketvermittlung Herkömmliche geschaltete Verbindungen A Relaisknoten Relaisknoten Relaisknoten B Relaisknoten Verbindung bricht zusammen Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 16
17 Grundlagen der Rechnervernetzung Paketvermittlung nutze das gesamte Netzwerk (alle Wege ) zerlege die Nachricht zum Senden in einzelne Pakete setze die Nachricht beim Empfänger wieder zusammen Übertragung Nachricht Nachricht Übertragung Nachricht Nachricht Übertragung zerlegen zusammensetzen Netzwerke auf dieser Basis heißen Paketvermittlungsnetze (Packet Switching Network). Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 17
18 Grundlagen der Rechnervernetzung Paketvermittlung Netzwerke auf dieser Basis heißen Paketvermittlungsnetze (Packet Switching Network). A Relaisknoten Relaisknoten B Paul Baran (1960) Relaisknoten Relaisknoten Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 18 Leonard Kleinrock (1961)
19 Paketvermittlung Nachricht Nachricht Nachricht wird dazu in einzelne Pakete zerlegt Fragmentierung Damit die Ursprungsnachricht am Ziel wieder korrekt zusammengesetzt werden kann, muss das Paket Zusatzinformationen enthalten: Adressinformation ( wohin soll das Paket?) Paketnummer ( wie kann die Ursprungsnachricht wieder zusammengesetzt werden?) Fehlererkennung/-korrektur ( ist etwas verloren gegangen?) Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 19
20 Grundlagen der Rechnervernetzung Fehlererkennung bei der Paketvermittlung: System versendet kleine Mengen zusätzlicher Informationen zusammen mit den Daten: Zusatzinfo Nutzdaten Datenpaket Sender erzeugt zusätzliche Information aus den Nutzdaten eines Pakets (z.b. Paritätsprüfung - Parity Check, Prüfsummen und zyklische Redundanzprüfung CRC, Kombination von Blöcken) Empfänger führt gleiche Berechnung an den empfangenen Nutzdaten durch, um Übertragungsergebnis zu prüfen. Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 20
21 Grundlagen der Rechnervernetzung Vorteile der Paketvermittlung Gemeinsam genutztes Kommunikationsnetz (Kostenersparnis) Gleichberechtigten und fairen Zugang für alle Teilnehmer angeschlossene Geräte versenden der Reihe nach jeweils ein Paket (Zeitmultiplexverfahren) Geringe Wartezeit, da Pakete viel kleiner als Gesamtnachicht Einfacheres Entdecken und Beheben von Übertragungsfehlern Vereinfachung der Kommunikation zwischen Sender und Empfänger Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 21
22 3. Grundlagen der Rechnervernetzung Grundbegriffe Paketvermittlung Kommunikationsprotokolle und Referenzmodell LAN-Technologien WAN-Technologien Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 22
23 Grundlagen der Rechnervernetzung Netzprotokoll oder Kommunikationsprotokoll Sammlung von Vereinbarungen und Regeln Spezifiziert Nachrichtenformate und erforderliche Aktionen zur Nachrichtenübermittlung z.b. Telefonieren (Wählen, Klingeln, Abheben, Hallo?, Hallo! ) z.b. jemanden zu Hause besuchen (Klingeln oder Anklopfen, durch Türspion schauen, ) Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 23
24 Grundlagen der Rechnervernetzung Netzprotokoll oder Kommunikationsprotokoll Protokoll-Software implementiert Netzprotokoll komfortable und anspruchsvolle Schnittstelle zum Netzwerk kümmert sich automatisch um den Großteil der Kommunikations-Einzelheiten und Probleme auf den unteren Ebenen Anwendungsprogramm 1 Anwendungsprogramm 2 Anwendungsprogramme, die in einem Netz kommunizieren interagieren nicht direkt mit der Netzwerk- Hardware, sondern über die zwischengeschaltete Protokoll-Software Protokollschichten Protokoll-Software Protokoll-Software Protokoll-Software Netzwerk Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 24
25 Grundlagen der Rechnervernetzung ISO/OSI Schichtenmodell das ISO/OSI-Referenzmodell Modell war historisch das erste Schichtenmodell. Es wurde Anfang der 70er Jahre von der International Organisation for Standardization entwickelt Sender Empfänger 7 Verarbeitung 7 Verarbeitung 6 Darstellung 6 Darstellung 5 Sitzung 5 Sitzung 4 Transport 4 Transport 3 Vermittlung 3 Vermittlung 2 Sicherung 2 Sicherung 1 Bitübertragung 1 Bitübertragung Übertragungsmedium Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 25
26 Rechnervernetzung ein kleiner Exkurs Schichtenmodell der Kommunikation eine Analogie Tanti Auguri!???? Problem italiano hindi 1874: Papst Pius IX. möchte dem Maharadscha von Pannah zum Geburtstag gratulieren Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 26
27 Rechnervernetzung ein kleiner Exkurs Schichtenmodell der Kommunikation eine Analogie italiano Tanti Auguri! lingua latine das Kardinalskollegium findet die Idee toll und lässt die vom Papst diktierte Botschaft ins Lateinische übersetzen Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 27
28 Rechnervernetzung ein kleiner Exkurs Schichtenmodell der Kommunikation eine Analogie Tanti Auguri! italiano lingua latine english allerdings gibt man zu bedenken, dass der Maharadscha sicherlich kein Latein sprechen kann.und man gibt den Auftrag, die Botschaft weiter ins Englische zu übersetzen Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 28
29 Rechnervernetzung ein kleiner Exkurs Schichtenmodell der Kommunikation eine Analogie morse code Tanti Auguri! italiano lingua latine english und da das Ganze recht schnell gehen soll, denn der Geburtstag des Maharadschas steht ja vor der Tür, lässt man die Botschaft über den kurz zuvor erfundenen Morsetelegrafen senden Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 29
30 Rechnervernetzung ein kleiner Exkurs Schichtenmodell der Kommunikation eine Analogie english morse code in Indien erhält der dort ansässige Telegrafendienst die Botschaft des Papstes. Die übertragenen Morsezeichen erweisen sich als eine in Englisch abgefasste Botschaft, die an den Maharadscha von Pannah adressiert ist Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 30
31 Rechnervernetzung ein kleiner Exkurs Schichtenmodell der Kommunikation eine Analogie morse code english daher wird die Botschaft in den Palast gebracht. Allerdings schreibt es das Protokoll vor, dass die Nachricht zunächst in Hindi übersetzt werden muss, bevor Sie dem Maharadscha eröffnet werden kann hindi Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 31
32 Rechnervernetzung ein kleiner Exkurs Schichtenmodell der Kommunikation eine Analogie!!!!!! morse code english hindi (schriftl.) der Maharadscha lässt sich die Botschaft vorlesen, ist hoch erfreut und lässt eine gebührliche Antwort auf dieselbe Weise zurück übermitteln hindi (mündl.) Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 32
33 Rechnervernetzung ein kleiner Exkurs Schichtenmodell der Kommunikation eine Analogie Schicht 4 diktiert in italienisch lässt sich Hindi vorlesen Schicht 3 Latein Hindi Schicht 2 Englisch Englisch Schicht 1 Morsezeichen Morsezeichen Stromsignale Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 33
34 Grundlagen der Rechnervernetzung ISO/OSI Schichtenmodell der modulare Aufbau des Protokollstapels erleichtert die Implementierung die Umstellung auf technologische Weiterentwicklungen und Die Wartung Sender Empfänger 5 Sitzung 5 Sitzung 4 Transport 4 Transport 3 Vermittlung 3 Vermittlung Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 34
35 Grundlagen der Rechnervernetzung ISO/OSI Schichtenmodell Schicht 1: Bitübertragung (Physical) Übertragung einzelner Bits Umwandlung Bits / elektrische (optische) Signale Schicht 2: Sicherung (Data Link) Organisation von Daten in Paketen Übertragung von Paketen (Paketformate, Bitstopfen, Prüfsummen,...) Verarbeitung Darstellung Sitzung Transport Vermittlung Sicherung Bitübertragung Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 35
36 Grundlagen der Rechnervernetzung ISO/OSI Schichtenmodell Schicht 3: Vermittlung (Network) Zuweisung von Adressen Weiterleitung von Paketen im Netz (Adressierung, Routing,...) Schicht 4: Transport (Transport) zuverlässigen Übertragung ( umfasst komplexeste Protokolle) Verarbeitung Darstellung Sitzung Transport Vermittlung Sicherung Bitübertragung Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 36
37 Grundlagen der Rechnervernetzung ISO/OSI Schichtenmodell Schicht 5: Sitzung (Session) Login Aufbau einer Übertragungssitzung zu entfernten System Spezifikation von Sicherheitstechniken (z.b. Passwörter) Schicht 6: Darstellung (Presentation) Darstellung der Daten 7 Verarbeitung ABC ΖωΩ (Übersetzung der Datendarstellung eines Rechnertyps in die des anderen) 6 5 Darstellung Sitzung Schicht 7: Verarbeitung (Application) Benutzung des Netzes durch eine Anwendung (z.b. wie kann Datei von einem anderen Rechner geladen werden) Transport Vermittlung Sicherung Bitübertragung Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 37
38 Grundlagen der Rechnervernetzung ISO/OSI Schichtenmodell Sender zu versendende Daten Datenkopf mit Steuerinformation der Schicht 6 Datenkopf mit Steuerinformation der Schicht 5 Datenkopf mit Steuerinformation der Schicht 7 Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 38
39 Grundlagen der Rechnervernetzung ISO/OSI Schichtenmodell Empfänger empfangene Daten Datenkopf mit Steuerinformation der Schicht 7 Datenkopf mit Steuerinformation der Schicht 6 Datenkopf mit Steuerinformation der Schicht 5 Verarbeitung Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 39
40 Grundlagen der Rechnervernetzung TCP/IP Schichtenmodell Referenzmodell für das Internet nur 5 Schichten entsprechen Schicht 1,2,3,4,(5-7) des ISO/OSI-Modells einfachere Implementation geringerer Overhead defacto-standard Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 40
41 Grundlagen der Rechnervernetzung TCP/IP Schichtenmodell ISO/OSI TCP/IP Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 41
42 3. Grundlagen der Rechnervernetzung Grundbegriffe Paketvermittlung Kommunikationsprotokolle und Referenzmodell LAN-Technologien WAN-Technologien Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 42
43 Grundlagen der Rechnervernetzung LAN-Technologien Gemeinsam genutzte Kommunikationskanäle Ende der 60er Jahre kehrte man von Punkt-zu-Punkt Verbindungsschema ab und führte die so genannten "Local Area Networks - LANs" ein Grundidee: gemeinsame Nutzung des Netzwerks. Computer senden abwechselnd Datenpakete über ein gemeinsames Kommunikationsmedium Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 43
44 Grundlagen der Rechnervernetzung LAN-Technologien gemeinsame Mediennutzung erfordert erheblichen Koordinierungsaufwand kostet Ressourcen und Zeit, z.b. längere Transferzeiten im Fernverkehr usw. Koordination geht zu Lasten der Datenübertragung Kommunikationskanal mit hoher Bandbreite verteuert sich mit zunehmender Entfernung ideales Einsatzgebiet: lokale Kommunikation Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 44
45 Grundlagen der Rechnervernetzung LAN Topologien Unterschiedliche LAN-Technologien lassen sich nach ihrer jeweiligen Topologie klassifizieren Topologie beschreibt die geometrische Anordnung der Rechner im Netzwerk Stern-, Ring- und Bustopologie sind die gebräuchlichsten LAN-Topologien. Jede Topologie besitzt jeweils eigene Vor- und Nachteile Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 45
46 Grundlagen der Rechnervernetzung LAN Topologien Sterntopologie: LAN, bei dem alle Geräte sternförmig an einem zentralen Punkt, dem Hub (engl. Nabe), angeschlossen sind Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 46
47 Grundlagen der Rechnervernetzung LAN Topologien Ringtopologie: LAN, bei dem alle angeschlossenen Geräte ringförmig in einer geschlossenen Schleife angeordnet sind Achtung: Ring bezieht sich auf logische Anordnung, nicht auf physische Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 47
48 Grundlagen der Rechnervernetzung LAN Topologien Bustopologie: LAN, in dem alle Geräte an einem einzigen langen Kabel angeschlossen sind und bei dem das Kabel keine Schleife bildet Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 48
49 Grundlagen der Rechnervernetzung LAN Topologien Heute sind vor allem Mischformen der drei Grundtopologien im Einsatz Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 49
50 Grundlagen der Rechnervernetzung Ethernet - Beispiel für Bustopologie Ethernet ist die am häufigsten anzutreffende LAN-Technologie basiert auf der Bustopologie 1973 am Palo-Alto-Forschungszentrum von Xerox entwickelt (Robert Metcalfe) später wurde es zu einem gemeinsamen Produktstandard (DIX Ethernet) von Digital Equipment, Intel und Xerox. heute ist IEEE für die Pflege der Ethernetstandards zuständig Robert Metcalfe Original Entwurfskizze (1973) Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 50
51 Grundlagen der Rechnervernetzung Ethernet - Beispiel für Bustopologie Ethernet-LAN besteht ursprünglich aus einem einzigen Koaxialkabel das so genannte Ether - an das mehrere Computer angeschlossen sind heute existieren viele verschiedene Ethernet Standards unterscheiden sich alle in Geschwindigkeit Gesamtlänge und im Abstand der Computer untereinander Bsp. 10Base2 (1988): Bandbreite 10 Mbps, max. Kabellänge: 185m 10GBaseX (2002): Bandbreite Mbps, max. Kabellänge: 40 km Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 51
52 Grundlagen der Rechnervernetzung Ethernet - Beispiel für Bustopologie Kleiner Geschwindigkeitsvergleich Übertragung einer DVD (4.7 GigaByte) Modem 28.8kbps DSL 768kbps Ethernet 10Mbps 100 Mbps 1Gbps 10Gbps Dauer 16d 5h 14h 36min 67min 17s 6min 43s 40,37s 4,04s Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 52
53 Grundlagen der Rechnervernetzung Das Ethernet-Prinzip zur Kommunikation sendet der Computer ein Signal an beide Enden des Kabels. Während Übertragung darf nur der sendende Computer das gesamte Kabel nutzen - alle anderen müssen warten nach der Übertragung kann der nächste senden Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 53
54 Grundlagen der Rechnervernetzung Das Ethernet-Prinzip Problem: Was passiert, wenn zwei Rechner annähernd gleichzeitig mit dem Senden beginnen? Kollision Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 54
55 Grundlagen der Rechnervernetzung Das Ethernet-Prinzip Lösung: Netzwerkadapter kann auf den Bus hinaus lauschen, ob gerade eine Kommunikation stattfindet gerade eine Kollision stattgefunden hat die Leitung frei ist Netzwerkadapter lauscht will senden Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 55
56 Grundlagen der Rechnervernetzung Das Ethernet-Prinzip Problem: Wer entscheidet, welcher Rechner senden darf? CSMA/CD-Algorithmus Carrier Sense with Multiple Access / Collision Detect and Backoff lausche auf Kabel und warte bis das Kabel frei ist senden zwei Computer gleichzeitig, entsteht eine Kollision wird Kollision erkannt, wird Übertragung abgebrochen und exponentieller Backoff gestartet: wähle zufälliges Zeitintervall bis zum nächsten Übertragungsversuch. wenn weitere Kollision, verdoppele die Wartezeit Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 56
57 Grundlagen der Rechnervernetzung LAN-Technologien - Token Ring Funktionsprinzip will ein Computer Daten übertragen, muss er warten, bis ihm der Zugriff auf das Netz (den Ring) gestattet wird hat er die Übertragungserlaubnis (Token) erhält er vollständige Kontrolle über den Ring Daten werden von Rechner zu Rechner weitergereicht Fehlererkennung durch sendenden Rechner Bandbreiten: 16 Mbps 100 Mbps Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 57
58 Grundlagen der Rechnervernetzung LAN-Technologien - FDDI größter Nachteil von Token-Ring-Netzen ist die Fehleranfälligkeit Ausfall eines Rechners legt gesamtes Netzwerk lahm FDDI - Fiber Distributed Data Interconnect ist Token-Ring-Technik mit Doppelring, Glasfasertechnologie und Datenraten von 100 Mbps Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 58
59 Grundlagen der Rechnervernetzung LAN-Technologien ATM (Asynchronous Transfer Mode) Rechner sind sternförmig an ein zentrales Hub (ATM-Switch) angeschlossen Daten werden nur zwischen dem kommunizierendem Rechnerpaar verteilt Ausfall eines Rechners hat keine Auswirkungen auf Gesamtfunktionalität Garantierte Dienstqualität (!) Übertragung von Multimediadaten Einsatz auch im WAN Bandbreite bis > Mbps Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 59
60 Grundlagen der Rechnervernetzung LAN-Technologien Hardware-Adressierung Wie findet ein Datenpaket sein Ziel im LAN? jeder Rechner im LAN besitzt eindeutige Hardware-Adresse (Nummer) jedes Paket enthält die Adresse des Senders (Source) und des Empfängers (Destination), sowie für den Transport notwendige Zusatzinformationen Verschiedene Netzwerktypen verwenden unterschiedliche Adressformate Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 60
61 Grundlagen der Rechnervernetzung LAN-Technologien Hardware-Adressierung LAN an das LAN angeschlossener Rechner Netzwerkschnittstelle Prozessor und lokaler Speicher Sendet und empfängt Datenpakete im LAN Erzeugt ausgehende Daten, Verarbeitet eingehende Daten Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 61
62 3. Grundlagen der Rechnervernetzung Grundbegriffe Paketvermittlung Kommunikationsprotokolle und Referenzmodell LAN-Technologien WAN-Technologien Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 62
63 Grundlagen der Rechnervernetzung WAN-Technologien WideAreaNetworks LANs sind stets beschränkt in ihrer geografischen Ausdehnung der Anzahl der daran angeschlossenen Rechner Warum? Alle Rechner sind an ein gemeinsam genutztes Kommunikationsmedium angeschlossen Komplexe Algorithmen regeln reibungslose Kommunikation Je mehr Rechner/je größer die geografische Ausdehnung, desto aufwändiger wird die Verwaltung der Kommunikation und damit auch langsamer Daher muss die Kommunikation zwischen einzelnen LANS anders geregelt werden Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 63
64 Grundlagen der Rechnervernetzung WAN-Technologien WideAreaNetworks Paketvermittler (Packet Switches) übernehmen Vermittlung von Datenpaketen zwischen verschiedenen Netzen ist Computer mit Prozessor, Speicher und E/A-Geräten, der ausschließlich zum Senden und Empfangen von Paketen benutzt wird LAN LAN 1 1 Paketvermittler LAN3 LAN3 Paketvermittler LAN LAN 2 2 Paketvermittler Paketvermittler Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 64
65 Grundlagen der Rechnervernetzung WAN-Technologien WideAreaNetworks Paketvermittler (Packet Switches) Paketvermittler Paketvermittler weitere Computer des LANs andere Paketvermittler Im WAN Ports für weitere Paketvermittler: sehr hohe Geschwindigkeiten. Ports zum Anschluss von Computern: niedrigere Geschwindigkeit Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 65
66 Grundlagen der Rechnervernetzung WAN-Technologien WideAreaNetworks Paketvermittler (Packet Switches) Bsp. eines WANs mit 4 Paketvermittlern P1 P4 P2 P3 Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 66
67 Grundlagen der Rechnervernetzung WAN-Technologien WideAreaNetworks Arbeitsweise eines WAN ähnlich einem LAN: jede WAN-Technologie definiert eigenes Paketformat jeder angeschlossene Computer erhält Hardwareadresse Sender muss in seinen Paketen Zieladresse des gewünschten Kommunikationspartners angeben. Zieladressen sind meist hierarchisch aufgebaut: (Zielpaketvermittler, Zielrechner) Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 67
68 Grundlagen der Rechnervernetzung Arbeitsweise eines WAN Adresse ist aufgeteilt in mehrere Teiladressen aufgeteilt, z.b. - erster Teil identifiziert Paketvermittler - zweiter Teil identifiziert an diesen Paketvermittler angeschlossenen Computer (2,1) (1,1) (1,2) P P (2,5) (1,7) Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 68
69 Grundlagen der Rechnervernetzung Arbeitsweise eines WAN Woher weiß Paketvermittler, wohin ein Datenpaket weitergegeben werden muss? Paketvermittler halten nur Information über nächste Teilstrecke = Hop jeder Paketvermittler muss für weiterzuleitendes Paket Route wählen. (a) Ist ein Paket für direkt angeschlossenen Computer bestimmt, erfolgt direkte Zustellung (b) ist ein Paket für einen Computer an einem anderen Paketvermittler bestimmt, wird es zu diesem Paketvermittler gesendet zur Auswahl der Leitung wird die Zieladresse benötigt Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 69
70 Grundlagen der Rechnervernetzung Arbeitsweise eines WAN (3,1) (1,1) (1,4) P1 R1 R2 R3 R P3 R1 R2 R3 R7 (3,5) Routingtabelle für P2 Teilstreckeninformationen werden in so genannten Routingtabellen im Paketvermittler (Router) gespeichert 7 R7 P R1 R2 R3 Adresse (1,1) (1,4) Nächster Hop R7 R7 (2,5) 5 (2,6) (3,1) 6 R3 (2,6) (2,5) Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 70 (3,5) R3
71 Grundlagen der Rechnervernetzung Arbeitsweise eines WAN (3,1) (1,1) (1,4) P1 R1 R2 R3 R P3 R1 R2 R3 R7 (3,5) Routingtabelle für P Adresse Nächster Hop P2 (1,1) R7 R7 R1 R2 R3 (1,4) R7 (2,5) (2,6) (3,1) 5 6 R3 (2,6) (2,5) Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 71 (3,5) R3
72 Grundlagen der Rechnervernetzung Arbeitsweise eines WAN (3,1) (1,1) (1,4) P1 R1 R2 R3 R P3 R1 R2 R3 R7 (3,5) Routingtabelle für P Adresse Nächster Hop P2 (1,1) R7 R7 R1 R2 R3 (1,4) R7 (2,5) (2,6) (3,1) 5 6 R3 (2,6) (2,5) Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 72 (3,5) R3
73 Grundlagen der Rechnervernetzung Arbeitsweise eines WAN (3,1) (1,1) (1,4) P1 R1 R2 R3 R P3 R1 R2 R3 R7 (3,5) Routingtabelle für P Adresse Nächster Hop P2 (1,1) R7 R7 R1 R2 R3 (1,4) R7 (2,5) (2,6) (3,1) 5 6 R3 (2,6) (2,5) Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 73 (3,5) R3
74 Grundlagen der Rechnervernetzung Beispiele für WAN-Technologien Arpanet X.25 ISDN Frame Relay ATM PDH / SDH SONET Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, sack@minet.uni-jena.de 74
75 Grundlagen der Rechnervernetzung Probleme: Wie vermittle ich zwischen verschiedenen LAN/WAN- Technologien? Wie findet ein Datenpaket in einem komplexen, heterogenen Netzwerk sein Ziel? Wie kommt der Paketvermittler (Router) zu seiner Routingtabelle? Wie vermeide ich Stau und Überlastsituationen? Wie vermeide/umgehe ich Übertragungsfehler? Internetworking Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 75
76 3. Grundlagen der Rechnervernetzung Grundbegriffe Paketvermittlung Kommunikationsprotokolle und Referenzmodell LAN-Technologien WAN-Technologien Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 76
77 3. Literatur Ch. Meinel, H. Sack: WWW Kommunikation, Internetworking, Web-Technologien, Springer, IEEE LAN-Arbeitsgruppe Dr.rer.nat. Harald Sack, Institut für Informatik, FSU Jena, Ernst-Abbe-Platz 2-4, D Jena, 77
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