Vorlesung "Verteilte Systeme" Winter Empfänger Kommunikationssystem. Netzwerk. Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.2

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1 Verteilte Systeme 1. Netzwerke Grundstruktur Sender Empfänger Kommunikationssystem Empfänger Systemsoftware Systemsoftware Hardware Hardware Netzwerk Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.2 (c) Peter Sturm, Universität Trier 1

2 ... im Detail CPU MMU Caches Speicher Interrupt E/A-Bus- Controller Netz- Controller Puffer Nachrichtenpuffer im Controller Sende- und Empfangspuffer Begrenzte Anzahl U.U. obere Schranke für die Nachrichtenlänge Problematik kein freier Puffer Beim Senden? Beim Empfangen? Kopiervorgänge Welche? Minimierung der Kopieanzahl entscheidend Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.3 Relevante Eigenschaften Funktional Senden Empfängeradresse Nachricht Nachrichtenlänge Empfangen Senderadresse (Rückgabe) Nachrichtenpuffer Länge der Nachricht (Rückgabe) Nicht-Funktional Paketgröße Übertragungsbandbreite Einheit Byte/s Dominanz Medium Latenz Einheit s Signalgeschwindigkeit und Entfernung Nachrichtenverlust Wahrscheinlichkeit... Vertauschungen Verfälschungen Streuung bzgl. Eigenschaften Multicast-fähig Broadcast-fähig Eigenschaftsgarantien Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.4 (c) Peter Sturm, Universität Trier 2

3 Quality of Service (QoS) Garantien bzgl. Bestimmter Netzwerkeigenschaften Bandbreite Frequenz Jitter Verlustrate... Reservierungsverfahren Anmelden des Bedarfs Verhandlungen bei mehreren Möglichkeiten Optimierungskriterien Kosten Qualität Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.5 Klassifikation nach Ausdehnung Bandbreite nimmt zu Fehler/Verluste nehmen zu Latenz nimmt zu IN LAN MAN WAN Gehäuse Gebäude Stadt Land Kontinent Planet Interconnection Network (IN): Praktisch Speicherbandbreite Local Area Network (LAN): 10 MBit/s bis 1 GBit/s Metropolitan Area Network (MAN) Wide Area Network (WAN) Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.6 (c) Peter Sturm, Universität Trier 3

4 Typische Topologien Bus Zugangsverfahren Kollisionsfreier Zugang Ideen? Kollisionserkennung Multicast- und Broadcast-fähig Eigenschaftsgarantien hängen vom Zugangsverfahren ab Bekannte Verfahren Ethernet Dedizierte Leitungen Kollisionsfreie Kommunikation zwischen zwei Knoten Routing zwischen entfernten Knoten Dienstleistungen unbeteiligter Dritter notwendig Keine unmittelbare Multicast- und Broadcast-Fähigkeit Eigenschaftsgarantien hängen u.a. von der Topologie ab Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.7 Zugangsverfahren für Busse Parallelen Zugriff durch mehrere Stationen steuern FDMA Frequency Division Multiple Access Frequenzzuordnung z.b. in einer Initialisierungsphase Ausgangspunkt für viele mobile Netze (Mobilfunk, WLAN, ) TDMA Time Division Multiple Access Synchron, z.b. Bluetooth Asynchron (Kontrolliert) Token-basierte Verfahren auf Bussen Asynchron (Zufällig) CSMA Carrier Sense Multiple Access CSMA/CD inkl. Collision Detection Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.8 (c) Peter Sturm, Universität Trier 4

5 CSMA und CSMA/CD CSMA (Listen before talk) Medium wird vor dem Senden abgehört Reaktion auf belegtes Medium Nonpersistent: Zufallszeit warten und erneut probieren 1-persistent: Abhören bis Medium frei, dann senden P-persistent Abhören bis Medium frei Mit Wahrscheinlichkeit p sofort senden Mit Wahrscheinlichkeit (1-p) Zufallszeit warten CMSA/CD (Listen while talk) Auch während Senden Medium beobachten Bei Fehler sofortiger Abbruch (siehe Menschen) Erfordert gleichzeitige Sende- und Empfangsmöglichkeit In funkbasierten Systemen häufig nicht gegeben Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.9 Bus-basierte Netze Plain old Ethernet (c) Peter Sturm, Universität Trier 5

6 Beispiel Bus: Ethernet CSMA/CD-Verfahren Carrier Sense Multiple Access Collision Detection 10/100/1000 MBit/s und mehr nominal T-Stück Medium Access Controller (MAC) Thick Ethernet Bridge Thin Ethernet Transceiver Repeater Twisted Pair Hub/Switch Terminierung Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.11 Aufbau Ethernet-Frame (10 MBit) Preamble SFD Destination Address Source Address Length Indicator Data Pad (optional) Frame Check Sequence 7 Octets 1 Octets 2/6 Octets 2/6 Octets 2 Octets <1518 Octets 4 Octets Preamble Synchronisation zwischen Sender und Empfänger Nur für die Zeitdauer der Übertragung eines Frames SFD = Start of Frame Delimiter Zieladresse Individual Address (1. Bit 0) Group Address (1. Bit 1) Broadcast Address (alle Bit 1) Pad Auffüllen, falls weniger als 512 Datenbits Minimale Framegröße Frame Check Sequence CRC-Summe zur Fehlererkennung Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.12 (c) Peter Sturm, Universität Trier 6

7 Senden eines Frames ohne Kollision 1. Sendeauftrag für Frame e wird an MAC übergeben Frame e 1 aktuell übertragenes Frame 2. Warten bis Medium frei (CSMA) 2 3. Interframe gap (9.6µs) Zeit für Empfang und Weiter- verarbeitung beim Empfänger Senden von Frame e Zeit Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.13 Senden mit Kollision A B Frame e 1 Frame f 2 1. Sendeauftrag Frame e an A 2. Sendeauftrag Frame f an B 3. Warten auf freies Medium und Interframe Gap; Senden von e 4. Kollisionserkennung (CD) 5. Abbruch der Übertragung und senden der Jame Sequence analog Station B Zeit Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.14 (c) Peter Sturm, Universität Trier 7

8 Reaktion auf Kollisionen Kritisches Kollisionsfenster Länge des Fensters? Zeitpunkt der Wiederholung? Warum ist es nicht sinnvoll, konstante Zeit zu warten? Truncated Binary Exponential Backoff Zufallszeit in Intervall I warten Intervall I wächst exponentiell mit jeder Wiederholung Obere Schranke bei Wiederholungen Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.15 Ethernet-Switching Kreuzverschaltung von n Ports Crossbar-Switch Port = Einzelne Station (1 Adresse) Keine Kollisionen Full-Duplex Segment Nominalleistung zwischen jeweils 2 Ports Pi und Pj Benötigte Gesamtleistung bei 16 Ports, 100 Mbit? Weitergabe von Frames Store-and and-foreward Cut-Through Vor- und Nachteile? P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.16 (c) Peter Sturm, Universität Trier 8

9 Bus-basierte Netze Wireless Networks Wireless LAN Funkbasierte Netztechnologie Bewegliche Geräte Hohe Fehlerrate (Funkschatten) Diverse zusätzliche Probleme (Hidden Node) Ziel Ethernet-Semantik an der Schnittstelle Diverse Standards (1997): 1 bzw. 2 Mbps, 2.4 GHz a (1999): bis 54 Mbps, 5 GHz (fängt an) b: 5.5 Mbps bzw. 11 Mbps, 2.4 GHz g: bis 54 Mbps im 5.4 GHz Frequenzband (draft) A B C Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.18 (c) Peter Sturm, Universität Trier 9

10 Netzwerktypen Independent Basic Service Set (IBSS) Mehrere Geräte kommunizieren direkt miteinander Ad-Noc Noc-NetzwerkNetzwerk Infrastructure BSS Kommunikation innerhalb der Service Area eines Access Points JEDE Kommunikation geht über Access Point Infrastructure BSS mit Extended Service Area Mehrere Access Points arbeiten zusammen (Distribution System) Kommunikation zwischen Access Points über Stationäres Netz (z.b. Ethernet) WLAN selbst (wireless bridge) AP AP AP AP AP Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.19 Kommunikationseigenschaften Maximal 2304 Byte Payload pro Frame Nachrichten werden positiv quittiert RTS/CTS vor der eigentlichen Kommunikation möglich Längere Datenpakete Hohe Gerätedichte In den Nachrichten steht geplante Belegungszeit des Mediums Blockade bei sendewilligen Stationen auch bei freiem Medium Unterschiedliche Interframe Spaces SIFS (Short) EIFS (Extended für Fehlersituationen) Rudimentäre Authenifizierung (WEP) Mithörender Notebook kann Datenverkehr nach kurzer Zeit entschlüsseln Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.20 (c) Peter Sturm, Universität Trier 10

11 Bluetooth Bluetooth Drahtloser Drahtersatz Headset und Handy PDA, PocketPC und Drucker Computer und Handy Kabelloser Kommunikationsstandard Kurze (10m) bis mittlere (100m) Reichweite Freies 2.4 bis 2.48 GHz Frequenzband Abgestimmt auf gute Integrierbarkeit und geringen Stromverbrauch Voice Max. 3 simultane Kanäle zu je 64 kbps synchron Data (Asymetrisch) Asymetrisch: kbps Down, 57.6 kpbs Up Symetrisch: kbps Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.22 (c) Peter Sturm, Universität Trier 11

12 Netzarchitektur Piconetz = Spontane Vernetzung von Bluetooth-Geräten Synchronisation auf einen gemeinsamen Kanal Point-to to-point, Point-to to-multipoint Scatternetz = Überlappende Piconetze Kanalarbitrierung über einen Master Max. 7 aktive Slaves im virtuellen Kanal Unbegrenzte Anzahl geparkter Slaves 1 2 Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.23 Sicherheit Grundeigenschaften Autentifizierung über Challenge-Response Verschlüsselte Datenübertragung Session Keys Elemente Gerätadresse (BD_ADDR): 48 Bit eindeutig Privater Benutzerschlüssel: 128 Bit Zufallszahl : 128 Bit Außerdem Frequency Hopping Reichweitenbegrenzung Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.24 (c) Peter Sturm, Universität Trier 12

13 Protokollebenen vcard... OBEX WAE WAP AT AT Commands UDP TCP IP PPP Serial Connection Emulation Service Discovery Audio RFCOMM L2CAP SDP TCS Telephony Control Logical Link Control and Adaption Protocol LMP Baseband Host Controller Interface Link Manager Protocol Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.25 Netze mit dedizierten Leitungen (c) Peter Sturm, Universität Trier 13

14 Ringe Einfache, inkrementell erweiterbare Struktur Ausfälle einzelner Knoten oder Kanten kritisch Zusätzliche Regelungen im Knoten Wann werden eigene Nachricht gesendet? Wann werden Nachrichten der Vorgänger gesendet? Multicast- und Broadcast-fähig Obere Schranken für Nachrichtenlaufzeit? garantierte Bandbreite? Bekannte Vertreter Token-Ring Slotted-Ring FDDI Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.27 Sterne Einfache Struktur Zentrale Leistungsengpaß Ausfall kritisch Multicast- und Broadcast-fähig? Obere Schranken für Nachrichtenlaufzeit? Garantierte Bandbreute? Bekannte Vertreter Geswitchte LANs Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.28 (c) Peter Sturm, Universität Trier 14

15 Gitter, Würfel, Torus, Baum... Reguläre Strukturen Günstige Eigenschaften Redundante Wege Obere Nachrichtenlaufzeiten Multicast- und Broadcast-fähig? Ausdehnung meist auf IN und LAN beschränkt Beispiel Hypercube Weitere Vertreter Transputer :-): Thinking Machines CM5 Intel RP3... Typische Struktur im Bereich Parallelrechner Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.29 Beispiel Hypercube Reguläre Struktur = Deterministisch Routing Einfaches Schema bei geeigneter Wahl der Rechneradressen Obere Schranke für die Hop-Anzahl Zuverlässigkeit Redundante Wege Einfacher Aufbau Logarithmische Kantenanzahl pro Knoten Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.30 (c) Peter Sturm, Universität Trier 15

16 Internetzwerke Rekursiver Aufbau Netz 1 Gateway Netz 2 Vernetzung von Netzen über dedizierte Leitungen Hierarchisch Zyklen Ausgezeichnete Stationen (Router oder Gateway) Weiterleitung von Nachrichten aus Netz 1 in Netz 2 2 Netzanschlüsse (Multi-homed host) Schutzfunktionen Beste Wege Probleme Adressierung Routing Maximale Nachrichtengröße Starke Streuung bei den Eigenschaften Bekannter Vertreter Internet Verteilte Systeme, Winter 2002/03 Folie 1.32 (c) Peter Sturm, Universität Trier 16