Prüfung Vernetzte Systeme

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1 März 2005 Prof. Roger Wattenhofer, Keno Albrecht, Nicolas Burri Prüfung Vernetzte Systeme Bitte schreiben Sie Ihren Namen und Legi-Nummer auf alle Blätter, die Sie korrigiert haben wollen. Sie haben 90 Minuten zur Verfügung. Es gibt total 90 Punkte. Halten Sie Ihre Legi bereit, sie wird kontrolliert. Erlaubte Hilfsmittel sind zwei handgeschriebene A4-Seiten und ein Taschenrechner. Bei den Programmieraufgaben können Sie entweder ActiveOberon oder Java verwenden. Entscheiden Sie sich für eine Sprache, wir werden nur eine korrigieren. Machen sie klar, welche Sie korrigiert haben möchten. Notieren Sie ihre Antworten wenn möglich direkt auf die Aufgabenblätter. Falls Sie zusätzliche Blätter verwenden: Benutzen Sie ein separates Blatt pro Aufgabe. -> Sie dürfen die Aufgaben erst anschauen, wenn die Prüfungsaufsicht dies erlaubt. Name: Legi-Nr: Aufgabe maximal erreicht Total 90 Note:

2 1. Multiple Choice (13 Punkte) Beantworten Sie die folgenden Fragen. Markieren Sie die richtige Antwort. Pro Frage ist genau eine der vorgeschlagenen Antworten korrekt. Jede richtig beantwortete Frage gibt einen Punkt. a) Welche der folgenden Aussagen ist richtig? Die Checksumme des IP-Headers sichert das komplette IP-Paket mit Header und Daten. Die Checksumme des UDP-Headers sichert nur den Header eines UDP-Pakets. Die Checksumme des TCP-Headers sichert nur den Header eines TCP-Pakets. Alle Aussagen sind falsch! b) Welche Änderungen werden innerhalb eines Routers nicht vorgenommen? Checksumme eines IP-Paketes verändern TTL eines IP-Paketes verringern IP-Paket in mehrere Fragmente zerlegen IP-Paket aus mehreren Fragmenten wieder zusammenfügen c) Für den Datenaustausch über eine Distanz von 8000 km wird ein Glasfaserkabel mit einer Bandbreite von 4 Gbps = bps verwendet. Wie lange benötigt ein Bit, um von einem Ende des Kabels zum anderen zu gelangen? ~ 10 ms ~ 20 ms ~ 40 ms ~ 80 ms d) Welche der folgenden Aussagen trifft auf ATM-Netzwerke zu? Das Routing in ATM ist verbindungsorientiert. ATM kann nur zum Telefonieren verwendet werden. ATM baut auf IP auf. ATM wird hauptsächlich im LAN eingesetzt. e) Welche dieser Portnummern kann keinem der folgenden Protokolle als Standard zugeordnet werden: FTP, HTTP, SMTP, POP, SSH, Telnet? f) Welche der folgenden Aussagen trifft nicht auf Ethernet-MAC-Adressen zu? FF-FF-FF-FF-FF-FF ist die Broadcast-Adresse. Die ersten 24bit der MAC-Adresse einer Netzwerkkarte enthalten die Hersteller-ID. Die MAC-Adresse gehört zum Data Link Layer des OSI-Modells. MAC-Adressen werden beim Routing im Internet verwendet, um das richtige Zielnetz zu finden. g) Was ist ein bekanntes Protokoll? SHALOM AHOI ALOHA TACH 2/17

3 h) Welche der folgenden Aussagen trifft auf CSMA/CD zu? Der Algorithmus verhindert das Auftreten von Kollisionen. Kollisionen können auftreten, aber der Algorithmus spezifiziert, wie die Endgeräte eine Kollision erkennen können und sich danach zu verhalten haben. Der Algorithmus funktioniert nur, wenn höchstens zwei Endgeräte zur selben Zeit senden. Der Algorithmus funktioniert nur, wenn sich mindestens drei Endgeräte im selben LAN befinden. i) Welche der folgenden Angaben werden von einem Router normalerweise zum IP-Routing verwendet? MAC-Adresse des Empfängers MAC-Adresse des Senders IP-Adresse des Empfängers IP-Adresse des Senders j) Welche der folgenden Eigenschaften ist nicht Bestandteil von TCP? Fehlerbehandlung (error recovery) Sicherstellung der richtigen Reihenfolge der Pakete beim Empfänger (ordered data transfer) Staukontrolle (congestion control) Routing k) Das A in ADSL steht für Asymmetric. Was ist daran asymmetrisch? Up- und Downlink-Kabel können unterschiedlich lang sein. Up- und Downlink-Bandbreite können unterschiedlich gross sein. Up- und Downlink-Provider können unterschiedliche Gebühren verlangen. Up- und Downlink-Protokolle können unterschiedlich sein. l) Um mehrere Attachments (Anhänge) in einer zu versenden, gilt: Alle Attachments werden jeweils in einem eigenen TCP/IP-Paket versendet. Alle Attachments kommen als einzelne s beim Empfänger an und werden durch den Mailclient wieder zusammengesetzt. Alle Attachments werden MIME-codiert und innerhalb einer durch Blockgrenzen voneinander separiert. Alle Antworten sind falsch. m) Für das Point-to-Point Protocol (PPP) gilt: Ein CSMA/CD-ähnlicher Algorithmus wird zur Kollisionskontrolle eingesetzt. Bestimmte Bitfolgen müssen maskiert werden. Fehler können nicht erkannt werden. Sender und Empfänger müssen durch Ihre MAC-Adresse spezifiziert werden. 3/17

4 2. Routing (24 Punkte) Dipl. Ing. Routli schlägt ein neues Routing-Protokoll vor, genannt Potential-Routing. Der Einfachheit halber beschränken wir uns in dieser Aufgabe auf eine einzige Destination, den Knoten D. Jeder Knoten im Netzwerk besitzt ein Potential, eine beliebige nicht-negative reelle Zahl. Der Zielknoten D hat Potential 0. Die Potentiale sind immer so gewählt, dass jeder Knoten u (u D) wenigstens einen Nachbarknoten x mit tieferem Potential hat: P(x) < P(u). Ausserdem speichert jeder Knoten u für jeden seiner Nachbarknoten x ein Bit c(u,x). Zu Beginn sind alle c-bits = FALSE. Das Forwarding funktioniert so: Möchte ein Knoten u eine Nachricht nach D schicken oder für einen Nachbarn dorthin weiterleiten, so schickt er sie einfach an den Nachbarknoten mit dem tiefsten Potential. Das Routing-Management funktioniert so: Passiert es einem Knoten u (u D), dass alle Nachbarknoten ein höheres Potential haben, dann erhöht Knoten u sein Potential. Und zwar setzt Knoten u das Potential P(u) so hoch wie möglich, unter der Bedingung dass P(u) < P(x) mit c(u,x) = TRUE für alle Nachbarknoten x. Falls kein Nachbarknoten x mit c(u,x) = TRUE existiert, dann setzt Knoten u sein Potential sehr hoch (z.b. das grösste Potential seiner Nachbarn plus 100, für ein Netzwerk mit 100 Knoten). Ändert ein Knoten u sein Potential, so sendet er eine Nachricht an alle Nachbarknoten x, um sie über diese Änderung zu informieren. Gleichzeitig setzt Knoten u alle seine c-bits = FALSE. Ändert ein Nachbarknoten x von Knoten u sein Potential, so setzt Knoten u das c-bit c(u,x) = TRUE. Sind bei einem Knoten u alle c(u,x) = TRUE, dann setzt Knoten u alle c(u,x) = FALSE. a) (10 Punkte) In den nächsten Aufgaben beziehen wir uns immer auf das in Bild 2.1 gegebene Netzwerk mit Ziel D. Die Zahl beim Knoten bezeichnet das Potential des Knotens; wenn nichts anderes angegeben ist, sind die c-bits alle gleich FALSE. Welchen Weg nehmen Pakete von einem beliebigen Knoten zu Zielknoten D? Stellen Sie Ihre Antwort direkt im Netzwerkgraphen auf eine geeignete Art dar. G 11 F 12 H 8 10 L E 6 7 I 16 K 12 J D 0 1 C 3 B 5 A Bild 2.1 4/17

5 Was passiert, wenn der Link zwischen Knoten K und C ausfällt? (Welche Nachrichten werden versendet, welche c-bits gesetzt?) G 11 8 H F L E 6 7 I 16 K 12 J D 0 1 C Bild B 5 A Was passiert, wenn der Link zwischen Knoten I und A ausfällt? (Welche Nachrichten werden versendet, welche c-bits gesetzt?) G 11 F 12 H 8 10 L E 6 7 I 16 K 12 J D 0 1 C Bild B 5 A 5/17

6 b) (3 Punkte) Beim Distance-Vector-Routing haben wir das so genannte Count-to-Infinity-Problem kennen gelernt. Gibt es auch beim Potential-Routing eine Art Count-to-Infinity-Problem? Begründen Sie Ihre Antwort. c) (3 Punkte) Gegeben sei wieder das Netzwerk von Bild 2.1. Worauf muss man achten, wenn eine neue Verbindung zwischen zwei bisher nicht direkt benachbarten Knoten möglich wird? (2-3 Sätze) G 11 F 12 H 8 10 L E 6 7 I 16 K 12 J D 0 1 C 3 B 5 A Bild 2.1 6/17

7 d) (6 Punkte) Wie in der Vorlesung besprochen, ist die Konvergenz ein wesentliches Kriterium bei der Beurteilung von Routing-Algorithmen. Beschreiben Sie (mit Skizze) ein Beispiel, bei dem nach einem einzigen Linkfehler ein Knoten u mehr als einmal sein Potential ändern muss. Und allgemein? Wie viele Nachrichten werden beim Potential-Routing maximal versendet, wenn ein Link ausfällt (gesetzt den Fall, dass noch eine Route zu D existiert)? e) (2 Punkte) Welche Vor- und Nachteile hat Potential-Routing verglichen mit Distance-Vector-Routing? 7/17

8 3. Kurzfragen (15 Punkte) Beantworten Sie die folgenden Fragen. Schreiben Sie direkt auf das Aufgabenblatt. a) (4 Punkte) Beschreiben Sie den Ablauf der Übermittlung einer vom Mailclient eines Benutzers A zum Mailclient eines Benutzers B. Zeichnen Sie eine Skizze und führen Sie alle relevanten Zwischenschritte und verwendeten Protokolle auf. b) (2 Punkte) Bekanntlich verfügt UDP über deutlich weniger Eigenschaften als TCP. Warum verwendet man überhaupt noch UDP? Warum sendet man nicht bloss IP-Pakete? (Vergleichen Sie nicht UDP mit TCP!) c) (3 Punkte) Der CSMA/CD-Algorithmus wird bei Ethernet zur Kollisionskontrolle verwendet. Aus welchem Grund lässt sich dieser Algorithmus nicht bei drahtlosen Netzen einsetzen? Begründen Sie Ihre Antwort (gerne mit einer Skizze). 8/17

9 d) (2 Punkte) Die Präambel eines Ethernet-Frames wird nicht durch seine Checksumme gesichert. Begründen Sie, warum dies nicht notwendig ist. e) (4 Punkte) Betrachten Sie ein IP-Netzwerk in einem Ethernet-Segment (Subnetmask ) mit mehreren Computern und einem Router (IP ). Ein Rechner mit der lokalen IP schickt jeweils eine Nachricht an die IP-Adressen und Wie erkennt der Router, dass er das eine Paket verarbeiten muss und das andere nicht? Woher wissen die Rechner im Netz überhaupt, dass es einen Router gibt und welche Adresse er hat? 9/17

10 4. Theorie-Aufgabe (21 Punkte) Dipl. Ing. Marco V. Ketter konzipiert einen Server, der wichtige Requests (Jobs) unwichtigen vorziehen kann. Es gibt nur 2 Prioritätsstufen für Requests, hohe oder tiefe Priorität. Immer wenn dem Server ein Request mit hoher Priorität zur Verfügung steht, wird zuerst dieser abgearbeitet. Requests mit hoher Priorität treffen Poisson-verteilt mit Rate λ h beim Server ein. Requests mit tiefer Priorität treffen Poisson-verteilt mit Rate λ t beim Server ein. Die Servicezeit eines Requests ist exponentiell verteilt, mit Rate µ h resp. µ t für Requests mit hoher resp. tiefer Priorität. Nehmen Sie an, dass Requests, die nicht sofort abgearbeitet werden können, in einer unendlich grossen Warteschlange gespeichert werden. a) (6 Punkte) Skizzieren Sie den Markov-Prozess für einen Server, der preemptive arbeitet, das heisst: ein neu ankommender Request mit hoher Priorität wirft einen Request mit tiefer Priorität aus der Bearbeitung (der Request mit tiefer Priorität muss zurück in die Warteschlange). Hinweis: Der Markov-Prozess ist 2-dimensional! b) (7 Punkte) Skizzieren Sie den Markov-Prozess für einen Server, der non-preemptive arbeitet, das heisst: ein Request mit tiefer Priorität wird fertig abgearbeitet, auch wenn mittendrin ein neuer Request mit hoher Priorität ankommt. 10/17

11 c) (8 Punkte) Wir studieren den preemptive Server von Teilaufgabe a), allerdings nur mit Speicher für maximal 2 Requests (1 in Bearbeitung, 1 in der Warteschlange). Wenn beide Speicherzellen schon belegt sind, werden weitere Requests einfach abgewiesen. Nehmen Sie an, dass λ h = λ t = µ h = µ t = 2 Requests/Stunde seien. Wie hoch ist der Anteil der abgewiesenen Requests im stationären Zustand? 11/17

12 5. Programmierung eines einfachen IM-Clients (17 Punkte) In dieser Aufgabe soll ein einfacher Instant Messenger-Client auf TCP-Basis geschrieben werden. Der Client kann sich bei einem Server registrieren und die IP-Adresse des zuletzt registrierten Clients in Erfahrung bringen. Diesem können Sie dann eine Text-Nachricht schicken. Natürlich müssen Sie auch selbst in der Lage sein, Nachrichten von anderen Clients entgegenzunehmen. Sie können diese Aufgabe entweder in Java (Aufgabe 5.1) oder Oberon (Aufgabe 5.2) lösen. Sollten Sie Probleme bei der Implementierung haben, etwa die korrekten Klassen, Methoden/Prozeduren oder Parameter nicht kennen, dann beschreiben Sie gegebenenfalls einfach mit Worten oder als Pseudocode, was Sie meinen. 5.1 Der IM-Client in Java a) (10 Punkte) Sie müssen die unten stehenden drei Methoden implementieren. Beachten Sie die folgenden Erläuterungen: Nehmen Sie bei der Implementierung dieser Methoden vereinfachend an, dass keine Fehler (Exceptions) auftreten können! Benutzen Sie zur Kommunikation immer TCP. register: In dieser Methode soll der Server mit der gegebenen IP-Adresse (serverip) und dem gegebenen Port (serverport) kontaktiert werden. Daraufhin erwartet der Server die Übermittlung der Client-IP-Adresse, die in der Variable myip gegeben ist, wobei sich z.b. für die Adresse der Wert 129 in myip[0] und 156 in myip[3] befindet. Danach schickt der Server im gleichen Format die IP-Adresse des zuletzt registrierten Clients an Sie zurück. Diese soll dann von der Methode zurückgegeben werden. send: In dieser Methode soll der Client mit der gegebenen IP-Adresse (clientip) auf dem gegebenen Port (clientport) kontaktiert und ihm eine Nachricht (text) zugeschickt werden. Da der empfangende Client allerdings nicht weiss, wie lang die Nachricht sein wird, müssen Sie zuvor die Länge des Textes als ein einzelnes Byte übertragen. Es wird keine Antwort von dem kontaktierten Client erwartet. receive: In dieser Methode müssen Sie dafür sorgen, dass Sie auch selbst eine Nachricht von einem anderen Client empfangen können. Schreiben Sie also das Gegenstück zur send- Methode. Dazu warten Sie zuerst auf eine eingehende Verbindung auf dem gegebenen Port (myport) und empfangen dann die Länge der Nachricht als Bytewert und anschliessend die Textnachricht selbst. Geben Sie abschliessend die Nachricht aus. 12/17

13 public byte[] register(byte[] myip, InetAddress serverip, int serverport) { } public void send(inetaddress clientip, int clientport, String text) { } public void receive(int myport) { } 13/17

14 b) (3 Punkte) Geben Sie kurz an, welche Fehler (Exceptions) an welchen Stellen in Ihrem Code auftreten können. c) (4 Punkte) Was muss an Ihrem Code geändert werden, wenn Sie in der Lage sein wollen, mehrere Nachrichten zu verschicken und (gleichzeitig) zu empfangen? 14/17

15 5.2 Der IM-Client in Oberon a) (10 Punkte) Sie müssen die unten stehenden drei Prozeduren implementieren. Beachten Sie die folgenden Erläuterungen: Nehmen Sie bei der Implementierung dieser Prozeduren vereinfachend an, dass keine Fehler auftreten können! Benutzen Sie zur Kommunikation immer TCP. Register: In dieser Prozedur soll der Server mit der gegebenen IP-Adresse (serverip) und dem gegebenen Port (serverport) kontaktiert werden. Daraufhin erwartet der Server die Übermittlung der Client-IP-Adresse, die in der Variable myip gegeben ist, wobei sich z.b. für die Adresse der Wert 129 in myip[0] und 156 in myip[3] befindet. Danach schickt der Server im gleichen Format die IP-Adresse des zuletzt registrierten Clients an Sie zurück. Diese soll dann von der Prozedur zurückgegeben werden. Send: In dieser Prozedur soll der Client mit der gegebenen IP-Adresse (clientip) auf dem gegebenen Port (clientport) kontaktiert und ihm eine Nachricht (text) zugeschickt werden. Da der empfangende Client allerdings nicht weiss, wie lang die Nachricht sein wird, müssen Sie zuvor die Länge des Textes als ein einzelnes Byte übertragen. Es wird keine Antwort von dem kontaktierten Client erwartet. Receive: In dieser Prozedur müssen Sie dafür sorgen, dass Sie auch selbst eine Nachricht von einem anderen Client empfangen können. Schreiben Sie also das Gegenstück zur Send- Prozedur. Dazu warten Sie zuerst auf eine eingehende Verbindung auf dem gegebenen Port (myport) und empfangen dann die Länge der Nachricht als Bytewert und anschliessend die Textnachricht selbst. Geben Sie abschliessend die Nachricht aus. 15/17

16 PROCEDURE Register(myIP : ARRAY OF CHAR; serverip, serverport : LONGINT; VAR lastip : ARRAY OF CHAR); VAR BEGIN END Register; PROCEDURE Send(clientIP, clientport : LONGINT; message : ARRAY OF CHAR); VAR BEGIN END Send; PROCEDURE Receive(myPort : LONGINT); VAR BEGIN END Receive; 16/17

17 b) (3 Punkte) Geben Sie kurz an, welche Fehler an welchen Stellen in Ihrem Code auftreten können. c) (4 Punkte) Was muss an Ihrem Code geändert werden, wenn Sie in der Lage sein wollen, mehrere Nachrichten zu verschicken und (gleichzeitig) zu empfangen? 17/17