Verteilte Systeme Prof. Dr. Stefan Fischer

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1 TU Braunschweig Institut für Betriebssysteme und Rechnerverbund

2 Überblick Schichtenmodelle, Protokolle und Dienste LANs und WANs Internet TCP/IP und UDP 3-2

3 Interessante Netzeigenschaften Performance Verzögerung, Datenrate Skalierbarkeit Ist das Netz immer noch leistungsfähig, wenn es größer wird? Zuverlässigkeit Wie verlässlich ist die Datenübertragung? Sicherheit Kann die Datenübertragung bzw. ein Rechner im Netz gesichert werden? Mobilität Werden mobile Systeme unterstützt? Quality of Service Gibt es mehr als den best effort? Multicast Ist effiziente Kommunikation mit vielen Partnern möglich? 3-3

4 Netzwerkarchitekturen Problem Welche Funktionen gibt es, wie verteilen sie sich auf Komponenten, wie interagieren die Komponenten? Ziele Ermögliche Design, Implementierung, Betrieb. Interoperabilität zwischen Hardware und Software verschiedener Hersteller. Standards statt proprietärer Lösungen Logische Architektur Wie sieht die generische konzeptionelle Struktur des Kommunikationssystems in jedem Netzwerkknoten aus? Physische Architektur Wie sieht die konkrete Verbindungsstruktur zwischen den einzelnen Knoten in einem spezifischen Netzwerk aus? 3-4

5 Logische Netzwerkarchitektur Schichtenmodell Modulstapel in jedem Knoten Jedes Modul fügt den darunter liegenden Modulen Funktionalität hinzu. Interaktionen zwischen den Modulen über standardisierte Schnittstellen (Dienstschnittstelle). Kooperation von Peer-Modulen über Protokolle.... TL NL DL PHY... Layer TL interfaces NL DL PHY Layer protocols 3-5

6 Warum Schichtenmodelle? Für die Kommunikation über ein Netz müssen eine Vielzahl von Problemen gelöst werden. Die Idee ist, diese komplexe Aufgabe in viele kleine, weniger komplexe Aufgaben aufzuteilen. Zur Lösung der Aufgaben in einer höheren Schicht werden die Lösungen der darunter liegenden Schichten verwendet. Bekannte Schichtenmodelle? 3-6

7 OSI-Referenzmodell Open System Interconnection - Reference Model ISO/ITU-T Standard aus den frühen 80ern (ISO 7498). Ziel: Schaffung der Grundlagen für offene Kommunikationssysteme ohne proprietäre Technologien Prinzip und Konzept der Schichtenarchitektur weit verbreitete Vorlage (außer für das Internet!). Architektur mit 7 Schichten ISO/ITU-T Standards existieren für jede der Schichten, aber das Modell wird praktisch nicht mehr eingesetzt viel Redundanz, zu komplex Application processes Application 7 6 Presentation 5 Session Transport 4 3 Network 2 Data Link 1 Physical 3-7

8 TCP/IP-Schichtenmodell Erster und am weitesten verbreiteter Open Stack Standardisierung RFC (Request For Comments) der IETF (Internet Engineering Task Force). (http://freesoft.org/cie/index.htm) TCP/IP versus OSI-RM Einfacher und wesentlich pragmatischer Kein rigoroses Schichtenmodell OSI-RM Application 7 Presentation 6 Session 5 Transport 4 Network 3 Data Link 2 Physical 1 TCP/IP Applications Application Transport Internetwork (host to) Network 3-8

9 OSI-RM: Dienstschnittstellen Dienst Funktionalität, die eine Schicht nach oben hin anbietet Dienstschnittstellen Regeln für die Kommunikation zwischen benachbarten Schichten in derselben Station: Folge von Nachrichten SAP: Service Access Point; durch eine Adresse in der Schicht eindeutig definiert SDU: Service Data Unit. Transport entity N-service primitives DL-service primitives N- SAP Network entity DL- SAP DL-SDU Data Link entity... N-SDU 3-9

10 Datenkapselung ftp client user data user file user data ftp server FTP F user data File transfer protocol F user data FTP TL T F user data TL protocol T F user data TL NL N T F user data NL protocol N T F user data NL DL D N T F user data DL protocol D N T F user data DL PHY PHY 3-10

11 Datenübertragung auf Schicht 1 Example: Ethernet bus bus topology Effects of attenuation, distortion, noise,... Physikalisches Medium Zur Übertragung der Information in Form einer elektromagnetischen Welle PHY Physikalische Schicht Aufgabe: Übertragung von Bitströmen über das Medium. PHY Medium 3-11

12 Schicht 2: Data Link Shared medium multipoint link: Nodes identified by addresses, frames delivered by flooding Collision Hauptaufgaben Fehlerkontrolle Regelung des Medienzugriffs (bei Nutzung eines gemeinsamen Mediums durch viele Stationen) DL/MAC DL/MAC PHY PHY Medium 3-12

13 Physikalische Netzwerktypen Local Area Network Überdeckt kleine Fläche (Gebäude, Campus) Sehr schnell Billig Bekannte Netze Ethernet Token Ring Wireless LAN Wide Area Network Für große Flächen (Länder) Eher geringe Datenrate Teuer wg. Notwendigkeit effizienter Mediennutzung Bekannte Netze: ISDN ATM Frame Relay 3-13

14 Internetworking Various LAN (data link) technologies? Internetworking: Interconnecting a collection of networks Various WAN (data link) technologies Ziel verbinde mehrere physikalische unterschiedlicher Architektur miteinander, so dass die Rechner miteinander kommunizieren können Umsetzung auf der Vermittlungsschicht (Network Layer) 3-14

15 Das Internet Das wichtigste und größte Netzwerk. Die Geschichte des Internet begann Ende der 60er Jahre als kleines Versuchsnetz zwischen vier Südwest-amerikanischen Einrichtungen. Der Aufbau wurde vom Verteidigungsministerium finanziert. Idee: Schaffung eines paketvermittelten Netzes, das sehr robust und wenig anfällig für Zerstörungen ist. Heute: komplette Protokoll-Suite auf den verschiedenen Schichten 3-15

16 TCP/IP Protocol Stack Web browser, ,... Application protocols: HTTP, SMTP, FTP,... Applications Other user applications User space Application Programming Interface (API) IGMP RARP ICMP ARP TCP IP UDP RIP Transport OSPF Network OS kernel LAN DL technology WAN DL technology Data Link 3-16

17 Vermittlungsschicht: Aufgaben Adressierung Eindeutige Identifizierung der angeschlossenen Stationen (netzübergreifend!) Wegewahl durch das Internet Überlastkontrolle Auch bei hoher Last muss das Netz verfügbar bleiben Segmentation/Reassembly Anpassung der Datenpaketgrößen an die transportierenden Netze 3-17

18 Das Modell von IP Datagramme Einzelne, unabhängig voneinander weitergeleitete Pakete, die sich ihren Weg zum Ziel suchen Routing-Tabellen geben den Ausgang zu einem Ziel an R2 R5 Best effort -Dienst Keine Garantie für Auslieferung eines Pakets Korrekte Reihenfolge Praktisch keine Echtzeit yx R1 x yx yx DA,SA data Routing tables Router R1 DA Next hop y R3, R R3 yx R4 yx Router R3 DA Next hop y R yx R6 y Router R6 DA Next hop y

19 IPv4-Paketformat Bits: Bits: Version HdrLng Type Type of of service Total Total length length Identification Flags Flags Fragment offset offset Time Time to to live live Protocol Header checksum octets octets Source address Destination address Options + padding Data Data ( ( octets) octets) Type Type of of Service Service field field (8 (8 bits) bits) Flags Flags field field (3 (3 bits) bits) D = = Don t Don t fragment fragment Precedence Precedence ToS ToS 0 0 D M - - M = = More More fragments fragments Precedence Precedence (priority): (priority): High: High: Network Network control control Low: Low: Routine. Routine. ToS ToS (Type (Type of of Service): Service): Min. Min. delay. delay Max. Max. throughput. throughput Max. Max. reliability. reliability Min. Min. cost cost ($). ($) Normal Normal service. service. Options: Options: Security. Security. Source Source routing. routing. Route Route recording. recording. Time Time stamping. stamping. 3-19

20 IPv4-Adressen 32 bits Binäre und dezimale Darstellung Binary: Dotted decimal: Hierarchische Adressierung Network number + Host number (RFC 791, 1981). Hosts können an mehrere Netze angeschlossen sein; jedes Interface hat dann eine IP-Adresse network (prefix) host Wo liegt die Grenze zwischen Netzwerk und Host? 3-20

21 Class A: to Class B: to IPv4 Classful Addressing Netzwerkklassen Es gibt 3 verschiedene Größen für den Netzwerkpräfix und damit 3 Klassen. Die Netzadresse wird global, die Hostadresse lokal verwaltet. Class C: to Zusätzliche Klassen Class D: to Class E: to network 10 network 110 network host host host multicast group 1111 reserved (future use) 3-21

22 IP Next Generation: IPv6 Substantielles Re-Design von IP Basierend auf den erfolgreichen Eigenschaften von IPv4 Erweiterte und verbesserte Funktionalität Entwickelt zwischen 1992 und 1997 Jetzt stabil, wird in neue Produkte (Router, Betriebssysteme) eingebaut. Neue Eigenschaften Erweiterte Adressen (128-bit). Neue Adressierungsschemata. Neue flexiblere und effizientere Paketformate Auto-Konfiguration ( plug-and-play ) Adressenauflösung und Gruppenmanagement jetzt Teil von ICMPv6 (ARP, IGMP wurden entfernt) Sicherheitsmechanismen direkt im Protokoll (Authentifizierung und Verschlüsselung) Dienstgüteunterstützung 3-22

23 Transportschicht: TCP und UDP Aufgabe der Transportschicht: Datentransport von einem Prozess auf einem Rechner zu einem (oder mehreren) anderen Prozessen auf anderen Rechnern im Internet Zwei Möglichkeiten Der grundlegende unzuverlässige Internetdienst genügt, dann verwende UDP. Er genügt nicht, dann verwende TCP. 3-23

24 Adressierung Applications TCP, UDP IP DL PHY IP address + TCP/UDP port IP address + Protocol id IP address Applications TCP, UDP IP DL PHY Welcher Rechner? IP-Adresse. 32 bits (IPv4), im IP-Paketkopf. Welches Transportprotokoll? Protocol id im IP Paketkopf. Welche Anwendung? TCP/UDP port. 16 bits, im TCP/UDP Paketkopf. 3-24

25 Server Client-Server-Modell Wait for service request Receive request Serve request Send result Distributed application Client Start Send request Receive result Stop Transport protocol Server Wartet ständig an einem Port auf eingehende Verbindungsanfragen. Die Portnummer ist dem Client bekannt. Client Bei einer Anfrage wird ein zur Zeit ungenutzter Port zugewiesen. Die Anfrage geht an den bekannten Port des Servers. 3-25

26 Beispiel: Telnet-Server und Clients port: 3135 neptun.elc.ro Telnet client TCP IP Telnet connection TCP connection : 3135, : 23 IP datagrams hugo.int.fr Telnet server telnet port: 23 TCP IP Telnet connection TCP connection : 5768, : 23 IP datagrams port: 5768 zola.int.fr Telnet client TCP IP 3-26

27 Eigenschaften von TCP und UDP TCP setzt einen zuverlässigen Dienst auf IP auf: Paketauslieferung ist garantiert (bzw. der Sender erhält zumindest eine Fehlermeldung) Die Reihenfolge der eingehenden Pakete entspricht der Sendereihenfolge UDP garantiert dies nicht, ist aber dafür wesentlich schneller. Anwendungen für beide Protokolle? 3-27

28 Umsetzung von TCP TCP setzt vor allem die folgenden Protokollmechanismen ein, um die Effekte erzielen zu können Daten sind numeriert, so dass fehlende Daten schnell festgestellt werden können Mittels ACKnowledgements teilt der Empfänger den korrekten Empfang von Daten mit Mittels Timern stellt der Sender das Ausbleiben von ACKs fest 3-28

29 TCP Pakete ( Segmente ) Pseudoheader IP header (20 bytes +opt.) TCP header (20 bytes +opt.) TCP data Source IP address Destinati on IP address 0 Protocol (6) TCP segment length Source TCP port Destinati on TCP port Sequence number Acknowledgement number Hdr.len. - Fl ags Window size Checksum Urgent poi nter Options (if any) Data (if any) Fl ags: URGACK PSH RST SYN FIN 3-29

30 TCP Protokollablauf User A (client) CLOSED Open-Active SYN-SENT TCP A SYN,... SYN,... Open-Success ESTABLISHED ACK, Send(dt[100])...,..., dt[100] Close FIN-WAIT-1 FIN-WAIT-2 Terminate TIME-WAIT CLOSED FIN,... FIN,... ACK,... ACK,... SYN+ACK,... SYN+ACK,... ACK,... ACK,... ACK,... ACK,... FIN,... FIN,... TCP B CLOSED Open-Passive LISTEN SYN-RCVD Open-Success ESTABLISHED Deliver(dt[100]) Closing CLOSE-WAIT Close LAST-ACK Terminate CLOSED User B (server) 3-30

31 Höhere Schichten Hauptaufgabe: Unterstützung der Anwendung Mögliche Struktur: Session (5): Steuerung der Kommunikationssitzung Presentation (6): Kodierung der Information. Application (7): Protokolle zur Unterstützung bestimmter Anwendungsaufgaben: www, , file transfer, telnet, network file system, network management,... Application processes Upper layers TL NL DL PHY Upper layers TL NL DL PHY Interconnection network Application processes 3-31

32 Weitere Literatur A. Tanenbaum: Computer Networks, 4 th ed., Prentice Hall,

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