Technische Informatik 2 Kommunikation

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1 Technische Informatik 2 Kommunikation Prof. Dr. Miroslaw Malek Sommersemester 2009

2 Thema heute Bisher: Betrachtung einzelner Rechner Nun: Einzelne Computer interagieren mit anderen Rechnern oder Geräten Gemeinsame Nutzung von Ressourcen Kommunikationsmöglichkeiten für Nutzer Zusammenfassung von Rechenleistung Fehlertoleranz OSI-Modell Kommunikationsmedien Netzwerk- und Transportprotokolle Anwendungen Arten von Netzwerken Sicherheit in Netzwerken TI2 Kommunikation - 2

3 Das OSI Modell der ISO Anwendungsschicht Darstellungsschicht Sitzungsschicht Transportschicht Vermittlungsschicht Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Protokolle Application Layer Presentation Layer Session Layer Transport Layer Network Layer Data Link Layer Physical Layer physikalisches Übertragungsmedium OSI Open Systems Interconnect ISO International Standards Organisation TI2 Kommunikation - 3

4 Protokolle und Dienste Protokoll: bekannte Menge von Regeln und Formaten, die zur Kommunikation zwischen Prozessen genutzt werden mit dem Ziel eine gegebene Aufgabe auszuführen Dienst: Erbringung einer wohldefinierten Aufgabe. Der Dienstnehmer und der Dienstgeber kommunizieren über definierte Schnittstellen (Interfaces) TI2 Kommunikation - 4

5 Dienst-Zugangspunkt Die Schnittstelle eines Dienstgeber definiert Dienstzugangsspunkte (service access points, SAP) Der Dienstgeber kann zur Ausführung seines Dienstes andere Dienste nutzen Zugriff über die SAPs der jeweiligen Dienste Transparent für den ursprünglichen Dienstnehmer Layer N+1 Interface IDU ICI SDU SAP SAP: Service Access Point IDU: Interface Data Unit SDU: Service Data Unit ICI: Interface Control Information Layer N ICI SDU TI2 Kommunikation - 5

6 Kommunikationsmedien: Details Physikalische Voraussetzungen: Nutzung geeigneter Verfahren, um Informationen über ein Medium übertragen zu können Topologie: Physikalische Struktur eines Netzes Zugriffssteuerung (bei gemeinsam genutzten Medien) Koordinierung zwischen mehreren Sendern, um Kollisionen und damit Zerstörung von Nachrichten zu vermeiden Zugriffspolitiken o Fairness o Priorisierung TI2 Kommunikation - 6

7 Physikalische Voraussetzungen Elektromagnetische Wellen zur Datenübertragung sichtbares Licht TI2 Kommunikation - 7

8 Physikalische Voraussetzungen(2) Medien als Träger elektromagnetischer Wellen An Kabel gebunden Elektrische Übertragung o Twisted Pair Kabel o Koaxial Kabel Optische Übertragung o Glasfasern (Mono-Mode und Multi-Mode) Kabellos Übertragung mit Funk o Nutzung lizenzfreier Bereiche des Spektrums o Nutzung lizenzgebundener Bereiche des Spektrums Übertragung mit Licht o Laserstrahlen über mittlere Entfernungen o Infrarot über geringe Entfernungen TI2 Kommunikation - 8

9 Übertragungstechniken Bitparallele Übertragung Busse über kurze Entfernungen (eine Leitung pro Bit) Kodierung analog CPU-internen Bussen Gefahr der Eigenstörung durch Übersprechen Bitserielle Übertragung Kostengünstig durch geringe Anzahl von Adern pro Kabel Keine Eigenstörungen durch Übersprechen Informationsübertragung durch Modulation der Trägerwelle o Frequenzmodulation o Amplitudenmodulation o Phasenmodulation o Mischformen TI2 Kommunikation - 9

10 Netzwerk Topologien... Ring Bus Stern Daisy TI2 Kommunikation - 10

11 Zugriffssteuerung Problem: Wer überträgt auf einem gemeinsamen Medium wann? Zentralisierte Lösungen: Polling Dezentrale Lösungen: Tokenbasiert: garantierte Fairness, weitgehend deterministisches Zeitverhalten Definierte Slots für einzelne Teilnehmer (TDMA): garantierte Fairness, deterministisches Zeitverhalten Rivalisierend (z.b. CSMA/CD -Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection ) o Auf Stille warten o Senden, dabei durch Empfangen auf Kollision prüfen o Im Falle einer Kollision Abbruch und zufällig lange warten o Stochastische Fairness, im Mittel geringe Latenz Auf Basis von Wartezeiten TI2 Kommunikation - 11

12 Anbindung von Netzwerken Problem: Netzwerktransfers sind meist deutlich langsamer als CPUinterne Vorgänge Bedürfen keiner ständigen Steuerung durch die CPU Lösung: Direkter Speicherzugriff (DMA: Direct Memory Access) Komponenten können über DMA-Controller direkt auf den Speicher zugreifen Erfordert Verfahren zum gegenseitigen Ausschluß Umsetzung: Wie E/A (Vorlesung 18) TI2 Kommunikation - 12

13 Schnittstellendesign Brücke zwischen Hostsystem und Netzwerk Hostspezifischer Teil Angebunden an interne Busse des Hosts Umsetzung von Datenformaten Netzspezifischer Teil Empfangssteuerung Übertragungsssteuerung Adressauswertung Signalisierung Host TI2 Kommunikation - 13 Hostspezifischer Teil Schnittstelle Netzspezifischer Teil Netz

14 Verbindungslose und Verbindungsorientierte Kommunikation Verbindungsorientiert (connection-oriented): virtueller Kanal zwischen Sender und Empfänger Übertragung von Datenströmen Verbindungslos (connectionless): Jede Nachricht wird einzeln zum Ziel geschickt TI2 Kommunikation - 14

15 Beispiel: Internet Protokollsuite TCP/IP: Transmission Control Protocol / Internet Protocol Presentation- und Sessionlayer existieren im TCP/IP-Modell nicht Der Host-to-Network-Layer ist im TCP/IP-Standard nicht beschrieben OSI TCP/IP 7 Application Application 6 5 Presentation Session existieren im Modell nicht Transport Network Data link Physical Transport Internet Host-to-network TI2 Kommunikation - 15

16 Internet Protokoll Transport von Daten zwischen Netzwerken Grundlage: Netzwerkspezifische Protokolle der Host-to-Network-Schicht Beispiel: Ethernet Aufgaben: Zerlegen von Datagrammen (Fragmentierung) Routing (Weg vom Quelle zum Ziel) International eindeutige Adressierung mit 32 Bit (IP V4) 128 Bit (IP V6) Konzept der Subnetze, um Routing zu vereinfachen TI2 Kommunikation - 16

17 User Datagram Protocol (UDP) Verbindungsloses Protokoll Keine Garantien (Sicherheit muß auf höheren Ebenen gewährleistet werden) Geringer Overhead Genutzt durch: tftp (tiny file transfer protocol) DNS (Domain Name Service) TI2 Kommunikation - 17

18 Transmission Control Protocol (TCP) Verbindungsorientiertes Protokoll Zuverlässig (Höhere Schichten können von einer zuverlässigen Verbindung mit Erhaltung der Reihenfolge ausgehen) Höherer Overhead als UDP Genutzt durch: FTP HTTP Telnet ssh TI2 Kommunikation - 18

19 Anwendungsprotokolle Schnittstelle zwischen Anwendungsprogramm und Netzwerk Standardisierte Protokolle gewährleisten Interoperabilität Beispiele (für TCP/IP): Übertragung von Dokumenten (ftp, http) Entfernter Rechnerzugriff (telnet, rsh, ssh, rdesktop) Kommunikation o Mail (SMTP, POP3, IMAP) o News (nntp) o Chat (irc) siehe: /etc/services auf einem Unix-System TI2 Kommunikation - 19

20 Netzwerke: Einteilung nach der Entfernung Wenige Dezimeter innerhalb von Rechnern: Bussysteme Einige Meter innerhalb einer Steuerungsanlage: Feldbusse Einige Meter bis zu wenigen Kilometern in einem Gebäude oder Gebäudekomplex einer Organisation: LAN (local area network) Länderweit oder planetenumspannend: WAN (wide area network) Datennetze Telekommunikationsnetze TI2 Kommunikation - 20

21 Bussysteme Verbindung von Komponenten innerhalb eines Rechnersystems... PCI (Peripheral Component Interconnect) SCSI (Small Computer System Interface) VME (VersaModule Eurocard bus) ISA (Industry Standard Architecture)...oder Anbindung von Peripherie... USB (Universal Serial Bus) SCSI Firewire...oder Verbindungen zwischen CPUs eines Parallelrechners. Eigenschaften: Hohe Datenrate Hohe Zuverlässigkeit TI2 Kommunikation - 21

22 Feldbusse Ziel Anbindung von Sensoren und Aktuatoren an ein (Echtzeit-) Steuerungssystem Übertragung kurzer Datenpakete mit vorhersagbaren Übertragungs- und Verzögerungszeiten Kostengünstige Verkablung Lösungen Feldbusse auf Basis von Zweidrahtleitungen Protokolle mit geringem Overhead Beispiele Controller Area Network (CAN) Time Triggered Protocol Version A (TTP/A) FlexRay TI2 Kommunikation - 22

23 Anwendungen: Verkablungen in Gebäuden Fahrzeugen (insbesondere CAN und TTP) Industrieanlagen Flugzeugen (z.b. ARINC 620 in Boeing 777) Typische Parameter (Beispiel: CAN): Datenrate: bis zu 1 Mbit/s Entfernungen: bis zu 40 Meter Paketnutzgröße: Byte Priorisierte Übertragungen Häufig echtzeitfähig o vorhersagbare Latenz o vorhersagbare Übertragungsdauer Feldbusse (2) TI2 Kommunikation - 23

24 Local Area Networks (LANs) Motivation: Gemeinsame Nutzung von Ressourcen Unterstützung von Teamarbeit Kommunikationsmöglichkeiten durch Anbindung an Weitverkehrsnetze Entfernungen: Innerhalb eines Gebäudes oder Anlagen mit wenigen Kilometern Abstand Verwaltung: Durch einzelne Organisationen Technologie Billige und schnelle Übertragungsmedien Einfache (und kostengünstige) Anschlußadapter TI2 Kommunikation - 24

25 LANs: Beispiel und Parameter Benutzte Medien: Kupferkabel o Koaxialkabel o Twisted Pair Glasfaser Drahtlos (WLAN) Übliche Technologien: Ethernet Token Ring FDDI ATM WLAN Übertragungsraten: 10 Mbit/s bis mehrere Gbit/s, typisch 100 Mbit/s TI2 Kommunikation - 25

26 Wide Area Networks (WANs) Entwicklung aus zwei verschiedenen Richtungen: Zusammenschluß von kleinen Netzen zu größeren (z.b. Internet) Ausbau von Telekommunikationsnetzen über das Ziel der Telefonie hinaus ISDN (Integrated Services Digital Network) Breitband-ISDN Mobile Technologien o GSM (Global System for Mobile Communication) o UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Zunehmende Integration TI2 Kommunikation - 26

27 Beispiel: Asynchron Transfer Mode (ATM) Benutzt Zellen fester Größe (53 Byte, 5 Kopf, 48 Daten) Kopf enthält Routing-Information Erlaubt Einfachen Hardware-Aufbau Konstante Verzögerung in Switches Leichtes Multiplexen Virtuelle Pfade sorgen für Routing mit geringem Overhead Klassen mit garantierter Dienstgüte isochrone Transfers Ursprünglich für LANs und WANs gedacht, heute überwiegend in WANs eingesetzt TI2 Kommunikation - 27

28 GSM Global System for Mobile Communication Mobiltelefonsystem mit Guter Sprachqualität Billigen Endgeräten Internationalem Roaming Unterstützung für integrierte Dienste Kompatibilität zum Telefonsystem aber: Integration in Datennetze aufwendig Geringe Datenraten (9,6 KBit/s, mit GPRS bis 57,6 KBit/s) TI2 Kommunikation - 28

29 GSM (2) Zellenbasierte Struktur Basisstationen decken überlappende Gebiete ab Mobilgeräte buchen sich ein Roaming zwischen Zellen ist möglich Netzinfrastruktur für Datentransfer (im wesentlichen Sprache) Verwaltung TI2 Kommunikation - 29

30 UMTS Universal Mobile Telecommunications System Ziele: Dienstorientierung (Zugriff überall und immer) Nutzer kann Konfiguration unabhängig von Zugangsart im Netz speichern Persönliche Rufnummer unabhängig von Umgebung Offene Schnittstellen Zugang zu Breitbanddiensten Unterstützung von Dienstgüten Flexibilität gegenüber neuen Diensten Koexistenz und Handover zu GSM/GPRS TI2 Kommunikation - 30

31 Bitraten von 144 Kbit/s (volle Mobilität) bis 2 Mbit/s (eingeschränkte Mobilität) Integration von IP V6 (vorgesehen) Zellen unterschiedlicher Größe Picozelle (einige hundert Meter) Mikrozelle (einige Quadratkilometer) Makrozelle (größeres Gebiet) Satellitenbetrieb Horizontales und vertikales Handover UMTS (2): Eigenschaften TI2 Kommunikation - 31

32 Interoperabilität von Netzen SUBNET Bridges Gateway Wide Area Network Repeater TI2 Kommunikation - 32

33 Interoperabilität von Netzen (2) Repeater: Keine Änderung von Protokollen oder Übertragungsraten Bridge: Keine Änderung des Protokolls, keine Fragmentierung Änderung von Übertragungsraten und Zugriffsverfahren Gateway Änderung von Protokoll, Übertragungsraten, Fragmentierung und Zugriffsverfahren Kein Adress-Routing Router Änderung von Protokoll, Übertragungsraten, Fragmentierung und Zugriffsverfahren Adress-Routing TI2 Kommunikation - 33

34 Interoperabilität von Netzen (3) Switches Schalten von direkten Verbindungen zwischen Ports innerhalb des Gerätes Kann auf verschiedenen Ebenen des Protokollstacks arbeiten Kann die Funktionalität von Repeatern, Bridges, Gateways und Routern realisieren Vermittlungsverfahren Paketvermittlung (packet switching) Leitungsvermittlung (circuit switching) TI2 Kommunikation - 34

35 Sicherheit in Computernetzwerken Basierend auf kryptographischen Verfahren Public Key: Kodieren mit öffentlichem Schlüssel, Dekodieren mit privatem Schlüssel Common Key: Gleicher Schlüssel für alle Benutzer und alle Kodierungen/Dekodierungen Zertifikationsautorität A T M sicheres LAN crypt o unit öffentliches Netz sicheres LAN crypt A T M o unit crypto unit sicheres LAN Autorität über Zugriffsberechtigung TI2 Kommunikation - 35

36 Weitere Informationen Netzwerke, IP-Kommunikation, LAN-Technologie, Sicherheit in Netzwerken Vorlesung Grundlagen der Rechnerkommunikation von Dr. S. Sommer im Wintersemester Fehlertolerante Kommunikation Vorlesung Zuverlässige Systeme von Prof. Dr. M. Malek im Wintersemester Feldbusse, Echtzeitkommunikation, Mobile Datenkommunikation Vorlesung Eigenschaften mobiler und eingebetteter Systeme im Wintersemester TI2 Kommunikation - 36

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