Wirtschaftsinformatik IV - Informationswirtschaft. Grundlagen der Rechnernetze ISO/OSI-Referenzmodell TCP/IP-Referenzmodell

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1 Wirtschaftsinformatik IV - Informationswirtschaft Grundlagen der Rechnernetze ISO/OSI-Referenzmodell TCP/IP-Referenzmodell 16. Mai 2011

2 Grundlagen der Rechnernetze - Kommunikation 2

3 Entwicklung der Rechnernetze (1) 1966: Experimentelles Rechnernetz mit drei Rechnern am MIT aufgebaut 1968: Verbindung von Rechnern über ein gemeinsames Medium Ziel: Datenübertragung auch während eines Atomkrieges 1969: Gründung der Network Working Group und erste Protokollbeschreibungen als RFC ARPANET: Die ersten vier Rechner werden miteinander verbunden (UCLA, UCSB, SRI, University of Utah) 1971: Experiment: Einloggen in entfernte Rechner Nutzung von 1972: Erste öffentliche Demonstration des ARPANET (15 Knoten) 1973: Erste Satelliten-Übertragungsstrecke (Hawaii-CA) zum Anschluss an das ARPANET 3

4 Entwicklung der Rechnernetze (2) 1973/74: Entwurf der TCP/IP-Protokolle zur Verknüpfung verschiedener Netze (Vinton G. Cerf und Robert E. Kahn, Turing Award 2004) 1977: Am ARPANET sind 111 Rechner angeschlossen 1978: TCP wird in TCP und IP aufgeteilt 1980: TCP/IP-Protokolle in Berkeley UNIX Ende 80er: Am ARPANET sind 4000 Rechner angeschlossen Internet breitet sich in Europa und Australien aus Wachstumsrate: 10-15% Rechner pro Jahr über 25% Datenverkehr pro Jahr : 85% Zuwachs an Rechnern zwischen 89 und 92 ( Rechner 89, Rechner 92) Rechner 1993! 1984: Standardisierung des ISO/OSI Referenzmodells für Rechnernetze 4

5 Entwicklung der Rechnernetze (3) 1990: Implementierung des WWW-Prototypen (HTML, URL, HTTP) ISO-OSI Architektur Das ARPANET wird offiziell außer Betrieb genommen : 105% Zuwachs an Datenvolumen 120% Zuwachs an Netzen 1993: Entwicklung des graphischen Webbrowsers NCSA Mosaic 1994: Netscape wird gegründet (Vorgänger von Mozilla) 1998: Internetadressen in Deutschland genießen den Markenschutz (OLG Karlsruhe) 1999: Nokia stellt erstes Mobiltelefon (Nokia 7110) mit WAP vor Standard für WLAN (IEEE a/b) wird verabschiedet 2000 Versteigerung der UMTS-Lizenzen in Deutschland (50,8 Mrd. ) 2002: Mozilla 1.0 wird unter freier Lizenz vorgestellt Mai ,697,205 Webseiten (Netcraft Web Server Survey) 5

6 Elemente von Rechnernetzen Endgeräte: Host (z.b. PC) Server (z.b. Mail-, Webserver) Mobile Endgeräte (z.b. Laptop, Mobiltelefon) Innenleben : Switch (z.b. Hub, Router) Modem (z.b. DSL-, Kabelmodem) Basisstation (z.b. WLAN-Basisstation) Verbindungen: Verbindungen (z.b. über Kupferkabel, WLAN) Satellitenverbindung (z.b. für interkontinentale Verbindungen) Internetzugangspunkte ISP (z.b. T-Online) 6

7 Kommunikation zwischen Endgeräten Anwendungsarchitekturen: Client-Server Peer-to-Peer Diensttypen eines Rechnernetzes: verbindungsorientierter Dienst (Reservierungsprinzip) Paketvermittlung oder Leitungsvermittlung verbindungsloser Dienst (Weiterreichungsprinzip) Paketvermittlung oder Speichervermittlung 7

8 Netzwerktypen/-topologien 8

9 Anwendungsarchitekturen Client-/Server Architektur Peer-to-Peer Architektur Definierte Rollenverteilung Client: Dienstanfrage und Präsentation Server: Dienstlogik und Datenhaltung Beispiel: Web Surfing, Dynamische Rollenverteilung Endgerät kann Client und Server sein Beispiel: BitTorrent 9

10 Übung Übung 10

11 Vermittlungsarten Leitungsvermittlung (circuit switching) für die Kommunikationspartner wird eine dedizierte Verbindung hergestellt Speichervermittlung (store and forward routing) Daten werden von einer Vermittlungsstelle zur nächsten weitergegeben und vollständig gepuffert Paketvermittlung (packet switching) Daten werden in Pakete zerteilt, Pakete werden unabhängig voneinander befördert 11

12 Vermittlungsarten 12

13 Leistungsparameter Bandbreite (Übertragungsrate) Übertragbares Datenvolumen pro Zeiteinheit Maßeinheit: Bits pro Sekunde (b/s bzw. bps) Vorsicht bei den Maßeinheiten: 1 kb/s = 1000 Bits/Sekunde, 1 Mb/s = 1000 kb/s 1 KB = 1024 Bytes, 1 MB = 1024 KB Durchsatz: tatsächlich erreichte Bandbreite Durchsatz = Transfergröße / Transferzeit Transferzeit (Latenz) Zeit vom Beginn des Absendens einer Nachricht bis zu ihrem vollständigen Empfang Round-Trip-Time (RTT) Zeit, um eine (leere) Nachricht von A nach B und wieder zurück zu schicken 13

14 Leistungsparameter Bestandteile der Transferzeit: Transferzeit = Signallaufzeit + Übertragungsdauer + Zeit für Pufferung in (Zwischen-)Knoten Signallaufzeit = Entfernung / Lichtgeschwindigkeit Lichtgeschwindigkeit im Kupferkabel m/s Übertragungsdauer = Nachrichtengröße / Bandbreite 14

15 Übung Übung 15

16 Beispiel für Schichtenmodell: Dolmetscher 16

17 Dienste einer Schicht Dienste einer Schicht Eine Schicht N stellt Dienste für die darüber liegende Schicht N+1 bereit. Diese Dienste setzen sich zusammen aus: Dienstleistungen, die innerhalb dieser Schicht N erbracht werden. Dem kumulativen Resultat der Dienstleistungen aller darunter liegenden Schichten <N. 17

18 Kommunikation zwischen Schichten Schnittstellen innerhalb eines Hosts Programme auf Schicht N kommunizieren über Schnittstellen direkt mit Schichten N+1 und N-1. Vertikale Kommunikation Protokolle zwischen verschiedenen Hosts Programme auf Schicht N von Host A kommunizieren über Protokolleindirekt mit Schicht N von Host B. Horizontale Kommunikation 18

19 Spezifikation von Protokollen Protokolle Typen der Nachrichten z.b. Request/Response Syntax der verschiedenen Nachrichten Welche Felder eine Nachricht enthält. Kontrollinformationen Semantik der Felder Welche Informationen sie enthalten und wie sie zu interpretieren sind. Ablaufregeln Wann und wie ein Teilnehmer welche Nachricht sendet. Ein Protokoll definiert eine Menge von Vereinbarungen zwischen zwei Prozessen mit dem Ziel einer gemeinsamen Kommunikation. 19

20 Protokoll-Dateneinheiten Schicht N erweitert zu sendende Daten um Kontrollinformationen (header) zu einer Protocol Data Unit (PDU). Zwei kommunizierende Prozesse auf gleicher Schicht N tauschen indirekt N- PDUs aus, indem sie die Dienste der Schicht N-1 nutzen. Für Schicht N-1 sind diese N-PDUs, die zu übermittelnden Daten, die für den Transport zum Partner wiederum um einen Header für Schicht N-1 erweitert werden. 20

21 Segmentierung von PDUs Es besteht nicht notwendigerweise eine 1-zu-1 Beziehung zwischen den PDUs. Abhängig vom verwendeten Protokoll können N-PDUs auch in mehrere (N-1)-PDUs aufgeteilt werden. 21

22 ISO/OSI-Referenzmodell ISO Open Systems Interconnection (OSI) International Organization for Standardization (ISO) leistet 1983 Pionierarbeit auf dem Gebiet der Datenkommunikation. Schlägt OSI als ein Modell für geschichtete Kommunikationssysteme vor. Open Systems Interconnection Reference Model (OSI) (ISO International Standard 7498) OSI spezifiziert sieben Schichten mit ihren jeweiligen Funktionen. 22

23 Die 7 ISO/OSI-Schichten (1/2) Schicht 7: Anwendungsschicht Anbieten von (Standard-)Protokollen (beispielsweise für Dateitransfer), die von allen Anwendungsprogrammen eines Hosts genutzt werden können. Schicht 6: Darstellungsschicht Konvertierung der übermittelten Daten in plattformunabhängige Darstellung, die von den kommunizierenden Anwendungsprozessen verstanden wird. Schicht 5: Kommunikationssteuerungsschicht oder Sitzungssicht Dienste zur Verwaltung von Sitzungen Prozesssynchronisation mittels Token-Management oder Checkpointing. Schicht 4: Transportschicht Ende-zu-Ende Übermittlung von Daten. Zuverlässige und verbindungsorientierte Datenübertragung. Flusskontrolle verhindert "Datenüberschwemmung" beim entfernten End-Host. 23

24 Die 7 ISO/OSI-Schichten (2/2) Schicht 3: Vermittlungsschicht Adressierung und Wegewahl. Transparente Übermittelung von Daten über große Distanzen. Bietet sowohl verbindungsorientierte als auch verbindungslose Datenübertragung. Schicht 2: Sicherungsschicht Entdeckt und korrigiert Übertragungsfehler zwischenbenachbarten Hosts. Flusskontrolle verhindert Datenüberschwemmung beim benachbarten Host. Bei Broadcast-Medien: Regelung des Medienzugriffs. Schicht 1: Bitübertragungsschicht Transparente Übertragung eines Stroms binärer Information über ein Medium. Repräsentation der Signale auf dem Medium. 24

25 Virtuelle und reale Kommunikation 25

26 Übung Übung 26

27 TCP/IP-Referenzmodell Erste Spezifizierung Entwickelt für das ARPANET zur einfachen Verbindung mehrerer Hosts unter dem Designziel einer stabile Kommunikation, auch wenn Teile des Netzes ausfallen. Ebenfalls von seinem Nachfolger, dem Internet, genutzt. 27

28 Die 4 TCP/IP-Schichten Anwendungsschicht (entspricht ISO/OSI Schicht 7) Bietet (Standard-)Protokolle. (z.b. HTTP für Web oder SMTP für Mail-Transfer) Anwendungsprogramme definieren oft eigene Protokolle. Transportschicht (entspricht ISO/OSI Schicht 4) Erlaubt Ende-zu-Ende Kommunikation zwischen Hosts mit zwei Protokollen: Unzuverlässiges und verbindungsloses User Datagram Protocol (UDP). Zuverlässiges und verbindungsorientiertes Transport Control Protocol (TCP). Vermittlungsschicht (IP) (entspricht ISO/OSI Schicht 3) Adressierung und Wegewahl. Nur ein verbindungsloses Protokoll (IP) spezifiziert. Netzzugangsschicht (entspricht ISO/OSI Schichten 1 und 2) Nicht weiter spezifiziert! Protokolldesign ist anderen Standards überlassen. 28

29 Die Internet-Architektur Protokollgraph der Internet-Architektur Sanduhr-Modell: IP als zentrale Verbindung der höheren Protokolle und der Netzwerkschicht 29