Datenkommunikation. Lehrstuhl für Informatik IV RWTH Aachen. Organisatorisches. Einordnung der Vorlesung. Struktur der Vorlesung

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1 Organisatorisches Datenkommunikation Lehrstuhl für Informatik IV RWTH Aachen Prof. Dr. Otto Spaniol Dipl.-Inform. Dirk Thißen Kapitel 1: Grundlagen Seite 1 Vorlesungsbegleitende Übungen Alle 14 Tage Mittwoch Uhr Hörsaal AH V, RWTH Aachen Frontalübung Achtung: Termine können sich im Laufe des Semesters verschieben! Unterlagen (Folienkopien) Ansprechpartner Dipl.-Inform. Dirk Thißen Lehrstuhl für Informatik IV, Raum 6006 (Gebäude E2) Telefon: 0241 / thissen@informatik.rwth-aachen.de 30. Oktober November November Dezember Januar Januar Februar Klausur Am Ende des Semesters Kapitel 1: Grundlagen Seite 2 Einordnung der Vorlesung Ziel der Vorlesung: Einführung in die Thematik der Datenkommunikation Vorbereitung auf weitere Veranstaltungen des Lehrstuhls Informatik IV Folgeveranstaltungen: Seminar Datenkommunikation und Verteilte Systeme Spezial vorlesungen des Lehrstuhls Informatik IV Multimedia-Kommunikation Sicherheit in Kommunikationsnetzen Web Protocols and Practise Lokale Netze Telekommunikationssysteme Verteilte Systeme Praktika im Bereich Kommunikationssysteme Diplomarbeiten am Lehrstuhl Informatik IV Kapitel 1: Grundlagen Seite 3 Struktur der Vorlesung 1. Grundlagen Netze und Netztopologien Kommunikationsprotokolle 2. Protokolle und Dienste im Netz Das OSI-Referenzmodell Internet/Intranet: das TCP/IP-Referenzmodell Netzwerk- und Transportprotokolle (TCP/IP) Höhere Dienste (FTP, HTTP, ,...) 3. Lokale Netze und Weitverkehrsnetze Netzkomponenten (Kabel, Repeater, Hubs, Bridges, Switches, Router) Netzwerktypen für lokale Netze (Ethernet, Token Ring, FDDI, DQDB) Netzwerktypen für Weitverkehrsnetze (Frame Relay, ATM, SDH) Mobilkommunikation (WLAN, Bluetooth, Weitverkehrsnetze) 4. Datenkommunikation im öffentlichen Bereich ISDN und DSL Kapitel 1: Grundlagen Seite 4

2 Literatur zur Vorlesung Bücher (deutsch): O. Spaniol, M. Schuba, P. Reichl, G. Schneider: Lokale Netze. Erhältlich in der Buchhandlung Technikus, Pontstraße G. Lienemann: TCP/IP-Grundlagen: Protokolle und Routing. 2 Auflage, Verlag Heinz Heise Bücher (englisch, sehr zu empfehlen) W. Stallings: Local and Metropolitan Area Networks. 5 th Edition, Prentice Hall R. Perlman: Interconnections Bridges and Routers. Addison-Wesley!A. S. Tanenbaum: Computer Networks. 4th Edition, Prentice Hall!Cisco Systems: Internetworking Technologies Handbook. 3rd Edition, Cisco Press!J.F. Kurose, K.W. Ross: Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet. Addison-Wesley Inhalte der Datenkommunikation Datenkommunikation ist die Verarbeitung und der Transport von digitalen Daten über Verbindungen zwischen Computern und/oder anderen Geräten (i.a. über größere Entfernungen). Bei der Datenkommunikation müssen somit zwei Aspekte betrachtet werden: Rechnernetze Wie werden Rechner miteinander verbunden? Welche Medien können zur Übertragung verwendet werden? Wie kann man den Zugriff auf das Kommunikationsmedium regeln? Kommunikationsprotokolle Wie lässt sich der Datenaustausch einheitlich regeln? Wie erreicht man eine zuverlässige, effiziente Übertragung? Kapitel 1: Grundlagen Seite 5 Kapitel 1: Grundlagen Seite 6 Sprachkommunikation Niedrige Dienstgüteanforderungen Geringe Bandbreite (64 kbit/s) Vergleichsweise geringe Anforderungen bzgl. Sicherheit 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) Datenkommunikation Kommunikation vorwiegend zwischen Rechnern Viele unterschiedliche Datenarten (Dateien, Software, Videos,...) Unterschiedliche Dienstgüteanforderungen Stark schwankende Datenraten ( bursty traffic ) z.t. extrem hohe Sicherheitsanforderungen. Entstehung der 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 1.000,-- 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 50,000,-- kosten. Rechenleistung ist fast zum Nulltarif erhältlich Kapitel 1: Grundlagen Seite 7 Kapitel 1: Grundlagen Seite 8

3 Anwendungen Kostenaspekt 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,... 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 Kapitel 1: Grundlagen Seite 9 Kapitel 1: Grundlagen Seite 10 Das Client/Server-Prinzip Client/Server-Systeme Client Server Server Programm (Prozess), das einen Dienst über ein Netz anbietet. Server nehmen Requests entgegen und geben das Ergebnis an den Anfragenden zurück. Zu den angebotenen Diensten gehören einfache Operationen (z.b. Nameserver) oder auch komplexere Dienste (WWW Server). Client Process Server Process Client Programm (Prozess), welches einen von einem Server angebotenen Dienst in Anspruch nimmt. Request Beispiele für Client/Server-Systeme Network Reply Network Client Server Vorteile Kostenersparnis bessere Ressourcenauslastung stufenweise Ausbaubarkeit Zuverlässigkeit durch Redundanz Daten: mehrere Kopien WWW-Browser -Programm (und andere) FTP-Client WWW-Server Domain Name System (DNS) FTP-Server Kapitel 1: Grundlagen Seite 11 Kapitel 1: Grundlagen Seite 12

4 Anderes Prinzip: Peer-to-Peer 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) Keine festgelegten Client- und Server-Rollen Verbindungen zwischen je zwei beliebigen Rechnern Aufbau eines ganzen Netzwerks an Verbindungen Bestes Beispiel: File Sharing, z.b. Napster Kapitel 1: Grundlagen Seite 13 Mögliche Zensur? Kontrolle der Arbeitsleistung von Beschäftigten, des Aufenthaltsorts von Bürgern,... Belästigung durch anonyme Nachrichten... Kapitel 1: Grundlagen Seite 14 Computer-Netze der 1. Generation Rechenzentrum Rest der Welt Rechnernetze Operator Großrechner Wählleitungen Demultiplexer Multiplexer Terminals Terminals Peripherie Kapitel 1: Grundlagen Seite 15 Kapitel 1: Grundlagen Seite 16

5 Einführung lokaler Netze Globale Vernetzung Haus A Standleitungen Rest der Welt Haus A lokaler Server Switch Clients Rest der Welt (Internet) Standleitungen, ISDN, Provider... Haus B Operator Rechenzentrum Großrechner Router Router Rechenzentrum Server Netz- und Systemadministrator Router Haus C Router Haus B lokaler Server Clients Backbone Vernetzung Switch Peripherie Terminals Peripherie Switch Großrechner Router Kapitel 1: Grundlagen Seite 17 Kapitel 1: Grundlagen Seite 18 Klassifikation von Netzen Klassifikation nach Ausdehnung... 1 m 10 m Raum 100 m Gebäude 1 km Campus 10 km Stadt 100 km Land 1000 km Kontinent km Planet Personal Area Network (PAN) Local Area Network (LAN) [Lokale Netze] Metropolitan Area Network (MAN) Wide Area Network (WAN) [Weitverkehrsnetze] Internet... Und lange Zeit leider auch nach Kapazität. Generell hatten kleine Netze (Gbit-Ethernet, 10Gbit-Ethernet) eine höhere Übertragungskapazität als große Netze (ATM, 622 Mbit). Allerdings findet eine ständige Erhöhung im Weitverkehrsbereich statt, mit der Einführung von SDH ( Gbit) haben sich die Übertragungsraten angeglichen. Kapitel 1: Grundlagen Seite 19 Übertragung von Informationen Point-to-Point (Punkt-zu-Punkt) ein Paar von Rechnern kommuniziert (oft existieren verschiedene Wege zum Kommunikationspartner und es muss eine Wegwahl [Routing] durchgeführt werden) Adressierung des Kommunikationspartners Broadcast-Netz einer-an-alle (Bsp.: Rundfunk, Fernsehen) Daten werden in Pakete mit Broadcast-Zieladresse (spezielle Adresse zur Adressierung aller Stationen) verpackt nur die gewünschten Empfänger extrahieren die Daten und verarbeiten sie Multicast-Netz einer-an-mehrere Vergabe von Gruppenadressen Jeder Knoten weiß, auf welche Gruppenadressen er reagieren muss Kapitel 1: Grundlagen Seite 20

6 Local Area Networks Kommunikationsinfrastruktur für einen begrenzten geographischen Bereich (10m - wenige km) Üblicherweise im Besitz einer einzigen Organisation Vernetzt werden PCs/Workstations/..., um Informationen auszutauschen und Ressourcen und Peripheriegeräte zu teilen Übertragungskapazität bis zu 1,000 Mbit/s Übertragungsdauer einer Nachricht im Millisekundenbereich (~10 ms) Einfache Verbindungsstruktur ( Simple is beautiful ) Wichtigste Topologien: Bus Stern LAN Baum Ring Vermaschtes Netz Kapitel 1: Grundlagen Seite 21 Abschlusswiderstand Ω A LANs: Der Bus Beispiel: Ethernet Bus Broadcast-Netz: will Station A an Station B senden, erreicht die Nachricht jede angeschlossene Station. Station B merkt, dass die Daten für sie sind und nimmt sie entgegen. Alle anderen Stationen ignorieren die Nachricht. - (+) Passive Ankopplung der Stationen - Begrenzung der Ausdehnung und der Zahl anzuschließender Stationen + Einfach, preiswert, einfacher Anschluss neuer Knoten + Kein Routing notwendig + Der Ausfall eines Knotens ist kein Problem Kapitel 1: Grundlagen Seite 22 B Ω LANs: Der Stern LANs: Der Baum Abteilung 1 Abteilung 2 A B Beispiel: Switched Ethernet Stern Ausgezeichneter Rechner als zentrale Station: die Nachricht von Station A wird durch die zentrale Station direkt an Station B weitergeleitet aufwendiger zentraler Knoten (Switch) Verwundbarkeit durch zentralen Knoten (Redundanz möglich) + Eindeutiger Pfad, kein Routing + N Verbindungen bei N Knoten + Einfacher Anschluss neuer Knoten A B C D Repeater Router Backbone Baum Topologie: Zusammenschluss mehrerer Busse oder Sterne Verzweigungselemente können aktiv (Router) oder passiv (Repeater) sein + Überbrückung größerer Strecken + gute Anpassung an vorgegebene geographische Gegebenheiten + Minimierung der erforderlichen Kabellänge Kapitel 1: Grundlagen Seite 23 Kapitel 1: Grundlagen Seite 24

7 LANs: Der Ring LANs: Vollvermaschung Beispiel: Token Ring, FDDI Ring Broadcast-Netz Aktive Knoten: Nachrichten werden in den Knoten regeneriert Ausfall bei Unterbrechung einer Verbindung Ausfall eines Knotens (Bypass als Abhilfe) + große Ausdehnung möglich + einfaches Einfügen neuer Knoten +Bei N Knoten nur N Verbindungen Variante: bidirektionaler Ring die Knoten sind durch zwei gegenläufige Ringe miteinander verbunden Vollvermaschtes Netz Point-to-Point-Verbindungen zwischen allen Knoten N( N 1) Für N Knoten sind Verbindungen 2 nötig Der Anschluss eines neuen Knotens 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) Kapitel 1: Grundlagen Seite 25 Kapitel 1: Grundlagen Seite 26 LANs: Beispiele Arcnet (4 Mbit/s) - Koaxialkabel - stern- oder busförmig, bis 50m Ethernet (IEEE 802.3, 10 MBit/s) - ursprünglich das Standardnetz - erhältlich in einer Unzahl von Varianten Token Ring (IEEE 802.5, 4/16/100 MBit/s) - lange Zeit der Konkurrent zu Ethernet - erweitert zu FDDI (Fiber Distributed Data Interface) Fast-Ethernet (IEEE 802.3a, 100 MBit/s) - momentan das weitverbreitetste Netz - Erweiterung von Ethernet für kleinere Distanzen Gigabit-Ethernet (IEEE 802.3b, 1,000 MBit/s) - das zur Zeit meistdiskutierte Konzept; in Vorbereitung sind sogar schon 10 GBit/s Kapitel 1: Grundlagen Seite 27 Überbrücken größere Distanzen als ein LAN, Einsatz z.b. im Stadtbereich. Benutzt ähnliche Technologie wie ein LAN I.a. nur 1 oder 2 Kabel ohne Zusatzkomponenten wie Router oder Switches. Unterschied zu LANs: Taktung Bus A Angeschlossene Station (mehrere Businterfaces sind notwendig) Bus B Metropolitan Area Network (MAN) Beispiel: Distributed Queue Dual Bus (DQDB, IEEE 802.6) Ausdehnung bis 100 km durchaus zulässig. Fließbandprinzip; Slots fester Länge für Übertragungen von links nach rechts N Sendeberechtigungs-Slots für Übertragungen von rechts nach links MAN Head-End (erzeugt Sende- Berechtigungsslots) Kapitel 1: Grundlagen Seite 28

8 Überbrückung beliebig großer Distanzen. Verbindet LANs und MANs über große Entfernungen Topologie fast immer irregulär, weil bedarfsorientiert. Besteht aus Vermittlungsknoten, die durch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen miteinander verbunden sind. Meist recht komplexe Zusammenschaltung von Teilnetzen, die im Besitz von unterschiedlichen Betreibern sind. LAN Wide Area Network (WAN) Subnet Router Kapitel 1: Grundlagen Seite 29 Host Drahtlose Netze Generell kann Aufteilung in drei Kategorien vorgenommen werden: System Interconnections direkte Verbindung zwischen den Komponenten eines Computers (Beispiel: Bluetooth) Wireless LANs Kommunikation von Rechnern mit einer Basisstation (Access Point) in einem lokalen Bereich oder direkte Kommunikation zwischen Rechnern (Beispiel: IEEE Wireless LAN, WLAN) Reichweite Meter Übertragungsraten bis zu 50 MBit/s Wireless WANs Verbreitet sind Mobilfunknetze wie GSM. Reichweite über mehrere Kilometer ("weltweit") Übertragungsraten bis 1 MBit/s Wireless Local Loop als WAN für die Datenübertragung Kapitel 1: Grundlagen Seite 30 Kommunikationsmodi Kommunikationsprotokolle Verbindungslose Kommunikation (z.b. Local Area Network): Daten werden durch den Transport von Paketen fester Länge übertragen Senden erfolgt spontan ohne Reservierungen Es werden Absender- und Zieladresse angegeben Verbindungsorientierte Kommunikation (z.b. Telefon): sogenannte 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 Kapitel 1: Grundlagen Seite 31 Kapitel 1: Grundlagen Seite 32

9 Verbindungslose Kommunikation Rechner A Rechner B Rechner A Verbindungsorientierte Kommunikation Rechner B virtuelle Verbindung Rechner C Rechner C Nachricht wird in Pakete zerlegt Zugriff ist immer möglich, Geringe Störanfälligkeit Es existieren alternative Pfade für die Pakete zusätzlicher Aufwand in den Zwischenknoten: Store-and-Forward-Netz Stichwort: Paketvermittlung Nachrichtenvermittlung: keine Zerlegung der Nachricht Kapitel 1: Grundlagen Seite 33 Stichwort: Leitungsvermittlung Einfache Kommunikationsmethode Fester Weg zwischen den Teilnehmern Vermittlungsknoten schalten die Leitungen durch Exklusive Nutzung der Leitung (Telefon) oder virtuelle Verbindung: Aufbau einer Verbindung über ein möglicherweise sogar paketvermittelndes Netz Kapitel 1: Grundlagen Seite 34 Warum Protokolle? Um eine Kommunikation durchzuführen, müssen die Kommunikationspartner die gleiche Sprache sprechen. Datenformate und deren Semantik Kontrolle des Medienzugriffs Prioritäten Fehlerüberwachung Reihenfolgeüberwachung Flusskontrollmechanismen Segmentierung und Zusammensetzen von Nachrichten Multiplexing Routing Realisierung von Protokollen Lösung 1: Schreibe ein großes Kommunikationsprogramm, welches allen beschriebenen Anforderungen genügt. Vorteil: Für eine gegebene Anwendung optimal und effizient. Nachteil: Nicht flexibel! Änderungen erfordern hohen Aufwand. Lösung 2: Schreibe kleinere, für eine Aufgabe spezialisierte Programme, die sich unterschiedlich kombinieren lassen. Vorteil: Sehr flexibel, da einzelne Komponenten austauschbar. Nachteil: Durch vorgegebene Struktur wird vieles umständlich; dadurch nicht so effizient. Ein Protokoll ist definiert als die Gesamtheit aller Vereinbarungen zwischen Anwendungsprozessen zum Zweck einer gemeinsamen Kommunikation Kapitel 1: Grundlagen Seite 35 Durchgesetzt hat sich Lösung 2! Die Realisierung erfolgt in Form von Schichtenmodellen. Kapitel 1: Grundlagen Seite 36

10 Beispiel: Gedankenaustausch von Philosophen Standardisierung Philosoph A Gedanken zur Weltpolitik Philosoph B Unabdingbar für den flächendeckenden praktischen Einsatz von Kommunikationssystemen: Sprache: chinesisch Sprache: spanisch Dolmetscher A Sprache: chinesisch zusätzlich: englisch Techniker A Erkennt einzelne Buchstaben und morst diese. Uninterpretierte Sätze, d.h. ohne Kenntnis der Weltpolitik Uninterpretierte Zeichen in korrekter Reihenfolge elektrische Signale Netz Dolmetscher B Sprache: spanisch zusätzlich: englisch Techniker B Erkennt einzelne Buchstaben und morst diese. 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). Kapitel 1: Grundlagen Seite 37 Kapitel 1: Grundlagen Seite 38 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 Kapitel 1: Grundlagen Seite 39 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.) Kapitel 1: Grundlagen Seite 40

11 Standards der IEEE Standardisierungsgremien - Auswahl Überblick und Architektur von LANs Logical Link Control (LLC) CSMA/CD ( Ethernet ) Token Bus Token Ring DQDB (Distributed Queue Dual Bus) Broadband Technical Advisory Group (BBTAG) Fiber Optic Technical Advisory Group (FOTAG) Intergrated Services LAN (ISLAN) Interface Standard for Interoperable LAN Security (SILS) Wireless LAN (WLAN) Demand Priority (Hewlett-Packard's AnyLAN) Cable modems Personal Area Networks (Bluetooth) Broadband Wireless 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! (OSI: Open Systems Interconnection) Kapitel 1: Grundlagen Seite 41 Kapitel 1: Grundlagen Seite Anwendung Darstellung Sitzung Transport Vermittlung Sicherung Bit Das ISO/OSI-Referenzmodell Bewältigung der Komplexität einer Kommunikation (also der Einzelheiten, auf die man achten muss) durch Schichten. 7 Schichten (Ebenen, Layer) Anwendungsbezogene Protokolle Weitgehend netzunabhängiger Ende-zu-Ende-Transport Adressierung und Routing von Paketen Sicherung von Frames ; Flusskontrolle Signaldarstellung; Zeichenübertragung Hauptkritikpunkte: Die Ebenen 5 und 6 sind nur selten implementiert worden. Generell zuviel Aufwand. Manches ist überflüssig, anderes ist überladen. Übertragungsmedium ( Ebene 0 ) Kapitel 1: Grundlagen Seite 43 Wechselspiel zwischen den Schichten Eine Schicht bietet der über ihr liegenden Schicht Dienste an. Eine Schicht zerlegt eine Nachricht in Protocol Data Units (PDU). Zwei Kommunikationspartner tauschen PDUs aus und nutzen dazu die Dienste der nächsttieferen Schicht. Die Schichten tauschen dabei Service Data Units (SDU) aus. Schicht n Schicht (n-1) H n-pdu n-sdu (n-1)-pdu Schicht n Schicht (n-1) H: Header, d.h. Kontrollinformationen der Schicht Kapitel 1: Grundlagen Seite 44

12 Der Kommunikationsprozess Der Kommunikationsprozess Anwendungsschicht Anwendungsprozess H Daten Daten Anwendungsschicht Anwendungsprozess Nicht notwendigerweise ein 1-zu-1-Abbildung zwischen Schichten Je nach Protokoll können n-pdus vor der Übertragung auch in mehrere (n-1)- PDUs zerlegt werden: Darstellungsschicht H A-PDU 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 Kapitel 1: Grundlagen Seite 45 Kapitel 1: Grundlagen Seite 46 Das OSI-Referenzmodell im Netz Aufgaben der Schichten Anwendungsprozess Vermittlungsschicht Sicherungsschicht Bitübertr.- schicht Router A Anwendungs-Protokoll Darstellungs-Protokoll Sitzungs-Protokoll Transport-Protokoll Vermittlungsschicht Sicherungsschicht Bitübertr.- schicht Router B Übertragung im Subnetz mittels interner Protokolle Anwendungsschicht Darstellungsschicht Sitzungsschicht Transportschicht Vermittlungsschicht Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Bitübertragungsschicht Host A Anwendungsschicht Darstellungsschicht Sitzungsschicht Transportschicht Vermittlungsschicht Sicherungsschicht Anwendungsprozess Host B 1. Bitebene Transportiert die einzelnen Bits über die Leitung, d.h. es muss dafür gesorgt werden, dass eine gesendete 1 beim Empfänger auch als 1 ankommt und nicht als 0. Dazu legt man z.b. fest, wieviel Volt benutzt werden, um eine 1 zu repräsentieren und wie lange die Spannung für ein Bit anliegen muss. Weiterhin wird definiert: Kabeltyp, Stecker (Pinbelegungen), Übertragungsrichtung (uni-/bidirektional) Sicherungsebene Liefert der Netzwerkebene eine fehlerfreie Übertragung der Daten zwischen zwei Rechnern (z.b. innerhalb eines Subnetzes). Dazu werden die ankommenden Daten in sog. Rahmen unterteilt, die einzeln übertragen werden. Der Empfänger, der Anfang und Ende eines Rahmens z.b. anhand eines Bitmusters erkennt, überprüft, ob die Übertragung korrekt war (z.b. mittels einer Prüfsumme). Im Fehlerfall wird der entsprechende Rahmen neu angefordert. Weiterhin wird (wie in den meisten höheren Ebenen auch) versucht, eventuell auftretende Staus zu vermeiden, z.b. wenn der Empfänger überlastet ist. Bei Broadcast-Netzen (viele Rechner, ein Medium) wird außerdem der konfliktfreie Zugriff auf das Netz geregelt. Kapitel 1: Grundlagen Seite 47 Kapitel 1: Grundlagen Seite 48

13 Aufgaben der Schichten 3. Netzwerkebene Hier wird dafür gesorgt, dass Daten auch über größere Entfernungen und zwischen heterogenen Subnetzen übertragen werden können. Hauptaufgabe ist dabei, eine geeignete Wegwahl (Routing) zu treffen. Eine notwendige Voraussetzung sind dazu u.a. ein gemeinsamer Adressraum und eine Einigung auf eine maximale PDU- Größe. Zwischenknoten speichern ankommende Nachrichten, schauen in Tabellen den aktuell günstigsten Weg nach und leiten Nachrichten entsprechend weiter. 4. Transportebene (ISO/OSI) Aufgabe dieser Ebene ist es, Daten der Sitzungsebene entgegenzunehmen, sie eventuell in kleinere Stücke zu zerteilen (und später zusammenzusetzen), sie an die Netzwerkebene weiterzugeben und dafür zu sorgen, dass alles auch sicher beim Empfänger ankommt. Dazu werden auf Transportebene Ende-zu-Ende Verbindungen zwischen den kommunizierenden Rechnern hergestellt. Fehler, wie z.b. verlorene Daten, verfälschte Daten, Reihenfolgeumstellungen der Fragmente, werden durch zusätzliche Kommunikation (Quittungen, Wiederholungen...) korrigiert. Zusätzlich bietet die 4. Schicht Flusskontrollmechanismen an, die dafür sorgen, dass der Datenstrom den aktuellen Verbindungsgegebenheiten angepasst wird, d.h. bei Überlastung wird die Senderate gesenkt, bei freiwerdenden Kapazitäten erhöht. Kapitel 1: Grundlagen Seite 49 Aufgaben der Schichten 5. Sitzungsebene Hier wird (ähnlich wie in der Transportebene) ein zuverlässiger Datentransport zwischen Rechnern angeboten. Allerdings werden zusätzliche Dienste bereitgestellt, z.b. die Möglichkeit zur Dialogkontrolle, d.h. es kann festgelegt werden, in welche Richtung übertragen werden darf. Damit eng verwandt ist das Token-Management, welches ebenfalls zur Ebene 5 gehört. Bei der Übertragung können sog. Token (Marken) ausgetauscht werden. Bei bestimmten Operationen darf dann nur der Kommunikationspartner, der im Besitz des Tokens ist, diese Operation durchführen. Schließlich ist es Aufgabe der Sitzungsebene, Wiederaufsetzpunkte bereitzustellen. Wurde beispielsweise eine 2-stündige Dateiübertragung mittendrin durch einen Ausfall unterbrochen, so braucht nicht die gesamt Übertragung wiederholt werden, sondern man geht nur bis zum letzten Aufsetzpunkt zurück. Kapitel 1: Grundlagen Seite 50 Aufgaben der Schichten 6. Darstellungsebene Beschäftigt sich damit, die zu übertragenden Daten so darzustellen, dass sie von vielen unterschiedlichen Systemen gehandhabt werden können. So kodieren beispielsweise manche Rechner einen String mit ASCII-Zeichen, andere benutzen Unicode, manche benutzen bei Integern das 1-, andere das 2-Komplement. Anstatt für jede Anwendung eine eigene Übertragungssyntax und -semantik zu definieren, versucht man hier eine allgemeingültige Lösung bereitzustellen. Spezifische Daten eines Rechners werden dazu in ein abstrakte (und von allen anerkannte) Syntax übersetzt und vom Empfänger dann in sein persönliches Datenformat zurückübersetzt. 7. Anwendungsebene (ISO/OSI) In dieser Ebene werden (Standard-)Protokolle zur Verfügung gestellt, die von einer ganzen Reihe von Anwendungen/Systemen benutzt werden können. Ein Beispiel ist File Transfer. Auf der Anwendungsebene wird dazu ein allgemeingültiges Protokoll samt Schnittstelle für File Transfer bereitgestellt. Für Systeme unterschiedlicher Hersteller muss nur noch die Anbindung an das lokale File System realisiert werden. Andere Beispiele sind , Directory Services, Remote Operations etc. Standardisierungsgremien - Auswahl Internet Engineering Task Force - IETF Forum für die technische Koordination der Arbeiten zum Arpanet, dem Vorläufer des Internets (seit 1986). Entwicklung zur großen, offenen und internationalen Gemeinschaft von Administratoren, Herstellern und Forschern. Beschäftigt sich mit der Evolution der Internet-Architektur und der reibungslosen Operation des Internets. Verschiedene Arbeitsgruppen zu Internet-Protokollen, Anwendungen, Routing, Sicherheit,... Standardisierungsentwürfe können erst dann zum Standard werden, wenn eine funktionierende Implementierung an zwei unabhängigen Standorten mindestens 4 Monate lang getestet wurde. Ergebnis dieses Standardisierungsprozesses: durchschlagender Erfolg der Internetprotokolle TCP/IP. Kapitel 1: Grundlagen Seite 51 Kapitel 1: Grundlagen Seite 52

14 Das TCP/IP-Referenzmodell Aufgaben der Schichten Anwendungsebene (Application Layer) Darstellungsebene (Presentation Layer) Sitzungsebene (Session Layer) Transportebene (Transport Layer) Netzwerkebene (Network Layer) Sicherungsebene (Data Link Layer) Bitebene (Physical Layer) ISO/OSI Anwendungsebene existieren nicht Transportebene Internet-Ebene Host-to-Network-Ebene TCP/IP Host-to-Network-Ebene (entspricht ISO/OSI 1-2) Nur sehr vage definiert. Das TCP/IP-Referenzmodell beschränkt sich auf die Aussage, dass ein Host über ein Protokoll so mit dem Netz verbunden sein muss, dass es möglich ist, IP-Datagramme zu versenden und zu empfangen. Das Protokoll selbst ist nicht vorgeschrieben und kann so von Netz zu Netz variieren. Internet-Ebene (entspricht ISO/OSI 3) Der Term Internet bezieht sich hier auf das Internetworking zwischen unterschiedlichen Netzen, also nicht auf das Internet. Aufgabe dieser Ebene ist es, eine Kommunikation zwischen Rechnern über die eigenen lokalen Netzwerkgrenzen hinaus zu ermöglichen. Die dabei gewählte Übertragungstechnik ist paketvermittelnd, d.h. Datagramme werden unabhängig voneinander und mit ausreichender Adressinformation versehen vom Sender losgeschickt. An der Grenze zwischen zwei Netzen sorgen Router für die Weiterleitung der Daten. Da die Wahl des Weges i.a. dynamisch ist, können Pakete in einer anderen Reihenfolge ankommen als sie abgesendet wurden. Ebenso sind Verluste von Daten möglich (Pufferüberläufe, Übertragungsfehler). Die Behebung solcher Situation ist der Transportebene vorbehalten. Im Unterschied zu ISO/OSI legt die Internet-Ebene ein festes Paketformat mitsamt Protokoll fest, das sogenannte Internet Protocol (IP). Kapitel 1: Grundlagen Seite 53 Kapitel 1: Grundlagen Seite 54 Aufgaben der Schichten Transportebene (entspricht ISO/OSI 4) Diese Ebene kümmert sich um die Kommunikation zwischen den Endgeräten. Das TCP/IP-Referenzmodell definiert zwei unterschiedliche Ende-zu-Ende Protokolle. Das erste ist TCP (Transmission Control Protocol), ein zuverlässiges, verbindungsorientiertes Protokoll, welches einen Strom von Bytes sicher zwischen zwei Rechnern überträgt. Dazu wird der Strom segmentiert und in IP-Pakete verkapselt. Auf der Gegenseite werden die ankommenden Pakete in der richtigen Reihenfolge zusammengesetzt, so dass der ursprüngliche Datenstrom entsteht. TCP sorgt auch für Flusskontrolle, damit der Sender den möglicherweise langsameren Empfänger nicht überlastet. Das zweite Protokoll nennt sich UDP (User Datagram Protocol), ist unzuverlässig ( best effort ) und verbindungslos. UDP wird benutzt, wenn eine schnelle Lieferung der Daten wichtiger ist als eine absolut zuverlässige (Sprache, Video). Anwendungsebene (entspricht ISO/OSI 7) In dieser Ebene werden Anwendungsprotokolle implementiert. Dazu gehören Protokolle wie TELNET (einloggen und arbeiten auf einem entfernten Rechner), FTP (Dateitransfer), SMTP (für elektronische Post), DNS (Abbildung von Rechnernamen auf IP-Adressen), HTTP (Übertragung von WWW-Seiten) usw. Kapitel 1: Grundlagen Seite Zeitaspekte Das Terrain war schon weitgehend besetzt; TCP/IP-Protokolle waren bereits weit verbreitet, als OSI die fertige Spezifikation vorlegte. 2. Unverbindlichkeit 3. Umständlichkeit Probleme des OSI- Referenzmodells Ein Referenzmodell ist allzu unverbindlich. Es sagt allenfalls, was gemacht werden soll, nicht aber wie es gemacht werden soll. 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! Kapitel 1: Grundlagen Seite 56

15 4. Politisches Umfeld Probleme des OSI- Referenzmodells 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. Kapitel 1: Grundlagen Seite 57