Überblick. Daten- kommunikation

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1 Überblick Wintersemester 2014/2015 Prof. Dr. Peter Mandl Daten- kommunikation Aufbau von Kommunikationssystemen Funktionen und Protokolle der unteren Schichten Grundlagen der Transportschicht TCP-Grundlagen Fortgeschrittene TCP-Funktionen und UDP Grundlagen der Vermittlungsschicht Internet und Internet Protocol (IP) Routingverfahren und -protokolle Internet-Steuerprotokolle und IPv6 Anwendungsschicht, Fallstudien Mandl/Bakomenko/Weiß Datenkommunikation Seite 1

2 Überblick 1. Referenzmodelle und Terminologie ISO/OSI-Referenzmodell TCP/IP-Referenzmodell Protokolle und Dienste und Instanzen Transportsystem 2. Netzwerktopologien und Internetworking Repeater, Bridges, Hubs, Switches 3. Allgemeine Protokollmechanismen Halb- und Vollduplex Synchron, asynchron Adressierung Nachrichtenpufferung Mandl/Bakomenko/Weiß Datenkommunikation Seite 2

3 ISO/OSI-Referenzmodell Kommunikation zw. Rechnern in offenen, heterogenen Systemen wird beschrieben durch Referenzmodelle Vorteil: Offene allgemein verbindliche Vorstellung eines Kommunikationsvorgangs in Form eines Architekturmodells Beispiele: - ISO/OSI-Referenzmodell - OSI = Open System Interconnection - ISO = International Standardization Organization - TCP/IP-Referenzmodell - SNA-Modell (IBM) - TRANSDATA (Siemens) Mandl/Bakomenko/Weiß Datenkommunikation Seite 3

4 ISO/OSI-Referenzmodell: Schichtung Um ein Kommunikationsprotokoll überschaubar zu machen, zerlegt man es in Schichten (layer) - Beim ISO/OSI-Modell sind es 7 Schichten Das Endsystem umfasst alle sieben Schichten Das Transitsystem umfasst nur die unteren Schichten, z.b. die Schichten unterschiedliche Teilstrecken miteinander verbinden - evtl. verschiedene Übertragungsmedien - evtl. verschiedene Netze Mandl/Bakomenko/Weiß Datenkommunikation Seite 4

5 ISO/OSI-Referenzmodell: Schichtung Sender Empfänger 7 6 Verarbeitung Darstellung Verarbeitungsprotokoll Darstellungsprotokoll Verarbeitung Darstellung Sitzungsprotokoll 5 Sitzung Sitzung Transportprotokoll 4 Transport Transport 3 Vermittlung Vermittlung Vermittlung Vermittlung 2 Sicherung Sicherung Sicherung Sicherung 1 Bitübertragung Bitübertragung Bitübertragung Bitübertragung Endsystem Transitsystem Endsystem Seite 5

6 ISO/OSI-Referenzmodell: Aufgaben der Schichtung Verarbeitung Darstellung Sitzung Transport Vermittlung Sicherung Bitübertragung Höhere Protokolle und Dienste (File Transfer,...) Einheitliche Transportsyntax, unterschiedliche lokale Syntaxen Synchronisation und Dialogablauf zwischen zwei Kommunikationsteilnehmern, Sessionverwaltung Stellt einen Transportservice bereit, Ende-zu-Ende-Verbindung zwischen Anwendungsprozessen Vermittlung, Paketleitweg der Nachricht vom Quell- zum Zielrechner ermitteln (Routing) Bitstrom in logische Einheiten umwandeln, Fehlerbearbeitung, Endezu-Ende-Verbindung zwischen Rechnern Festlegung der elektrischen, mechanischen und funktionalen Parameter einer physikalischen Verbindung Seite 6

7 Protokolle und Dienste allgemein Protokolle sind Verhaltensrichtlinien, auf deren Grundlage sich Computersysteme untereinander unterhalten und gegenseitig verstehen: - Bestimmte Spielregeln, an die sich Sender und Empfänger halten müssen - Notwendig, damit die Übertragungswünsche der Netzteilnehmer nicht im Chaos enden Protokolle sind Vorschriften und Konventionen zur Regelung von - Verbindungsaufbau - Nachrichtenübermittlung und - Verbindungsabbau Seite 7

8 Protokolle und Dienste allgemein Jede Schicht bietet der ihr jeweils übergeordneten Schicht Funktionen, sog. Dienste an Jede Schicht (bis auf die unterste) kann von der direkt darunter liegenden Schicht Dienste in Anspruch nehmen, ohne ihre Implementierung zu kennen Protokolle übernehmen verschiedene Aufgaben (je nach Schicht) - Verbindung aufbauen und Verbindung abbauen - Datenübertragung - Fehlererkennung und Fehlerbehebung - Staukontrolle (Congestion Control) - Flusskontrolle - Seite 8

9 ISO/OSI-Referenzmodell: Hierarchische Dienststruktur Dienstnehmer Dienst i = Diensterbringer i+1 i-idu i-ici i-sdu Dienstnehmer Dienst i = Diensterbringer i+1 i-idu i-ici i-sdu i-sap Diensterbringer Dienst i i-sap i-instanz i-pci i-pdus i-sdu i-instanz (i-1)-sap Diensterbringer Dienst i-1 (i-1)-sap Begriffe: IDU, SDU, SAP, ICI, SDU, PDU Seite 9

10 ISO/OSI-Referenzmodell: Dienststruktur Der Dienstnehmer in einer Schicht i nutzt zur Kommunikation einen Diensterbringer i (Dienstprovider) der wiederum die darunter liegende Schicht (i-1) nutzt Die Dienste werden über Dienstzugangspunkte (Service Access Points, SAP) bereitgestellt SAPs sind logische Schnittstellen, deren konkrete Realisierung z. B. in Form einer Funktionsbibliothek oder als eigener Systemprozess gegeben sein kann Seite 10

11 ISO/OSI-Dienstemodell Dienstnehmer Dienstnehmer Schnittstellenereignisse Dienstzugangspunkte Service Access Point (SAP) Diensterbringer Seite 11

12 ISO/OSI-Dienstemodell Hierarchische Dienststruktur (Vgl. Gerdsen: Kommunikationssysteme 1 Theorie Entwurf Meßtechnik S. 17) Dienstnehmer Dienst i Dienstnehmer Dienst i Diensterbringer Dienst i Dienstnehmer Dienst i-1 Dienstnehmer Dienst i-1 Diensterbringer Dienst i-1 usw. Seite 12

13 ISO/OSI-Referenzmodell: Instanzen Die Funktionen innerhalb einer Schicht werden von einer Instanz ausgeführt Eine Instanz erbringt die Dienstleistung, die ein Dienstnehmer von einem Dienstprovider erwartet Instanzen sind auf den kommunizierenden Systemen verteilt Instanzen der gleichen Schicht kommunizieren miteinander über Protokolle Zwei kommunizierende Instanzen werden als Partnerinstanzen bezeichnet Seite 13

14 ISO/OSI-Referenzmodell: Dienstelemente Dienste (Abstraktion) im ISO/OSI-Modell - Beispiel: connect, disconnect, data (Datenübertragung) Dienstelemente/Dienstprimitive sind Operationen eines Dienstes Typische Dienstprimitive sind - Request - Indication - Confirmation - Response - Beispiel: connest.req, connect.ind, data.req Seite 14

15 ISO/OSI-Referenzmodell: Dienste und Protokoll T-Instanz für A T-Instanz für B Prozess A T-SAP (A) T-SAP (B) Prozess B connect.req connect.cnf connect.req-pdu connect.rsp-pdu connect.ind connect.rsp data.req data.req-pdu data.ind Dienstelemente Protokoll Dienstelemente Seite 15

16 ISO/OSI-Referenzmodell: Begriffe ICI Schicht N+1 IDU SDU SAP = Service Access Point IDU = Interface Data Unit PDU = Protocol Data Unit ICI = Interface Control Information SDU = Service Data Unit PCI = Protocol Control Information (Header, Trailer) N-SAP Schicht N N-PDU ICI SDU PCI SDU Seite 16

17 ISO/OSI-Referenzmodell: Begriffe Sender (n+1)-pdu Empfänger Instanz n+1 (n+1)-pci (n+1)-sdu Virtuelle Übertragung Instanz n+1 (n)-ici (n)-idu (n)-sdu n-sap (n)-pdu n-sap (n)-sdu ICI wird lokal genutzt und entfernt Instanz n (n)-pci (n)-sdu Instanz n (n-)-ici (n-1)-idu (n-1)-sdu n-1-sap (n-1)-pdu n-1-sap (n-1)-sdu Instanz n-1 (n-1)-pci (n-1)-sdu Instanz n-1 ICI: Interface Control Information IDU: Interface Definition Unit PCI: Protocol Control Information PDU: Protocol Data Unit SAP: Service Access Point SDU: Service Data Unit Seite 17

18 ISO/OSI-Referenzmodell: Begriffe A-PDU (PDU der Anwendungsschicht) PH-PDU DL-PDU N-PDU T-PDU S-PDU P-PDU A-PDU PH-PCI DL-PCI N-PCI T-PCI S-PCI P-PCI A-PCI A-SDU Kontrollinformation (Header) Nutzdaten Seite 18

19 Transportsystem Transportschicht (Überblick) - Stellt einen Transportservice bereit - Ende-zu-Ende-Verbindung zwischen Anwendungsprozessen - Gesicherte Transportverbindung 4 Transport Schicht 1-4 werden gemeinsam als Transportsystem bezeichnet Vermittlung Sicherung Bitübertragung Transportzugriffsschnittstelle ermöglicht Nutzung des Transportsystems - z.b. Dienst OSI TP4 - Vergleichbar mit TCP in der TCP-Welt Seite 19

20 TCP/IP-Referenzmodell Sender Logische Kommunikation Empfänger Verarbeitungsschicht Verarbeitungsprotokoll: Telnet, ftp, SNMP, HTTP Verarbeitungsschicht leer leer leer Transportschicht Internet Hostanbindung ans Netz IP, ARP nicht festgelegt Transportprotokoll: TCP und UDP Internet Hostanbindung ans Netz IP, ARP nicht festgelegt leer Transportschicht Internet Hostanbindung ans Netz Host Router Host Seite 20

21 Überblick 1. Referenzmodelle und Terminologie ISO/OSI-Referenzmodell TCP/IP-Referenzmodell Protokolle und Dienste und Instanzen Transportsystem 2. Netzwerktopologien und Internetworking Repeater, Bridges, Hubs, Switches 3. Allgemeine Protokollmechanismen Halb- und Vollduplex Synchron, asynchron Adressierung Nachrichtenpufferung Seite 21

22 Internetworking: Repeater max. Segmentlänge max. Segmentlänge Repeater Seite 22

23 Internetworking: Bridges Bridge Seite 23

24 Internetworking: Hubs, Switches Punkt-zu-Punkt- Verbindung Hub oder Switch Anbindung an andere Netzwerkkomponenten Mandl/Bakomenko/Weiß Datenkommunikation Seite 24

25 Internetworking: Router, Gateways WAN Router Router LAN 1 LAN 2 Abgrenzung: - Gateways (auf der Anwendungsebene) Seite 25

26 Netzwerktopologien Vermaschtes Netz Busnetz Sternnetz Ringnetz Baumnetz Seite 26

27 Überblick 1. Referenzmodelle und Terminologie ISO/OSI-Referenzmodell TCP/IP-Referenzmodell Protokolle und Dienste und Instanzen Transportsystem 2. Netzwerktopologien und Internetworking Repeater, Bridges, Hubs, Switches 3. Allgemeine Protokollmechanismen Halb- und Vollduplex Synchron, asynchron Adressierung Nachrichtenpufferung Seite 27

28 Allgemeine Protokollmechanismen Fehlerbehandlung - Reihenfolgegarantie, Sequenznummern - Quittierung - Zeitüberwachung - Fehlerkennung und -korrektur - Längenanpassung - Assemblierung und Deassemblierung Systemleistungsanpassung - Flusssteuerung - Überlaststeuerung Seite 28

29 Halb- und Vollduplex Halbduplex: Nur einer der Partner sendet zu einer Zeit Vollduplex: Beide Partner können unabhängig voneinander senden Partner 1 Partner 2 Partner 1 Partner 2 t send halbduplex send send vollduplex send send send send send Seite 29

30 Empfängeradressierung Unicast: Nur ein Empfänger wird adressiert Alle anderen Varianten adressieren mehrere Empfänger Unicast (1:1) Multicast (1:n) Anycast (1:1 n) Broadcast (1:m) S E1 S E1 E2 En S E1 E2 En S E1 E2 E3 Nur E2 nimmt hier Nachricht an! Em Seite 30

31 Blockierung Beim Nachrichtenaustausch unterscheidet man: - Synchrone Kommunikation - Asynchrone Kommunikation Synchron bedeutet: - Blockierend - Der Sender wartet, bis eine Methode send mit einem Ergebnis zurückkehrt Asynchron bedeutet: - Nicht blockierend - Der Sender kann weiter machen, wenn die Nachricht mit einer Methode send in einen Transportpuffer gelegt wurde Seite 31

32 Pufferung von Nachrichten Puffer für ankommende Nachrichten werden in den Protokollinstanzen - meist im Betriebssystemkern) verwaltet Die Instanzen kopieren die Nachrichten in den Adressraum der empfangenden Anwendungsprozesse Pufferspeicher müssen verwaltet werden - Overhead Pufferspeicher benötigen Adressraum (Speicher) Pufferspeicher sind begrenzt - evtl. Verwerfen von Nachrichten, wenn sie voll sind Seite 32

33 Überblick 1. Referenzmodelle und Terminologie ISO/OSI-Referenzmodell TCP/IP-Referenzmodell Protokolle und Dienste und Instanzen Transportsystem 2. Netzwerktopologien und Internetworking Repeater, Bridges, Hubs, Switches 3. Allgemeine Protokollmechanismen Halb- und Vollduplex Synchron, asynchron Adressierung Nachrichtenpufferung Seite 33

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