Scriptum zur Lehrveranstaltung. Rechnernetze. (Architektur, Schichten, Protokolle, Internet und WWW, ausgewählte Netze und Dienste)

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1 UNIVERSITÄT LEIPZIG Scriptum zur Lehrveranstaltung Rechnernetze (Architektur, Schichten, Protokolle, Internet und WWW, ausgewählte Netze und Dienste) Teil 2 (Ausgewählte Netze) - Draft - Kernfach Rechnernetze Umfang: 2 SWS 15 Wochen Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Irmscher Universität Leipzig Institut für Informatik Lehrstuhl Rechnernetze und Verteilte Systeme (em.) Dresden, den 16. Oktober 2005

2 Gliederung Teil 1 (Architektur von Rechnernetzen): Kap Teil 2 (Ausgewählte Netze): Kap Teil 3 (Übertragungssysteme): Kap Einführung Netzwerkarchitekturen Bitübertragungsschicht (Physical Layer) Sicherungsschicht (Data Link Layer) Medienzugriffsverfahren (Media Access Control) Vermittlungsschicht Transportschicht Internet World Wide Web (WWW) Sicherheit in Rechnernetzen Aspekte der Anwendungsschicht Flächendeckende Netze (WAN) Charakteristika und Überblick Backbones (Beispiele) Deutsches Forschungsnetz (WiN) Next Generation Internet Anforderungen an das Internet der neuen Generation Multimedia-Konferenz über Internet Multimedia-Applikationen Quality-of-Service (QoS) Gruppenkommunikation Protokolle im Next Generation Internet Protokolle der Netzwerkschicht IPv6 das neue Internet-Protokoll RSVP Resource reservation Protocol Protokolle der Transportschicht Protokolle der Anwendungsschicht Echtzeitprotokolle für Audio- und Videoströme Conferencing-Protokolle für Multimedia-Sitzungen Internet-2-Backbone Lokale Rechnernetze (LAN) Entwicklung von LAN MAP und TOP Zugriffsverfahren in LAN LAN-Implementationen Satellitennetze Satellitenkommunikation Kanalzuordnung Satellitensysteme und projekte Metropolitan Area Netzworks (MAN) Hochgeschwindigkeitsnetze (Einordnung) FDDI Fibre Distributed Data Interface Überblick Aufbau und Funktionsweise Komponenten des FDDI FDDI Timed Token Rotation Protocol

3 Weitere Merkmale von FDDI FDDI II DQDB Distributed Queue Dual Bus Überblick Aufbau und Funktionsweise DQDB Übertragungsmodi Einsatz DQDB im MAN-Bereich Entwicklung zur HighSpeed-Kommunikation Entwicklung der Datenkommunikation Übertragungsbandbreite Technologie und Verfahren der HS-Kommunikation Breitbandübertragungssysteme Standleitungen Frame Relay ISDN Integrated Services Digital Network SDH Synchrone Digitale Hierarchie DQDB-basierende MAN Fibre Channel Lokale Hochgeschwindigkeitsnetze (HS-LAN) Gigabit-Ethernet Breitband-ISDN (B-ISDN) Peer-to-Peer (P2P) Ad-hoc-Netze Grid-Computing Mobilfunknetze Netze und Dienste im Überblick Dienste des Teilnehmeranschlusses Mobilfunksysteme Bestehende und einzuführende Netze und Dienste Technische Aspekte Historische Entwicklung Standardisiertes Breitbandnetz (B-ISDN/ATM) Photonische Netze Zugangsnetzwerke (Access Networks) ISDN Integrated Services Digital Network Funkkanal Abbildungsverzeichnis (Teil 2) Literatur

4 Teil 1: Architektur von Rechnernetzen 1 Einführung 2 Netzwerkarchitekturen 3 Bitübertragungsschicht (Physical Layer) 4 Sicherungsschicht (Data Link Layer) 5 Medienzugriffsverfahren (Media Access Control) 6 Vermittlungsschicht 7 Transportschicht 8 Internet 9 World Wide Web (WWW) 10 Sicherheit in Rechnernetzen 11 Aspekte der Anwendungsschicht 4

5 Teil 2: Ausgewählte Netze 12 Flächendeckende Netze (WAN) 12.1 Charakteristika und Überblick Charakteristika Basis: Kommunikations-Infrastruktur (Kabel- / kabellose Netze, Vermittlungstechnik); Träger- und Teledienste Öffentliche und private Dienstanbieter, u.a. Postverwaltungen (PTT), Telekom, Energieversorgung, Bahn,... Merkmale: Flächendeckend (Regionen, Länder, Kontinente). Topologie: vermascht --> Routing (Leitweglenkung) erforderlich. Datenraten: kbit/s... 2 Mbit/s Gbit/s Gbit/s... n Tbit/s Schmalbandige Netze Breitbandnetze Gigabit-Netze Terabit-Netze i.w. paketvermittelte Netze X.25 (OSI, z.b. Datex-P), Frame Relay, Cell Relay (ATM) TCP/IP (Internet), IPX (Novell) Breitband-Netze (B-ISDN / ATM), Gigabit-Netze (SDH / WDM) Mehrschichtiges Netzkonzept (photonische Ebene, elektrische Ebene, Nutzerebene) Beispiele ARPAnet / Internet / Internet-2 Usenet / EUnet, CSnet, Bitnet / EARN Deutsches Forschungsnetz (DFN: S-WiN, B-WiN, G-WiN) Firmenspezifische Architekturen: SNA, DNA Backbones: Internet-1: NSFnet, Asnet, MCI, Sprint,... (USA) Ebone (Europa) Internet-2: vbns, Abilene, NGnet, Calcren,... (USA, Kanada) Multiprotokoll-Backbones in Europa (X.25, IP, ATM, WDM) IXI, EuropaNET, TEN-34 /155, GÉANT G-WiN (IP, [ATM]) 12.2 Backbones (Beispiele) ARPA: Advanced Research Projects Agency Entwicklung durch USA-Verteidigungsministerium (DoD: Department of Defense) Einbezug amerikanischer Universitäten, private Firmen; hoher finanzieller Aufwand Zielstellung: wissenschaftlicher Austausch, Überwachung (Militär) Prototyp und Pilotentwicklung für alle WAN Entwicklung 1969: 1. experimentelles Netz (4 Knoten, Honeywell 516) 1972: DARPA (Defense-ARPA, DoD: Department of Defense) 1973/74: Entwicklung des Protokollstacks TCP / IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) 1975: Herauslösung MILNET 1983: TCP/IP ersetzt das bisherige NCP (Network Control Protocol) --> Internet 5

6 ARPA -> Internet Internet über gesamte USA (incl. Hawai), Amerika, Europa und Asien verteilt Basisdienste - Entferntes Einloggen (Telnet, 1969) - Dateiübertragung (FTP, 1969) - Electronic Mail (SMTP, 1971) US- (Internet-) Backbone NSF: National Science Foundation (US-amerikanische Wissenschaftsorganisation) Mitte 80er: Gründung NSFnet, Übernimmt Funktion des ARPAnet (vom DoD aufgelöst) Zugang zum Internet, insbes. für amerikanische Uni s, Verbindung aller großen Rechenzentren, Anschluß für Campusnetze & WAN 1990: ASnet, später MCI, Sprint u.a. Übertragungsleistung: 45 Mbit/s1990, 90 Mbit/s1996, 140 Mbit/s2000 -> 622 Mbit/s, n Gbit/s Abbildung 12.1: NSFnet (Auszug) NSF: National Science Foundation (US-amerikanische Wissenschaftsorganisation) Mitte 80er: Gründung NSFnet, Übernimmt Funktion des ARPAnet (vom DoD aufgelöst) Zugang zum Internet, insbes. für amerikanische Uni s, Verbindung aller großen Rechenzentren, Anschluß für Campusnetze & WAN 1990: ASnet, später MCI, Sprint u.a. Übertragungsleistung: 45 Mbit/s1990, 90 Mbit/s1996, 140 Mbit/s2000 -> 622 Mbit/s, n Gbit/s Internet Architektur TCP/UDP, IP (IPv4: best effort ~> Ziel: IPv6: QoS) Organisation USA: ISOC (Internet Society) Europa: RIPE (Réseaux IP Europenees) Ebone: europäischer Internet-Backbone (34 Mbit/s) Deutschland: DE-NIC (Network Information Center), Karlsruhe Erweiterte Dienste (Ergänzung der Basisdienste) Mbone (Multicast Backbone, Audio/Video-Übertragung) Informationsdienste (WWW, NetNews, Chat) Electronic Commerce Internet-Provider USA: MCI / WorldCom, AOL, Uunet, GTE, Psinet, u.a. DE: DFN e.v., Xlink, Individual Network e.v., T-Online, u.a. 6

7 Strategische Orientierung Internet als Infrastruktur einer weltweiten Vernetzung (Information Super Highway) Kommerzialisierung (CommerceNET, CA; 1994), Haushalte, Telelearning, Telearbeit Mobiler Zugriff zum Internet / Web Sicherheit (z.b. SSL), Dienstgüte (QoS / CoS) vs. best-of-effort (Overprovisioning) Weiterentwicklung des Internet Neue Protokolle * mobile IP (Protokolle zur Integration Mobile und Nomadic Computing) * WAP (Wireless Application Protocol), i-mode: für mobilen Internet-Zugang * IPnG (IP Next Generation, z.b. IPv6) Echtzeitkommunikation, höhere Übertragungsleistung, Gruppenkommunikation, Multicast, Audio/Video-Kommunikation, Dienstgüte (QoS), VoIP * RSVP, IntServ, DiffServ, Bandbreiten-Management Internet-2 (Gigabit-Netzwerk): Vorreiter vbns (622 Mbit/s, ATM, 1997) Pilotnetze Abilene / NGnet (622 Mbit/s / 2.4 Gbit/s, WDM / SDH) Abilene: High Speed Backbone für das neue Internet Internet-2-Projekt: High-Speed-Backbone Abilene Glasfasernetz ( km), Bandbreite 2.4 Gigabit/s [Internet-1-Backbones: 45 / 90 Mbit/s (USA: ASnet, MCI), 34Mbit/s (Europa: Ebone)] Verbund von 37 US-Universitäten Inbetriebnahme 1999, Projektabschluß 2003 Test künftiger Internet-Anwendungen Vorläufer des Internet-2: Pilotnetz vbns (ISOC, 1997), 622 Mbit/s Realisierungen in USA: * Abilene (Qwest / Nortel / Cisco): 622 Mbit/s * NGnet (Worldcom / MCI): 2.4 Gbit/s 140 Universitäten und Forschungslabors von Unternehmen hängen an Abilene, u.a. IBM T.J. Watson Research Center (Westchester/USA), Almaden Research Center (Kalifornien) Schirmherr: Konsortium US-amerikanischer Universitäten UCAID: University Corporation for Advanced Internet Development Technik: von sog. Big Players der Netzwerktechnik bereitgestellt: Qwest Communications: Glasfasernetz ( km) Cisco: Support für 11 Knoten des Backbones und Kommunikationstechnologie für Integration von Sprache, Daten und Video Nortel: Planung Netzwerk und Entwicklung der optischen Elemente (skalierbar bis 10 Gbit/s) Weitere Realisierungen in Canada: Calcren, Internet-3 Kontrollzentrum für Abilene: Indiana University (auch für Problemlösungen zuständig) Zielstellungen: Entwicklung der Technologien von morgen, u.a. Telelearning, digitale Bibliotheken, Telemedizin Spektakuläre Premiere des Netzbetriebes: Operation in Ohio und Washington über Netz (OP- Kosten: 500 Mio $) Firmenspezifische Architekturen SNA (System Network Architecture) von IBM IBM-Standard: Schichtenarchitektur, 7 Schichten Vorbild für OSI-Referenzmodell (ISO-Standard); SNA und OSI - vs. - Internet (TCP/IP) Zielstellungen: Ordnen verschiedener Kommunikationsprodukte und Zugriffsmethoden, Kompatibilität. Unterstützung verteilte Verarbeitung 7

8 Entwicklung: 1974: 1. SNA-NW: nur zentrales NW (Baumstruktur, 1 Host, n Terminals: typisches DFV -System - Master/Slave-Prinzip) 1976: mehrere Hosts, Baumstruktur; aber Kommunikation nur auf Host-Ebene 1979: allgemeinere Kommunikation (paarweise: peer-to-peer) 1985: beliebige Host-Topologien und Einbindung lokaler Netzwerke Übertragungsprozedur: SDLC (Synchronous Data Link Control) in Schicht 2 statt HDLC (CCITT X.25 OSI) DNA (Digital Network Architecture) von DEC Ursprünglich 5 Schichten, später stärkere Angleichung an OSI. Deutsches Forschungsnetz (DFN) DFN e.v.: Verein zur Förderung eines Deutschen Forschungsnetzes, Gründung: 1984, Sitz: Berlin Zielstellung: Kommunikations-Infrastruktur für Wissenschaften, Forschung, Bildung (Universitäten, MPI,..., Schulen ( Schulen ans Netz )) Realisierungsvarianten des Wissenschaftsnetzes (WiN) S-WiN: Basis: X.25 B-WiN: Basis: ATM (IP-Dienst) G-WiN: Basis: SDH/WDM (IP-Dienst) Kernsysteme des DFN S-WiN - Schmalband-Wissenschaftsnetz ( WiN ) - Paketvermittlung, X.25-Protokoll - Start 1990, 1997 Integration in B-WiN - Betreiber: Deutsche Telekom AG - Datenraten: 9.6 / 64 / 128 / 1920 kbit/s (2 Mbit/s) B-WiN (Breitband-Wissenschaftsnetz) - Standard / Transport: B-ISDN / ATM (Asynchronous Transfer Modus) - Nutzung ATM Cross Connect-Netz der Telekom AG * Start: Mbit/s, Mbit/s * Betreiber: ATM-Netz: DeTeSystem (Nürnberg) und Telekom AG IP-Netz (Overlay-Netz): DFN-Verein und Univ. Stuttgart * Datenraten: 34 / 155 [ / 622 / 2488] Mbit/s, (Skalierbarkeit in 2 Mbit/s, für Unteran schlüsse) - B-WiN-Backbone: 34/155 Mbit/s (X.25-Integration) mit Zentralen ATM Service Switches (ZSS) in Ham burg, Berlin, Leipzig, Hannover, Köln, Frankfurt/M., Nürnberg, Stuttgart, Karlsruhe - Angebotene Dienste IP (IP-Overlay-Netzwerk), Mbone; ATM (geplant, nur in Einzelfällen) - Internationale Konnektivität 610 Mbit/s Direktverbindung B-WiN <-> US-Internets und Abilene/NGnet Ebone, TEN- 34/155 - Ablösung Herbst 2000 durch G-WiN G-WiN (Gigabit-Wissenschaftsnetz) - Technologie SDH / WDM-Verfahren (Wavelength Division Multiplexing) Datenraten: (622 Mbit/s) Gbit/s - Gigabit-Testbeds (West, Süd/Berlin): 622 Mbit/s (08/97), 2.5 Gbit/s (08/98) Inbetriebnahme G-WiN Herbst Angebotene Dienste 8

9 * DFN-Internet (IP-Dienst, Basis: SDH/WDM) * DFN-ATM, in Planung (mit Nutzerschnittstelle UNI 3.1 und UNI 4.0) * DFN-Connect (Punkt-zu-Punkt-Verbindung) Verbindung von PDH-Verbindungen über das G-WiN mit Kapazitäten von 2 und 34 Mbit/s * DFN-VC Videokonferenzdienst im G-WiN, seit Internationale Konnektivität * 2.4 Gbit/s Direktverbindung G-WiN <-> US-Internets und Abilene/NGnet * Ebone * GÉANT (Ausbau auf 10 Gbit/s), darüber hinaus auch Anschluss an US-Internets Deutsches Forschungsnetz (WiN) Technik Kernnetz des G-WiN: ca. 27 über das Gebiet der Bundesrepublik verteilte Kernnetzknoten sowie Zugangsleitungen von den Standorten der nutzenden Einrichtungen zu den Kernetzorten. Gigabit-Wissenschaftsnetz nutzt im Kernnetz die modernste Glasfasertechnologie. Durch Einsatz zukunftsweisender Wellenlängen-Multiplexverfahren wie WDM (Wave-length Division Multiplexing) kann die Kapazität der Glasfaser optimal genutzt werden. Auf den durch WDM bereitgestellten optischen Kanälen werden die Daten durch SDH-Verfahren (Synchronous Digital Hierarchy) strukturiert übertragen. Kapazitäten Für die Nutzung der Dienste an einem Teilnehmeranschluss am G-WiN werden Bandbreiten von 128 kbit/s bis 2,5 Gbit/s stufenweise mit verschiedenen maximalen Datenvolumen angeboten (Ausbau auf 10 Gbit/s-Technologie in 2004). Dienste im G-WiN Aufbauend auf dem WDM/SDH-Dienst bietet der DFN-Verein im G-WiN-Verbund folgende Dienste an: * als Grunddienst: den DFN-IP-Dienst (DFN-Internet) * als Zusatzdienste: einem ATM-Dienst (DFN-ATM) und einen Punkt-zu-Punkt-Dienst zwischen Anwenderstandorten (DFN-Connect), z.b. zur Verbindung von PDH-Netzwerken über das G-WiN * DFN Video-Conference-Dienst (DFNVC). Der Grunddienst im Gigabit-Wissenschaftsnetz enthält u.a. folgende Leistungen * weltweite Konnektivität (IP best effort) * MBone * Mail Gateway zu X.400-Netzen * eine Domain * erforderliche IP-Adressen. Der Einwähldienst WiNShuttle wird auch im G-WiN angeboten. Internationale Anbindung Breitband-Wissenschaftsnetz B-WiN war zuletzt (2000) mit 610 Mbit/s über Knoten New York mit dem weltweiten Internet verbunden. Zum Internet2-Netz Abilene von UCAID (The University Corporation for Advanced Internet Development) besteht ebenfalls von New York aus eine direkte Verbindung. Ab 2000 direkte Anbindung an Abilene/NGnet auf 2.4 Gbit/s erweitert. An die europäischen Wissenschaftsnetze war das G-WiN über das Backbone-Netz TEN-155 mit = 155 Mbit/s angebunden. Nachfolgenetz von TEN-155 GÉANT hat Oktober 2001 seinen Betrieb als europäischer Forschungsbackbone aufgenommen. 9

10 Betreiber: DANTE Ltd. Anschlusskapazität: 10 Gbit/s (2004) darüber auch US-Internets erreicht. Übergang B-WiN zum G-WiN Fließender Übergang, Realisierung durch DeTeSystem Nürnberg (-> T-Systems). Abbildung 12.2: Transatlantik-Kapazität Abbildung 12.3: Sachsen-Scenario G-WiN Kernnetz G-WiN: Dienste und Ausbaustufen 4 Ausbaustufen zur Bandbreite für DFN-IP-Dienste mit jeweils unterschiedlicher Anzahl von STM-x - Interfaces Spezifische Dienste: DFN-Connect- / DFN-ATM- / DFNVC- Dienst 6 x 34 Mbit/s jederzeit zuschaltbar Ausbaustufen Kernnetz: 2000: 155 / 622 Mbit/s, 2.4 Gbit/s 2001: 155 / 622 Mbit/s, 2.4 Gbit/s 2002: 622 Mbit/s, 2.4 Gbit/s 2003: 622 Mbit/s, 2.4 / 10 Gbit/s (2004) Topologie: verschiedene Router-Level Betriebsbereitschaft: ab Zunächst DFN-Internet-Dienste, weitere Dienste später Kernnetz doppelt über getrennte Wege angebunden Anbindung USA (Abilene), Europa (TEN, GÉANT), in Kooperation mit Dante Ltd. Glasfasernetz (LWL) DFN-Verein realisiert seit Herbst 1999 eines der modernsten Glasfasernetze. Die Übertragungskapazitäten des Mediums Glasfaser sind nahezu unbegrenzt: unter Laborbedingungen wurden bereits mehrere 100 Gigabit/s (bis hin zu Terabit/s) realisiert. G-WiN orientiert sich an diesem Potenzial und nutzt als Übertragungsverfahren WDM (Wavelength Division Multiplexing). 10

11 WDM überwindet die Grenzen herkömmlicher Zeitmultiplex-Verfahren, indem gleichzeitig mehrere Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge ( Lichtfarben ) genutzt werden. So stehen in einer Glasfaser entsprechend viele optische Übertragungskanäle zur Verfügung. G- WiN bietet mit dieser Technologie Anschlüsse anfangs bis 2,5 Gigabit/s, ab 2004 Ausbau auf 10 Gigabit/s. Spätere Erweiterung im X-WiN. Technische Verfahren in Gigabit - Netzen (WAN) 1. TDM - Verfahren (Time Division Multiplexing) Konventionelle Übertragungstechniken in Kommunikations-Netzen (Datennetze, Telefonnetze, etc.) beruhen auf dem TDM-Verfahren (Zeitmultiplexing). Dabei werden die Bits zeitlich fortlaufend übertragen und Teilkapazitäten durch periodisch wiederkehrende Zeitschlitze einer Anwendung zugeordnet. Informationsbits werden auf eine Trägerfrequenz (Lichtwelle um 1550 nm im WAN - Bereich) aufmoduliert und über Monomodefaser (LWL) zum Empfänger geschickt. Der Modulationsumfang liegt bei einer 2.5 Gbit/s-Übertragung bei 1,25 GHz, so dass nur ein sehr kleiner Teil der verfügbaren Kapazität einer Glasfaser ausgenutzt wird; Falls Kapazität nicht ausreichend, dann wird ein weiteres Faserpaar eingesetzt --> kostspielig im Vergleich zur Nutzung mehrerer optischer Kanäle auf einer Glasfaser. 2. WDM - Verfahren (Wavelength Division Multiplexing) Bei WDM (Wellenlängenmultiplexing) werden mehrere Trägerwellenlängen parallel genutzt; dazu quasi mehrere, voneinander unabhängige Lichtwege durch das Glasfaserkabel gelegt. Mit N Trägerwellenlängen kann Übertragungs-Leistung um Faktor N erhöht werden (für jede einzelne Trägerwellenlänge gilt TDM-Verfahren). Mit dem WDM-Verfahren wird unter Verwendung weiterer optischer Komponenten, wie Add- / Drop- Multiplexer, Verstärker und Switches der Weg zu mehr optisch orientierten Kommunikations-Netzen ausgebaut; Optische Cross - Connects ermöglichen z.b. mit der Kombination von Raum- und Wellenlängenswitching flexible Strukturen mit Leistungen bis zu mehreren hundert Gbit/s. Problem bei LWL: Leistungs- und Entfernungsvergrößerungen läßt physische Einflüsse stärker wirksam werden (u.a. Dispersion und Absorption) => somit neue Anforderungen an Verstärkung und Regeneration von Signalen. Einsatz neuer LWL und Laser-Techniken. Auch Management der optischen Netze ist möglich. Im Zugangsbereich besteht das Problem, zwischen optischen Signalen aus verschiedenen Wellenlängenbereichen umzusetzen => Aufgabe realisiert durch sog. Transponder. Anschluss über Zugangsnetze. Abbildung 12.4: Struktur eines optischen Netzes Transponder: Umsetzung von Wellenlängen in WAN - Frequenzbereich (1500 nm). Wellenlängen-Multiplexer: Mehrere Lichtwege parallel durch eine Glasfaser leiten (Verstärkerwirkung). 11

12 Optischer Faserverstärker: Bruchlose Verstärkung der Lichtsignale. Optischer Add- / Drop- Multiplexer: Weiche für Datenströme. Optischer Cross - Connect: Wechsel in andere optische Netze (Raum- und Wellenlängenswitching). 4. Ausbaustufedes G-WiN Technische Plattform des DFN: Gigabit-Wissenschaftsnetz G-WiN. Seit Anfang 2004 weiter ausgebaut: in 2004 wird G-WiN mit insgesamt sechs 10 Gbit/s-Verbindungen ausgestattet. Markante Anwendungen der 4. Ausbaustufe: Grid-Computing. Lasterhöhung: Datenlast in 1. Ausbaustufe (2000) ca. 600 Terabyte pro Monat, Anfang 2004 bereits mehr als 1,2 Petabyte (Peta = 1000 Tera). Einsatz eines mathematischen Modells, entwickelt am Konrad-Zuse Zentrum (Berlin) speziell für die Optimierung des G-WiN: mit Hilfe dieses Modells wird auf Grundlage der geplanten Kernnetzkapazitäten und der vorgesehenen Interfaces eine Kostenoptimierung des Netzes durchgeführt. Wichtiger Aspekt für neue Topologien: Ausfallsicherheit des Ebene-Eins-Netzes: selbst bei Ausfall einer einzelnen Verbindung oder Knotens muss der Datenverkehr mit einer Mindestbandbreite über die übrigen Knoten abgewickelt werden können. Ausbau: - Ende 2002: 1. Schritt in die 10 Gigabit-Technologie mit einer 10 Gbit/s-Verbindung zwischen den Kernnetzknoten Leipzig und Frankfurt/Main, - Dezember 2003: 10 Gbit/s-Verbindung der Knoten St.Augustin und Frankfurt/Main, - zusätzlich eine 2,5 Gbit/s-Strecke zwischen St. Augustin und Essen. Frankfurt/Main: hier Übergabepunkte vom DFN in das europäische Wissenschaftsnetz GÉANT ~> verbindet die nationalen Wissenschaftsnetze in 31 europäischen Staaten. Leistung für G-WiN: - Anbindung des G-WiN an GÉANT auf 10 Gbit/s ausgebaut, - darüber auch die nord-amerikanischen Forschungsnetze erreicht. Neben neuen 2,5 Gbit/s-Verbindungen zwischen den Kernnetzknoten werden ab Juni 2004 vier weitere 10 Gbit/s-Verbindungen zwischen Essen und Leipzig, Berlin und Frankfurt, Stuttgart und Frankfurt sowie zwischen Hamburg und Berlin geschaltet, Anschluss an GÉANT. GÉANT (Nachfolgenetz von TEN 155) planmäßig Oktober 2001 in Betrieb genommen. G- WiN mit 2,5 Gbit/s an GÉANT angeschlossen, Ausbau auf 10 Gbit/s in Anschlusspunkt DFN-GÉANT: Frankfurt/M. Betreiber: Dante Ltd. Zusätzliche USA-Verbindung über DANTE Ltd. mit 5 GB. Für wissenschaftlichen Datenaustausch zwischen Europa und Nordamerika stehen seit Anfang 2002 zwei zusätzliche 2,5 Gbit/s-Leitungen zur Verfügung, die den europäischen Forschungsbackbone GÉANT mit US- Forschungsnetz Abilene verbinden. Die Verbindung dient ausschließlich dazu, die Forschungsnetze beider Kontinente miteinander zu verbinden. Ab 2002 stellt Abilene zwei weitere Verbindungen mit gleicher Bandbreite nach Europa bereit. Europäische Forschungsnetze Europäische Dachverbände und Backbone - Netzwerke RARE (Reseaux Associes pour la Recherche Europeénes) - Gründung 1985/86 durch verschiedene Wissenschaftsorganisationen - Koordinierung für eine europäische Datenkommunikations-Infrastruktur Zunächst Initiierung COSINE - Projekt - Cooperation for an Open System Interconnection Networking in Europe - Ziel: ISO/OSI-basierte Infrastruktur für akademische Bereiche in Europa Backbones (im Ergebnis von COSINE, Unterstützung durch Europäische Kommision/EU) IXI (International X.25 Interconnect) - 1. paneuropäisches Netzwerk; X.25 Paketvermittlung; Inbetriebnahme

13 EuropaNET - ab 02/1993: Fortführung IXI als Multiprotokoll-Netzdienst. X.25 / IP Paketvermittlung. TEN-34 (Trans - European Network Interconnect at 34 Mbps) ~> - ab 03/1997: Fortführung EuropaNET als Breitbandnetz. B-ISDN/ATM, 34 Mbit/s. - ab 1998: Erweiterung zu TEN-155 (SDH/WDM), 155 Mbit/s. GÉANT (SDH/WDM, LWL) - ab 10/2001: Fortführung TEN; 2.5 Gbit/s à 10 Gbit/s-Technologie (2004), Dante Ltd. - Anschluss G-WiN in Frankfurt/M., 10 Gbit/s; G-WiN-Zugang zu US-Internets. DANTE Ltd. (zentrale europäische Betriebsgesellschaft für Datenkommunikation) - Sitz in Cambridge, Großbritannien; Gründung Planung und Aufbau (zusammen mit EG) eines 34 Mbit/s-Netzes (--> TEN - 34) - Koordinierung des europäischen Netzbetriebes: EuropaNET, TEN-34/155, GÉANT - Anbindung osteuropäischer Länder (EG PHARE - Programm) Weitere Backbones EBONE (Europäischer Internet - Backbone) - Aufbau parallel zu EuropaNET als Föderation von IP-Netzen, - Inbetriebnahme 1992 (34 Mbit/s) - Organisation RIPE (Réseaux IP Europeneés): Koordinierung des Internet in Europa - Analogie zum NSFnet / ASnet-Backbone (USA, 1996: 90 Mbit/s, 1998: 140 Mbit/s, ab 2000: >= 2.5 Gbit/s) Abbildung 12.5: Topologie TEN und angeschlossene Netze SUPER JANET - Großbritannien, Inbetriebnahme 1992/93 - Übertragungsgeschwindigkeit: >100 Mbit/s ~> 2.5 Gbit/s TEN-34: ESPRIT- Programm und Zielstellungen März 1995: 18 Organisationen nationaler Forschungsnetze (dabei auch DFN) reichen Vorschlag für den Aufbau eines europäischen Breitbandnetzes TEN-34 (34 Mbit/s) - Trans- European Network Interconnect at 34 Mbps - an Europäische Kommision im Rahmen des Programms Telematics for Research/ESPRIT ein. Politik: Handlungsbedarf erkennbar: Bangemann -Report, Aktivität G7-Gruppe. Im 4. Rahmenprogramm stellte Europäische Kommission 10 Mio. ECU bereit. Zielstellungen: Breitbandkommunikation. Unterstützung für Multimedia-basierte Arbeitstechniken kooperatives und interaktives Arbeiten. TEN-155: Paneuropäisches Wissenschaftsnetz (Backbone) Auf SDH-Technologie beruhendes Kernnetz, vü 155 Mbit/s (ursprüngl. B-ISDN/ATM) Zugangsknoten in Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Italien, den Niederlanden, Österreich, Schweden und Schweiz. Anschluss von Belgien, Griechenland, Israel, Polen, Portugal, Spanien, Tschechien und Ungarn an das Kernnetz mit einer Datenübertragungskapazität von 13

14 34 / 35 Mbit/s. Irland, Luxemburg und Slowenien: 10 Mbit/s-Verbindungen. Anbindungen in die USA und nach Japan. Durchbrechen der monopolistischen Preisbarriere und Bandbreiten- Rationierung Einsatz IP- und ATM-Technologie: zusätzlich zu einem Best-Efforts IP- Dienst auch ATM-Technologie eingesetzt, um eine garantierte Dienstgüte zu gewährleisten Bereitstellung größerer Bandbreite und garantierter Dienstgüte und Erleichterung der internationalen Kommunikation und Kooperation. Umstellung TEN-34 auf TEN-155-Netz (Herbst 1998). Nachfolgenetz GÉANT: Betriebsaufnahme 10/2001; SDH/WDM, Übertragungsgeschwindigkeit: 10 Gbit/s (2004). Abbildung 12.6: Topologie TEN

15 13 Next Generation Internet 13.1 Anforderungen an das Internet der neuen Generation Gründe und Anforderungen für ein neues Internet Schwerpunkte der heutigen Informationsgesellschaft: Vernetzung und Erreichbarkeit (anywhere, anytime, anything) HS-Netze (B-ISDN/ATM, SDH/WDM, Gigabitnetz), Access Networks (xdsl, PON) Drahtlose Netze (W-LAN, CT, Mobilfunknetze (GSM, GPRS, UMTS), Satellitennetze) Internet und Dienste (z.b. WWW, E-Commerce, File-Sharing, P2P) Multimedia-Kommunikation (Audio/Video-Sequenzen) Telefonie: (noch immer) dominierend gegenüber den rechnerbasierten Kommunikationstools, incl. Internet-Telefonie VoIP (Voice-over-IP) * trotz Vielzahl von Dienste in den neuen Netzen auf Basis computerbasierter Geräte * aber Nutzer wollen nicht umsteigen (Kosten, Gewohnheit vs. Güte z.b. bei VoIP) Situation (1998/99) Mio. Telefonanschlüsse weltweit (2001: 1,3 Mrd.), größte Maschine der Welt, Mio. Mobilfunkanschlüsse (anwachsende Tendenz, 2001: 1,3 Mrd.), Mio. installierte Computer (zum Vergleich). Schwerpunkte für Internet: Internet 1: Weltweiter, effektiver Zugang zu Informationen (WWW) und Diensten (z.b. Forschungskommunikation, aber auch E-Commerce) Internet 2: Audio/Video-Kommunikation (incl. IP-Telefonie VoIP), QoS, Sicherheit Entwicklung des Internet: Vom reinen daten-orientierten Kommunikations-Netzwerk zu einem Multimedia-Netzwerk mit allseitigem Zugriff. Dazu ist eine Next Generation von Internet-Protokollen und Diensten erforderlich: IPv6,..., 6Bone Ressourcenreservierung (RSVP, IntServ, DiffServ), MPLS, Sicherheit Entwicklung eines neuen Internets (Internet 2) auf der Basis von Hochgeschwindigkeitsübertragung (SDH/WDM --> 10.5 Gbit/s Tbit/s). Entwicklung der Netzwerk - Infrastruktur Wachsende Breite von Applikationen im Internet: Web-Browsing, Multimedia-Applikationen, IP-Telefonie (VoIP) Peer-to-Peer-Networking (File-Sharing, Musiktauschbörse,...), Grid-Computing Mobile (ubiquitous) und Nomadic Computing, mobile IP, Hot-spots,... CSCW, Distributed Computing, E-Commerce (Home-Banking, Teleshopping, e-cash) Audio / Video- Kommunikation (ursprünglich nicht Hauptziel des Internet). Anwachsende Mannigfaltigkeit von Netzwerken und Endgeräten: Highspeed Networks (WDM Optical NW, SDH, ATM, Gigabitnetze, Gigabit-Ethernet) Drahtlose Netze (kbit/s... Mbit/s) Circuit-switched, Packet-switched (PSN), Fast Packet-switched Networks mit verschiedenen Diensten (z.b. QoS, CoS) Internet-fähige Endgeräte: fest installierte Bildtelefone, Mobiltelefone, Palmtop und Handheld-Computer, Set-top-Boxes, Network-Computer. Next Generation Internet: Interagieren mit anderen Netztypen, Nutzung der Internet-Dienste in anderen Netzwerken. 15

16 Abbildung 13.1: Netzwerkinfrastruktur 13.2 Multimedia-Konferenz über Internet Multimedia-Applikationen Entwicklung Internet zum Multimedia-Netzwerk Multimedia-Applikationen (Audio/Video-Komm., Telekonferenz, Börse) immer wichtiger für Internet: Entwicklung rein datenorientiertes Netzwerk --> Multimedia-Netzwerk Prototypische Entwicklung neuer Protokolle --> führen zum Next Generation Internet Subsumierung von ähnlichen Protokollen und Diensten für Audio/Video-Kommunikation und für Konferenzing-Applikationen aus ITU-TS ins Internet, z.b. die Standards T.120, T.124, H.323. Entwicklung verschiedener Telekonferenz- und Multimedia-Tools für das Internet. Internet-Conferencing Basis: MBone (Multicast Backbone) Backbone für Audio/Video - Conferencing Grundlagen: IPv4, Multicast-Router bzw. Tunneling ( mrouted ) ~> 6Bone (IPv6) Conferencing Tools, u.a. sdr: session description (für Audio- und Video-Control) vic, vat: Audio- und Video-Kommunikation wb: Whiteboard Weitere Multimedia-Applikationen NetVot: Network Voice Terminal - Entwickler: Henning Schulzrinne (Columbia University, NY) - Terminal für Audio-Kommunikation (--> IP-Telefonie) - Ergänzungen: NeVit (Network Video Terminal), ISC (Integrated Session Control) - Basis: Internet-Protokolle NetMeeting (Microsoft / Internet) Schmalbandige Audio/Videokonferenzsysteme (i.d.r. ISDN-basiert) ISC50 (PictureTel / ISDN) ProShare (Telekom / ISDN) Hicom (Siemens / ISDN)... - Audio/Video-Konferenzing (schmalbandige Übertragung, i.d.r. ISDN) - Basis: ITU-T Standards * T.120 Framework, H.323 * vollständig komplex und proprietär, nicht für große Gruppen skalierbar 16

17 Wichtige neue Anforderungen für Multimedia-Anwendungen - Quality-of-Service (QoS, Dienstgüte) - Gruppenkommunikation - Reservierungsstrategien (garantierte Bandbreite): RSVP, IntServ, DiffServ Bisheriges Internet bietet dazu keine effiziente Unterstützung. Die meisten Internet-Protokolle realisieren i.allg. Pkt.-zu-Pkt.-Kommunikation für P2P- Anwendungen (Peer-to-Peer): Unicast, kein Multicast. --> Next Generation Internet erforderlich Sukzessive Einführung neuer Protokolle ins Internet, u.a. - Multicast-Kommunikation - QoS-Signalling und QoS-Support - Ruf-Steuerung (Call Control) - analog zum POTS - IPv6 Internet Multimedia Conferencing - Architecture Definiert durch MMUSIC Working Group * Status: Internet-Draft ~> Internet-Standard (IETF) Hauptmerkmale: * Skalierbarkeit für große Gruppen * Offene Architektur für neue Medien und Anwendungen Integration IP - Telefonie Abbildung 13.2: Internet Multimedia Conferencing Quality-of-Service (QoS) Unterstützung verschiedener Dienstklassen QoS (Quality-of-Service, Dienstgüte) im Internet: Aufgabe verschiedener IETF Working Groups (u.a. Integrated / Differentiated Service) Applikationen mit verschiedenen Verkehrsmustern und QoS-Anforderungen Unterstützung sowohl in Endsystemen als auch in den Vermittlungssystemen (z.b. IP-Router, ATM-Switch) QoS-Support - Anforderung einer Dienstgüte erforderlich - Management der Kommunikations-Ressourcen (z.b. Bandweite, Speicher) - Alabama, Bandwith Broker, CoS-Konzepte, Q-WiN 17

18 Abbildung 13.3: Verschiedene Dienstklassen Integrated Services (IntServ) IPv4 von Hause aus keine QoS-Unterstützung (im Gegensatz zu ATM). Neuere Anwendungsbereiche (VoIP, Videostreaming, Videoconferencing) erfordern aber Mechanismen zur Priorisierung von Datenströmen (vorhersagbare Übertragung). Dazu verschiedene Mechanismen entwickelt. IntServ setzt eine explizite Signalisierungphase zur Reservierung von Netz- und Systemressourcen voraus [RFC 1633, RFC 2208]. Netzwerk führt auf Basis der Informationen der Anwendung und der vorhandenen Netzressourcen eine Zugangskontrolle (admission control) durch. Dabei wird jeder RoutingKnoten auf dem Weg zum Ziel abgefragt, ob die gewünschten Parameter erfüllbar sind. Bei Erfüllung wird ein Kanal zwischen Sender und Empfänger eingerichtet. Das Netz verpflichtet sich, die Vereinbarungen für die Dauer der Kommunikationsverbindung einzuhalten. Falls ein Router keine IntServ-Funktionalität nachweisen kann, wird Verkehrsvereinbarung abgelehnt, QoS dann nicht gewährleistet. Signalisierungphase bei IntServ erfordert Zeit. Außerdem in Netzknoten viel Speicherplatz für Informationen benötigt. Dadurch IntServ-Ansatz in großen Backbone-Netzen für Reservierungsstrategien weniger geeignet (Skalierungsproblem). IntServ aber als einzi ges Verfahren (außer ATM) in der Lage, ein Ende-zu-Ende QoS zu garantieren. IntServ-Architektur bietet 3 Dienstklassen, die an die Anforderungen verschiedener Anwendungen angepasst wurden: 1. Guaranteed Service: ermöglicht Dienstvereinbarungen mit definierter maximaler La tenz, geeignet für zeitkritische und gegenüber Verzögerungen empfindlich reagierende Anwendungen (VoIP). 2. Controlled Load Service: ermöglicht Dienstvereinbarungen mit mittlerer Verzögerung, d.h. Überschreitungen der vereinbarten maximalen Latenzzeit finden nicht häufiger statt als im unbelasteten Zustand, und für adaptive Echtzeitanwendungen, die kurzzeitige Einschränkungen der Dienstgüte tolerieren (Videostreaming). 3. Best-Effort Service: für adaptive und zeitunkritische Anwendungen, weiter unterteilt in - burstartiger Verkehr (z.b. Web), - bulkartiger Verkehr (z.b. Streaming, FTP), - asynchroner Verkehr (z.b. ). Die Dienstklassen 1 und 2 erfordern eine Signalisierung und Zugangskontrolle in den NW- Knoten (wie z.b. bei RSVP). Vorteile der IntServ-Architektur: die Unterteilung in mehrere Klassen, die für bestimmte Anwendungstypen optimiert sind sowie der integrierte Best-Effort-Service. Damit können existierende Anwendungen ohne Veränderungen weiter angewendet werden. 18

19 Nachteil der IntServ-Architektur: End-to-End-Merkmale nur dann nutzbar, wenn alle beteiligten Knoten das IntServ-Modell integrieren. RSVP (Resource reservation Protocol) ist eine Implementierung der IntServ-Architektur. Es ermöglicht die dynamische Einrichtung eines End-to-End QoS über ein heterogenes Netzwerk (IntServ als einziges Verfahren in der Lage, ein Ende-zu-Ende QoS zu garantieren). RSVP ist ein Signalisierungsprotokoll, und das einzige, das Bandbreite zwischen zwei Endpunkten garantiert (außer ATM, Dienstklasse real-time). RSVP-Nachrichten enthalten nur Signalisierungsinformationen, die die benötigte Dienst-güte beschreiben. Somit kann zwar RSVP ein spezielles QoS-Merkmal anfordern, die Umsetzung obliegt jedoch den Protokollen und Algorithmen in den Netzknoten. Differentiated Services (DiffServ) Zur Umgehung des Skalierungsproblems bei IntServ/RSVP wurde durch die IETF das Modell des Differentiated Services (DiffServ) entwickelt [RFC 2474, RFC 2475]. Anstatt für jeden Datenstrom eine Signalisierung an alle Netzknoten entlang des Übertragungsweges durchzuführen, arbeitet DiffServ mit zusammengefassten (aggregierten) Datenströmen, die ähnliche Übertragungseigenschaften und Anforderungen an QoS aufweisen. Die Router müssen nur Informationen weniger Aggregatflows speichern, anstatt viele verschiedene virtuelle Pfade zu handhaben. Die Zuordnung der Pakete zu den kombinierten Flows wird durch eine In-Band-Signalisierung realisiert. Den IP-Paketen wird ihre Priorität über das DiffServ-Feld (DS Byte) zugewiesen (bei IPv4 wird es auf das Type-of-Service-Feld abgebildet). Das DS-Byte besteht aus dem 6 Bit DiffServ-Codepoint (DSCP) und einem nicht spezifi zierten 2 Bit-Feld. Bei IPv6 kann ergänzend noch das Flow-Label-Feld mitgenutzt werden. Im Gegensatz zu IntServ bietet DiffServ kein End-to-End QoS, da durch die fehlende Signalisierung nicht gesichert werden kann, dass ein Router genügend freie Ressourcen besitzt. Das Verhalten des Netzknotens beim Weiterleiten von DiffServ-Traffic wird stattdessen über das Per Hop Behaviour (PHB) bestimmt. PHB ermöglicht 3 Dienste: - Expedited Forwarding (EF): unmittelbares Weiterleiten vor allen anderen Paketen, - Assured Forwarding (AF): garantiertes Weiterleiten (ohne Verwerfen), - Default Forwarding (DF): Weiterleiten ohne besondere Bedingungen. Über den DSCP wird den Paketen das jeweilige PHB zugeordnet. DiffServ gestattet die Unterteilung in feinere Dienstklassen, in die eher eine Anwendung eingeordnet werden kann. Weiterhin möglich, die von einer Anwendung gesetzten Prioritätsklassen in den Netzknoten durch das Überschreiben des DS-Byte zu verändern. Administration der vielen Dienstklassen mit ihren verschiedenen QoS-Merkmalen ist bei DiffServ komplexer. Einsatz daher meist in Backbone-Netzen. Internet Services: Traditionell sichert das Internet die Dienste - best effort Services (IP, UDP) und - zuverlässige Unicast-Services (IP, TCP) Meinung einiger Internet-Gurus: Internet besitzt genügende Kapazität für alle Real-Time-Applikationen, um mit einfachem Prioritäts-Scheduling höhere Verzögerungen zu vermeiden Gehobenere Internet-Dienste (Enhanced Internet Services) durch IntServ Working Group Definiert (Vereinfachung bei DiffServ): - Gesteuerte Last-Dienste (Controlled Load Services), - Garantierte Dienstgüte (Guaranteed Quality of Services) 19

20 Zur Unterstützung solcher Dienste wird die Verkehrssteuerung (traffic control) in sog. Network Elements implementiert (RFC 2216) Network Element: definiert als eine Komponente für Interworking, die - direkt Datenpakete handelt, - und fähig zur Ausübung der QoS-Steuerung ist (z.b. Router, Subnetze, Betriebssysteme von Endknoten) In Abhängigkeit des Dienstes sind erforderlich: Rufzulassungssteuerung (call admission control): Sichert zur Aufbauzeit (set-up-time), dass genügend Ressourcen für den angeforderten Dienst zur Verfügung stehen. Verkehrsüberwachung (traffic policing): Findet am Außenrand des Netzwerks statt. Steuert den Verkehrseintritt ins Netzwerk entsprechend dem Verkehrsvertrag. Verkehrsanpassung (traffic shaping): Wird innerhalb des Netzwerks benötigt, um den Verkehr gemäß Verkehrsvertrag für den entsprechenden Dienst zu gestalten. Priorisierung nach Portnummern der Protokolle TCP- und UDP-Anwendungen identifizieren sich nach sog. Ports (z.b. http nutzt Port 80), die Quell-und Zielports sind im gesendeten Paket eingetragen. Bei Netzknoten, die auf höheren Schichten arbeiten (z.b. Multiprotocol Layer Switches, MPLS), können bestimmte Portnummern bevorzugt durch das Netz geleitet werden. Nachteil: für jede priorisierende Anwendung ist eine eigene Regel zu erstellen, die auf allen Geräten einzurichten ist -> weniger für Backbones geeignet. Scheduling Scheduling-Algorithmen erforderlich zur Verkehrssteuerung (IntServ) bei - controlled-load services und - guaranteed services Scheduler * Definiert Strategie und Zeitplan der Ressourcennutzung (Prozessor, Link,...), basierend auf Scheduling-Algorithmus * Anwendbar für Verkehrssteuerung Scheduling-Algorithmen * FIFO * Weighted Fair Queueing (WQF) * Jitter - EDD * Virtual Clock Scheduling-Algorithmen unterstützen keinen, einen oder mehrere QoS-Parameter (z.b. FIFO unterstützt keinen QoS-Parameter) Signifikante Unterscheidungen in der Komplexität bei Implementationen FIFO-Scheduling FIFO (first-in-first-out) oder FCFS (first-come-first-served) * Pakete in Ankunftsreihenfolge bedient * Die meisten der heutigen IP-Router implementieren FIFO für best-effort-service Vorteile * Einfacher Algorithmus * Leicht implementierbar Nachteile * Alle Pakete gleich behandelt * Keine QoS-Parameter unterstützt FIFO und Prioritäten * Warteschlangen mit verschiedenen Prioritäten - FIFO-Scheduling in jeder Warteschlange - Höchste Priorität zuerst bedient 20

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