Informationstechnik für Ingenieure

Transkript

1 Informationstechnik für Ingenieure Computernetze und Internet Wintersemester 2004/2005 Prof. Dr. Thomas Wieland

2 Literatur zur Vorlesung L. Peterson, B. Davie: Computernetze. dpunkt.verlag, Heidelberg, J. Kurose, K. Ross: Computernetze. Pearson Education, A. Tanenbaum: Computer- Netzwerke. 3. Aufl., Pearson Education, 1999 Viele, viele Internet-Sites Seite zur Veranstaltung: 2

3 Einführung

4 Wachstum des Internet 4

5 Kommerzialisierung des Internet 5

6 Die Informationsgesellschaft Arbeitsplätze in der IuK-Branche in Deutschland Quelle: 6

7 Die Informationsgesellschaft (2) DSL-Anschlüsse je 1000 Einwohner im Jahr GB JPN I E F FIN A USA DK B D S Quelle: 7

8 Die Informationsgesellschaft (3) DSL-Anschlüsse in Deutschland (geschätzt) DTAG Wettbewerber 8 Quelle: RegTP

9 Die Informationsgesellschaft (4) Internet-Nutzer ab 14 Jahren in Millionen in Deutschland Dez 98 Jun 99 Dez 99 Jun 00 Dez 00 Jun 01 Dez 01 Quelle: 9

10 Fragestellungen Wie Wie lässt lässt sich sich die die Kommunikation zwischen Rechnersystemen konzeptuell beschreiben? kon- Welche Aufgaben müssen dabei bewältigt werden? Welche Lösungen gibt s dafür? Protokolle spielen zentrale Rolle Rolle 10

11 Protokoll Kommunikationsregeln zwischen System(komponent)en Systeme im Wesentlichen gleichberechtigt gleiche bzw. spiegelbildliche Aufgabe horizontale Beziehung Definition der ausgetauschten Nachrichten syntaktischer Aufbau Bedeutung Festlegung der Realisierung der Operationen, die zur Abwicklung der Kommunikation erforderlich sind Kapselung, d.h. d.h. interne Realisierung transparent für für Nutzer der der Operationen (damit bessere Änderbarkeit) 11

12 Weitere Definitionen Protokollstapel (protocol stack) Aufbau komplexer Protokolle aus Schichten einfacherer Protokolle Dienst (service) Funktionen, die Protokollschicht i-1 für unmittelbar übergeordnete Schicht i anbietet Dienstzugriffspunkt (SAP, service access point) Schnittstelle, über die Schicht i Dienste der unmittelbar untergeordneten Schicht i-1 anfordern kann eindeutig über ID ansprechbar Analogien: Telefonsystem: Vorwahl+Rufnummer bildet ID für SAP Anschlussdose Post: Ort+Straße+Hausnummer bildet ID für SAP Haus 12

13 Vorlesungsinhalte (1) 1. Grundlagen Netztopologien Anforderungen an ein Netz ISO/OSI-Referenzmodell für offene Systeme Architektur Aufgaben und Dienste der Schichten ISO/OSI und TCP/IP Bandbreite und Performance 2. Anwendungsschicht Internet-Anwendungen Protokolle der Anwendungsschicht 13

14 Vorlesungsinhalte (2) 3. Transportschicht Struktur von TCP/IP Einfache IP-Protokolle Transmission Control Protocol (TCP) 4. Vermittlungsschicht und Routing Dienstmodelle im Netz Routing-Verfahren Das Internet-Protokoll IP Adressierung im Internet 14

15 Vorlesungsinhalte (3) 5. Sicherungsschicht Rahmenbildung Fehlererkennung und Fehlerkorrektur Lokale Netze Ethernet Verbindungselemente LAN-Switches (Bridges) 15

16 Übersicht Teil Einführung 1.2 Netztopologien 1.3 Anforderungen an ein Netz 1.4 ISO/OSI-Referenzmodell 1.5 ISO/OSI und TCP/IP 1.6 Bandbreite und Performance 16

17 1.2 Netztopologien

18 Komponenten Endsystem Endsystem mit mit der der Abwicklung Abwicklung von von Anwendungsprogrammen Anwendungsprogrammen befasster befasster Rechner Rechner im im engeren engeren Sinn Sinn Sender Sender bzw. bzw. Empfänger Empfänger von von Nachrichten Nachrichten Übertragungsmedium Übertragungsmedium Verbindung Verbindung zwischen zwischen End- Endund und Transitsystemen Transitsystemen Transitsystem Transitsystem Rechner Rechner zur zur Abwicklung Abwicklung von von Kommunikationsaufgaben Kommunikationsaufgaben im im Wesentlichen Wesentlichen Weiterreichen Weiterreichen von von Nachrichten Nachrichten 18

19 Vermittelte Netze Ein Netz kann rekursiv definiert werden als... Zwei oder mehr Knoten, die durch einen Link verbunden sind, oder Zwei oder mehr Netze, die durch zwei oder mehr Knoten verbunden sind 19

20 Bus Mit Terminierung (50 Ω) 20

21 Ring 21

22 Stern HUB 22

23 Stern-Stern 23

24 Stern-Bus 24

25 Baum 25

26 Maschennetz 26

27 1.3 Anforderungen an ein Netz

28 Zuverlässigkeit Netz und seine Dienste sollen 99,9.. % verfügbar sein Daher: Maßnahmen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit Hardware Stromversorgung (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) Ausfallsichere Hardware für Netzserver (z.b. mit ausreichender Kühlung) Mehrere, redundante Verbindungen innerhalb des Netzes (z.b. durch Ringform) Software Spezialisiertes und optimiertes Betriebssystem für Hochlastnetzverteiler (Router, Switches) Stabile und fehlertolerante Systeme bei Standardhardware Stabile Anwendersoftware, aufeinander abgestimmt 28

29 Was geht schief im Netz? Ursachen Fehler auf Bitebene (elektrische Interferenzen) Fehler auf Paketebene (Überlast) Verbindungs- und Knotenausfälle Folgen Nachrichten werden verzögert zugestellt Nachrichten werden in falscher Chronologie zugestellt Dritte können mithören! 29

30 Skalierbarkeit Netz muss leicht an geänderte Bedingungen anpassbar sein Zusätzliche Teilnehmer (Knoten) Weniger Teilnehmer mehr Netzlast Neue Anwendungen, z.b. Video-Übertragung Gestiegene Nutzungsfrequenz Veränderte Hardware Schnellere oder zusätzliche Prozessoren Leitungen mit höherer Bandbreite Erforderlich: Skalierbarkeit auf allen Ebenen Leitungen und Übertragungskapazitäten Betriebssysteme der Netzkomponenten Serversoftware 30

31 Sicherheit Standort der Server sicher vor Brand/Wasserschäden, Sabotage etc. Regelmäßige Datensicherungen der Server, sichere Verwahrung der Backup-Datenträger verteilte Datenhaltung (z. B. Raid Systeme) Informationssicherheit Authentisierung (Sicherstellen der Identität eines Teilnehmers/Knotens) Abfrage von Kennwörtern, Überprüfung der Hardware-Identität Authorisierung (Rechte der Teilnehmer für Zugriff auf Ressourcen im Netz) Verschlüsselung vertraulicher Daten Z.B. verschlüsselte Übertragung von Kennwörtern Sicherstellung der unveränderten Übertragung von Daten Zugang von außen geschützt durch eine Firewall Proxy-Server für das Surfen im Netz 31

32 Geschwindigkeit Effektiver Datendurchsatz wird durch Latenz und Bandbreite der einzelnen Verbindungselemente bestimmt => alle Elemente müssen aufeinander abgestimmt sein: Anwendersoftware Worksstations am Arbeitsplatz Netzwerkkarte Verkabelung Transitstationen (Switches, Router, Gateways, Firewalls, Proxies) 32

33 1.4 ISO/OSI- Referenzmodell

34 Schichtenbildung Verwende Abstraktionen, um die Komplexität zu verbergen Abstraktion führt natürlicherweise zu Schichtenbildung Verschiedene Abstraktionen in jeder Schicht Anwendungsprogramme Anfrage/Antwort- Kanal Nachrichtenstrom- Kanal Verbindung zwischen Hosts Hardware 34

35 ISO/OSI-Referenzmodell Zielsetzung Rahmen für die Standardisierung von Kommunikationsprotokollen bezüglich ihres Verhaltens nach außen ISO = International Standardization Organization Schaffung der Grundlage für offene Systeme: OSI = Open Systems Interconnection Offenes System: Systeme, die darauf angelegt sind, mit anderen Systemen zu kommunizieren Basis ist die Erfüllung von Standards für den Datenaustausch Kompatibilität unterschiedlicher und heterogener Systeme miteinander Geschlossenes System: proprietäre Kommunikationsmechanismen inkompatibel mit anderen Systemen 35

36 Entwurfsprinzipien Reduzierung der Komplexität durch Definition einer Schichtenhierarchie unterschiedliche Abstraktionsebenen der Schichten genau definierte Funktion jeder Schicht gegenseitige Nutzung von Funktionen nur zwischen benachbarten Schichten sinnvolle Balance zwischen Trennung unterschiedlicher Funktionen und Handhabbarkeit der Architektur minimaler Informationsfluss zwischen benachbarten Schichten Kompatibilität mit international genormten Protokollen bei Definition von Funktionen Hierarchie aus aus 7 Schichten 36

37 Aufgaben der Anwendungsschicht (Schicht 7) englische Bezeichnung: Application Layer spezifischer Anwendungsprotokolle für häufig benötigte Dienste, z.b. Dateitransfer (ftp) Nutzung entfernter Rechner (telnet, rlogin) (smtp, X.400) Verzeichnis- und Namensdienste (DNS, X.500) Elektronischer Datenaustausch (EDI) Informationsdienste (http) Identifikation und Lokalisierung von Kommunikationspartnern, Authentisierung 37

38 Aufgaben der Darstellungsschicht (Schicht 6) englische Bezeichnung: Presentation Layer gemeinsames Datenformat Zahlenformate (Byte-Ordnung), Stringdarstellung Umwandlung von lokaler in Transfersyntax (z.b. Abstract Syntax Notation (ASN.1) oder External Data Representation (XDR)) und umgekehrt Datenverschlüsselung und -kompression 38

39 Aufgaben der Sitzungsschicht (Schicht 5) englische Bezeichnung: Session Layer Dialogsteuerung während der Sitzung Halb- oder Vollduplexbetrieb Transaktionskontrolle Einstreuen von Synchronisationspunkten Wiederaufsetzen auf dem letzten gültigen Synchronisationspunkt im Fehlerfall 39

40 Aufgaben der Transportschicht (Schicht 4) englische Bezeichnung: Transport Layer Ende zu Ende-Kommunikation Kommunikation zwischen Quelle und Ziel Aufbau und Trennung von Verbindungen, Flusssteuerung Unabhängigkeit von beteiligten Subnetzen, deren Qualität und deren verwendeter Technologie Mechanismen zur Steigerung des Durchsatzes ggf. Aufbau mehrerer Verbindungen und parallele Nutzung überlappende Nutzung einer Verbindung (Multiplexing) Dienstgüte und -art Verhandlung zwischen beteiligten Parteien z.b. über Umfang der Fehlerbehandlung Form der Verbindungsnutzung (Punkt-zu-Punkt, Broadcast...) 40

41 Aufgaben der Vermittlungsschicht (Schicht 3) englische Bezeichnung: Network Layer Steuerung des Subnetzes Leitwegbestimmung für zu übermittelnde Pakete statische oder dynamische Festlegung der zu verwendenden Route Überlastungssteuerung Vermeidung bzw. Auflösung von Engpässen bei hohem Verkehrsaufkommen Anpassung von Paketformaten und Adressierungsschemata Umsetzung beim Übergang zwischen heterogenen Netzen vor allem wichtig im Internet Segmentierung von Paketen in Rahmen (senderseitig) bzw. Zusammenfügen von Rahmen zu Paketen (empfangsseitig) Abrechnungsfunktion 41

42 Aufgaben der Sicherungsschicht (Schicht 2) englische Bezeichnung: Data Link Layer Strukturierung des Bitstroms Zerlegung des Bitstroms in Blöcke (Rahmen) fester oder variabler Länge Kennzeichnung der Rahmengrenzen, z.b. durch Sondersymbole Gesicherte Übertragung von Daten Austausch von Daten- und zugehörigen Quittungsrahmen Flusssteuerung zur Vermeidung von Datenüberflutung und - verlust Fehlererkennung und -behebung Kanalzugriffsregelung konkurrierender oder gesteuerter Kanalzugriff 42

43 Aufgaben der Bitübertragungsschicht (Schicht 1) englische Bezeichnung: Physical Layer Übertragung eines rohen Bitstroms über Kommunikationskanal, der zwei beteiligte Partnerinstanzen physisch miteinander verbindet ungesicherte reihenfolgeerhaltende Datenübertragung Festlegungen Betriebsart (Übertragungsrichtung, Parallelität, Synchronisation) Darstellungsform der Elementarinformation (Signalcodierung, Modulationsart, Trägerfrequenz) Übertragungsmedium (elektrische Spannung über Kabel, Lichtimpulse über Lichtwellenleiter, elektromagnetische Strahlung per Radio oder Mikrowellenübertragung) 43

44 Gruppierung der Schichten Häufig Unterscheidung zwischen netzwerk-orientierten Schichten (Schicht 1 bis 4) und anwendungs-orientierten Schichten (Schicht 5 bis 7) beziehungsweise zwischen Transitschichten (Schicht 1 bis 3) sowohl in Transit- als auch Endsystemen erforderlich Endsystemschichten (Schicht 4 bis 7) nur in Endsystemen erforderlich, nicht in Transitsystemen 44

45 Übertragung im OSI-Modell SENDER Sitzungsschicht Darstellungsschicht Transportschicht Vermittlungsschicht Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Anwendungsschicht H2 H3 H4 Daten H7 Daten H6 Daten H5 Daten Daten Daten Daten Bitstrom T2 EMPFÄNGER Sitzungsschicht Darstellungsschicht Transportschicht Vermittlungsschicht Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Anwendungsschicht 45

46 Prinzipielle Struktur einer OSI-Nachricht Nutzdaten Header Schicht 7 Header Schicht 6 Trailer Schicht 2 Header Schicht 5 Header Schicht 4 Header Schicht 3 Header Schicht 2 46

47 1.5 ISO/OSI und TCP/IP

48 Internet-Architektur Definiert von der Internet Engineering Task Force (IETF) "Doppelkegel"-Design Anwendung vs. Anwendungsprotokoll (FTP, HTTP) FTP HTTP NV TFTP TCP UDP IP NET 1 NET 2 NET n 48

49 Beziehung der Schichten Anwendungsschicht Anwendungsschicht TCP/IP Application ApplicationLayer Layer Host-to-Host Host-to-Host Transport Transport Layer Layer Internet Internet Layer Layer Darstellungsschicht Darstellungsschicht Sitzungsschicht Sitzungsschicht Transportschicht Transportschicht Vermittlungsschicht Vermittlungsschicht ISO/OSI Network Network Access Access Layer Layer Sicherungsschicht Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Bitübertragungsschicht 49

50 Gemeinsamkeiten und Unterschiede (1) Modellarchitektur gemeinsamer Grundgedanke: Stapel unabhängiger Protokolle ISO/OSI-Modell Ungleichgewicht der Schichten Sitzungs- und Darstellungsschicht kaum genutzt Vermittlungs- und Sicherungsschicht überladen Adressierung, Flusssteuerung und Fehlerkontrolle über mehrere Schichten ver-teilt Datensicherheit und Verschlüsselung nicht berücksichtigt TCP/IP-Modell Vermischung von Sicherungs- und Bitübertragungsschicht 50

51 Gemeinsamkeiten und Unterschiede (2) Grundmodell und Protokolle ISO/OSI-Modell zunächst auf konzeptueller Ebene entwickelt, dann durch Protokolle unterlegt Definition von Zwischenschichten aufgrund von Erkenntnissen bei Entwicklung/ Einsatz von Protokollen Erweiterungen des Modells Modell schwierig zu implementieren z.t. komplexe und unhandliche Protokolle TCP/IP-Modell durch Abstraktion vorhandener Protokolle entstanden TCP/IP-Modell passt nur zu TCP/IP keine allgemeine theoretisch fundierte Architektur effiziente Implementierungen, z.b. in BSD UNIX 51

52 Gemeinsamkeiten und Unterschiede (3) Grundkonzepte ISO/OSI-Modell konzeptuelle Unterscheidung zwischen Diensten: Leistungsangebot für andere Schichten Schnittstellen: Beschreibung der Zugriffsmöglichkeiten auf Leistungsangebote Protokollen: Implementierung bestimmter Dienste TCP/IP-Modell keine klare Unterscheidung zwischen Diensten, Schnittstellen und Protokollen Protokolle im ISO/OSI-Modell leichter austauschbar 52

53 Gemeinsamkeiten und Unterschiede (4) Kommunikationsarten ISO/OSI-Modell ursprünglich stark auf verbindungsorientierte Dienste und Protokolle ausgerichtet verbindungslose Dienste und Protokolle erst im Nachhinein berücksichtigt auf Vermittlungsschicht verbindungsorientierte und verbindungslose Kommuni-kation auf Transportschicht nur verbindungsorientierte Kommunikation TCP/IP-Modell auf Vermittlungs- (Internet-)schicht nur verbindungslose Kommunikation auf Transportschicht verbindungsorientierte und verbindungslose Kommunikation 53

54 1.6 Bandbreite und Performance

55 Performance-Metrik Bandbreite (Datendurchsatz) Pro Zeiteinheit übermittelte Datenmenge Über eine Verbindung oder Ende-zu-Ende Notation: KB = 2 10 bytes Mbps = 10 6 bits per second Latenz (Verzögerung) Zeit, um eine Nachricht von A nach B zu senden Unidirektional oder "round-trip time" (RTT) Bestandteile Latenz = Ausbreitungsverzögerung + Übertragungsverzögerung + Wartezeit Ausbreitungsverzögerung = Entfernung/Lichtgeschwindigkeit Übertragungsverzögerung = Paketgröße/ Bandbreite 55

56 Bandbreite gegenüber Latenz Relative Bedeutung 1-byte: Latenz dominiert, 1ms statt 100ms bringt mehr als 100Mbps Bandbreite statt 1Mbps 25MB: Bandbreite dominiert, 100Mbps statt 1Mbps bringt mehr als 1ms Latenz statt 100ms Roundtrip-Zeit überwiegt Durchsatz = TransferGröße / TransferZeit TransferZeit = RTT + 1/Bandbreite x TransferGröße Unendliche Bandbreite: Transferzeit -> RTT Eine 1-MB Datei über eine 1-Gbps-Verbindung verhält sich wie ein 1-kB Paket über eine 1-Mbps-Verbindung 56

57 Produkt aus Verzögerung x Bandbreite Datenmenge, die gerade unterwegs oder in der Pipeline ist Beispiel: 100ms x 45Mbps = 560KB Verzögerung Bandbreite 57

58 Aufgabe Berechnen Sie die Latenz (vom ersten gesendeten bis zum letzten empfangenen Bit) für ein 10 MBit/s- Ethernet mit drei Speichervermittlern (Store-and- Forward-Switche) auf der Strecke und einer Paketgröße von Bit. Gehen Sie davon aus, dass jede Verbindungsleitung eine Ausbreitungsverzögerung von 10 µs einführt und dass jeder Switch sofort, nachdem er ein Paket vollständig empfangen hat, mit der erneuten Übertragung beginnt. 58