Teil VIII. Rechnernetze

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1 Teil VIII Rechnernetze

2 Überblick 1 Einführung 2 3 TCP/IP und das Internet Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

3 Einführung Rechnernetze Definition (Rechnernetz) Ein Rechnernetz ist ein Zusammenschluss von verschiedenen autonomen Computern zum Zweck des Austauschs von Information. Auch: Rechnernetzwerke oder einfach Netzwerk, Englisch: Computer Network Bedeutender Einfluss auf Verbreitung von Rechentechnik Verbessern Nutzen und Nutzbarkeit von Computern im öffentlichen und geschäftlichen Bereich Zugreifbarkeit von Daten und Diensten Effizienz durch Verteilung und Parallelität Maßgebliche Ursache für Popularisierung von Computern im privaten Bereich (z.b. WWW) Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

4 Einführung Rechnernetz (Beispiel) Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

5 Einführung Aufbau von Netzen Nodes: Knoten im Netzwerk Host: Rechner im Netzwerk als spezieller Knoten mit eigener Adresse Knoten ohne Adresse: z.b. Hubs, Switches oder Modems Weitere Knoten mit Adesse: Router, Drucker, etc. Link: Verbindung zwischen einzelnen Knoten direkt (Zweipunktverbindung) oder über einen Bus (geteiltes Übertragungsmedium ) Subnetze: kleinere Teilnetze verbinden Kommunikationsinfrastruktur: Zusammenfassung und Abstraktion von verbundenen Rechnernetzen in einem definierten Kontext (z.b. Internet oder lokales Netzwerk einer Firma) Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

6 Einführung Anwendungen in Netzen Anwendungen im Netz fallen in 2 Hauptkategorien (typische Architekture) Client-Server: ein Programm auf einem Rechner stellt einen Dienst bereit (Server) den andere Programme auf anderen Rechnern nutzen (Clients) Beispiele: WWW (Web-Server und Web-Browser), (Mail-Server, Mail-Clients), Datenbanksysteme (DB-Server und DB-Anwendung) Normalerweise Pull-Ansatz: Clients lösen Kommunikation durch Dienstaufruf aus Push-Ansatz: Server überträgt aktiv Daten an Clients (z.b. bei Eintreffen oder Vorliegen einer bestimmten Bedingung) Peer-to-Peer: Kommuinkation findet zwischen gleichberechtigten Programmen im Netz statt, d.h. jeder kann Dienste Nutzen und bereitstellen Beispiele: Chat (IRC, ICQ), File Exchange (Gnutella, BitTorrent) Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

7 Bestandteile von Rechnernetzen Funktion des Gesamtnetzwerkes ergibt sich aus Hardware und Software Hardware: Übertragungsmedien: Kabel, Funk Spezielle Geräte/Rechner: Hubs, Switches, Router, etc. Angeschlossene Endgeräte (Hosts, Drucker) Software: Implementierte Protokolle ( ) zur Umsetzung der Kommunikation Netz-fähige Anwendungen Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

8 Netzwerktopologien Netzwerktopologie: Anordnung von Knoten in einem Netzwerk folgt in der Regel grundlegenden Mustern Unterscheidung in zwei Ebenen (in etwa Ebenen 1 und 2 des ISO/OSI-Referenzmodells ) Physische Topologie: entspricht tatsächlicher Verbindung der Knoten durch Übertragungsmedium ( Verkabelung, Funkkanäle) Logische Topologie: entspricht Kommunikationsstruktur zwischen Knoten dieses Netzes Logische und physische Struktur können voneinander abweichen, z.b. Ethernet verkabelt möglich als Ring, logische Kommunikation entspricht aber Bus (Nachricht geht an alle Knoten) Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

9 Wichtige Netzwerktopologien Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

10 Netzwerktopologien /2 Verschiedene Topologien unterscheiden sich bezüglich wichtiger Kriterien Ausfallwahrscheinlichkeit bei lokalen Störungen (Ausfall eines Knotens) Geschwindigkeit einer einzelnen Übertragung (über einen Link oder mehrere Hops) Durchsatz: Möglichkeit paralleler Übertragungen Skalierbarkeit: Leichtigkeit des Hinzufügens neuer Knoten Aufwand für Implementierung und Einsatz... Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

11 Aufbau komplexerer Netze Komplexere Netze bilden sich aus Kopplung von Teilnetzen entsprechend eigener Topologie Meist: (lose) hierarchische Struktur von Netzen Beispiel Internet: Backbone (Wirbelsäule)-Netz zur Verbindung zentraler Punkte auf Kontinenten und in Ländern Darunter organisieren sich größere Netzwerke für Universitäten, Provider, Firmen Darunter organisieren kleinere Netze in Abteilungen, Niederlassungen, Haushalten... In Firmen vorherrschend: hierarchisch organisierte Bus-Topologien Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

12 WAN, LAN, WLAN, etc. Wide Area Network (WAN): große, Länder- oder Kontinentgrenzen überschreitende Rechnernetze bestehend aus vielen Teilnetzen und offen für beliebige Anzahl weitere Knoten vor allem das Internet Local Area Network (LAN): Rechnernetz in einem bestimmten, abgeschlossenen geographischen oder organsiatorischen Kontext, z.b. Rechnernetz einer Firma, Universiät oder eines Haushalts schnellere Übertragung, keine oder geringe hierarchische Struktur Wireless LAN (WLAN): kabelloses LAN unter Verwendung von Funktechnologie zur Untertstützung flexibler Strukturen und mobiler Geräte Ad hoc WLAN: Rechner kommunizieren untereinander gleichberechtigt in einer Mesh-Topologie (z.b. Bluetooth) Infrastruktur: zentrale Basisstation (Access Point) existiert Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

13 Netzwerkprotokolle Netzwerkprotokolle Protokoll allgemein: Festlegung der Regeln für den Umgang und die Kommunikation Definition (Protokoll) Ein Protokoll im Sinne von Rechnernetzen ist eine implementierbare Festlegung, wie der Verbindungsaufbau sowie die Übertragung von Daten zwischen zwei Netzwerkknoten abläuft. Viele verschiedene Protokolle existieren, welche in Protocol Stacks (Protokollstapel) eingeordnet werden können Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

14 Protocol Stacks Protocol Stack: Anordnung von Protokollen in Ebenen Einzelne Protokolle bieten nach oben wohldefinierte Schnittstelle Verlassen sich nach unten auf Bereitstellung der Funktionalität durch tiefere Protokollebene Unterstützen schrittweise Abstraktion von Anwendungsprogrammen (obere Ebenen) bis hin zum Übertragungsmedium (untere Ebenen) Ermöglichen Flexibilität bzgl. der Wahl unterschiedlicher Übertragungsmedien (untere Schichte austauschbar) und verschiedener Anwendungen (obere Schichten austauschbar) Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

15 Das ISO/OSI-Referenzmodell L7 Application L6 Presentation L5 Session L4 Transport L3 Network L2 Data Link L1 Physical Anwendungsspezifische Funktionen Anpassung der Darstellung der Daten Zustandsbehaftete Verbindung der Anwendungen Kopplung von Anwendungen an Übertragungssystem Logische Adressierung und Vermittlung über Netzwerkgrenzen Adressierung und Vermittlung im physischen Netzwerk Physische Übertragung der Daten über Medium (Hardware) Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

16 Das ISO/OSI-Referenzmodell Standardisiertes Modell für den Aufbau von Protocol Stacks Aufteilung in Protokollebenen (Layers), welche bestimmte Abstraktionsstufen und entsprechende Funktionalität beschreiben In der Form nicht implementiert, aber für die Beschreibung und den Vergleich von Protokollen notwendig Grundlage für das Verständnis der Funktionsweise von Rechnernetzen Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

17 Packet Switching Heutige Rechnernetze basieren auf Packet Switching (Paketvermittlung): Zu übertragende Daten, Dateien, Datenströme, etc. werden in Pakete (Datenblöcke) fester Größe zerlegt Pakete relativ klein (z.b. meist ca Byte bei TCP/IP) Datenübertragung wird durch geeignetes Weiterleiten (Routing) von Paketen durch feststehende Leitungsverbindungen umgesetzt Routing ist Aufgabe einer Protokollebene, z.b. Internet Protocol (IP) bei TCP/IP inter net = Übertragung zwischen den Netzen (verschiedenen physischen Verbindungen) = Routing Alternative wäre Circuit Switching (Leitungsvermittlung) Übertragung durch dynamischen Aufbau von Leitungsverbindungen z.b. bei Telefonnetzen Physischer Weg der Datenübetragung: Pakete werden zwischen Protokollebenen ausgetauscht und auf dem Netzwerkmedium übertragen Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

18 Verbindungen/Kommunikation im ISO/OSI-Referenzmodell L7 L6 L5 L4 L3 L2 L1 L7 L6 L5 L4 L3 L2 Virtuelle Verbindung: Zwischen gleichen Protokollebenen (Peer-to-Peer) Physische Verbindung: Von Layer zu Layer bzw. auf physischem Medium Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

19 Kopplung von Netzwerken Hub Bridge/ Switch Router Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

20 Kopplung von Netzwerken Gateway: (Protokollumsetzer) allgemeine Bezeichnung für Kopplung von Netzen, die unterschiedliche Protokolle verwenden, Kopplung auf beliebiger Protokollebene möglich, Begriff mit verschiedenen Bedeutungen eingesetzt Router: Verbindung verschiedener Netzen auf OSI-Schicht 3, welches das geeignete Weiterleiten von Datenpaketen (z.b. über Routing-Tabellen für Netzwerkadressen) Bridge: Kopplung physischen Segmenten von Netzwerken auf der OSI-Schicht 2, Berücksichtigung von Aspekten der logischen Datenübetragung Switch: Aktuellere Lösungen vergleichbar Bridges Hub: Multiport Repeater rein physische Kopplung von Übertragungsmedien Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

21 TCP/IP und das Internet TCP/IP und das Internet Erfolgreichste und meist eingesetzte Familie von Protokollen Technologische Grundlagen entwickelt Ende der 1960er (ARPANET) Wichtigste Protokolle im Lauf der frühen 70er vollständig spezifiziert Erste transkontinentale Verbindung von TCP/IP-Netzen 1975 Popularisiert vor allem durch World Wide Web (seit 1990) Benannt nach TCP und IP: zwei zentrale Protokolle des Protocol Stack Internet: weltweites Netz aller mit TCP/IP verbundenen Rechner (WAN) Intranet: abgeschlossenes und nicht-öffentliches Netzwerk, dass TCP/IP verwendet meist LAN (zum Beispiel in Firmen), aber auch Länder (z.b. Nordkorea) Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

22 TCP/IP und das Internet Der TCP/IP Protocol Stack OSI-Referenzmodell TCP/IP-Protokolle L7 Application L6 Presentation L5 Session L4 Transport L3 Network L2 Data Link L1 Physical Application: Web (HTTP, HTTP), (SMTP, POP), File Transfer (FTP), Remote Login (Telnet, SSH),... Transport: TCP,... Internet: IP,... Link: Ethernet, DSL, WLAN,... Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

23 TCP/IP und das Internet Transmission Control Protocol (TCP) Protokoll zur anwendungsunabhängige Koordination von Datenübertragungen Verbindungsaufbau Bildung von Paketen aus Anwendungsdaten (und Zusammensetzen in anderer Richtung) Verlässlichkeit der Übertragung Konkurrierende Zugriffe verschiedener Anwendungen auf Netz Meist umgesetzt als Treiber/Teil des Betriebssystems Applikationen können direkt über Sockets auf TCP zugreifen Socket entstpricht Verbindungspunkt, auf/aus dem Anwendungen Daten schreiben/lesen können Eine Verbindung besteht aus Quell- und Ziel-Socket Socket eindeutig gekennzeichnet durch IP-Adresse ( ) des Rechners und Port (applikations- oder protokollspezifischer lokaler Identifizierer) Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

24 TCP/IP und das Internet Packet Switching in TCP/IP Application Anwendungsdaten Transport TCP-Pakete mit TCP-Header Internet IP-Pakete mit IP-Header Link z.b. Ethernet Pakete mit Header + Footer Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

25 TCP/IP und das Internet Internet Protocol (IP) Protokoll zur Übertragung von Datenpaketen über Grenzen lokaler Netzwerke hinweg Routing von Datenpaketen über Grenze von Teilnetzen (ggf. mit unterschiedlichen Protokollen der unteren Ebenen) hinweg IP-Adressen weltweit eindeutige Identifizierung Aktuelle gebräuchlich 4 Byte (IPv4), z.b Byte (IPv6) für zukünftige Anwendungen Raum möglicher Adressen unterteilt nach Präfixen für Netze verschiedener Größen Können ggf. dynamisch vergeben werden Über Domain Name System (DNS, Protokoll auf Anwendungsebene) können IP-Adressen eindeutige Namen zugeordnet werden, z.b. glenesk.cs.uni-magdeburg.de Uniform Resource Locator (URL) als vollständige Spezifizierung einer Netzwerkressource besteht z.b. aus Protokoll, IP-Adresse oder Name des Host, Port u.a. Informationen (abhängig von Protokoll), z.b. Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

26 TCP/IP und das Internet Firewalls Firewalls sind ein Mittel zur Abwehr unauthorisierter Zugriffe auf Knoten in einem Netzwerk Umgesetzt zum Beispiel auf Ebene von IP Analyse und möglicherweise Rückweisen von Datenpaketen nach bestimmten Regeln (Packet Filter) Zum Beispiel Sperren bestimmter Protokolle, Ports, etc. Aktuellere Ansätze arbeiten auch auf Ebene der Anwendungsprotokolle (z.b. HTTP, DNS, FTP, etc.) Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

27 TCP/IP und das Internet World Wide Web (WWW) Virtuelles Netzwerk von Dokumenten basierend auf dem Internet Basiert auf Protokollen der TCP/IP-Familie auf Anwendungsebene, vor allem Hypertext Transfer Protocol (HTTP) Dokumente dargestellt mittels Hypertext Markup Language (HTML) Client Server-Anwendung nach folgendem Grundprinzip Web Server stellt über HTTP HTML-Dokumente u.a. zur Verfügung Web Browser (Client) sendete URL als Request und stellt empfangenes Dokumente dar Wichtige aktuelle Aspekte Zunehmende Trennung von Daten und deren Darstellung (z.b. durch Style Sheets) Server-seitige Programmlogik für dynamisch generierte Web-Seiten, zum Beispiel aus Datenbanken (Stichworte: CGI, PHP, Java Servlets) Client-seitige Dynamik durch Einbettung von Programmiersprachen wie JavaScript oder dynamischen Inhalten mittels Adobe Flash Web Services zur Bereitstellung (nicht nur von Dokumenten sondern) von Funktionen und Daten (als XML) über das WWW Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/