Anwendungs-Protokoll. Darstellungs-Protokoll. Kommun.St. -Protokoll. Transport -Protokoll. Vermittlungs-Protokoll. Sicherungs-Protokoll

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1 3. Systemtheorie der Telekommunikation 3.1 Das OSI-Schichtenmodell Zwei wesentliche Strukturen machen eine Netzarchitektur aus: - Die physische Struktur; sie umfaßt die Übertragungswege, die Teilnehmereinrichtungen und die Vermittlungstechnik, - die logische Struktur; sie beschreibt die kommunizierenden Prozesse, die ausgetauschten Daten und die Regeln des Austauschs. Diese Regeln beschreibt man durch sog. Protokolle. Die Komplexität der Kommunikationsaufgabe erzwingt eine hierarchische Gliederung der Teilaufgaben. Um einen weltweiten Informationsaustausch zwischen technischen Einrichtungen möglich zu machen, sind international gültige Regeln aufzustellen. Die ISO (International Standard Organization) hat dies mit dem OSI-Referenzmodell (Open-System- Interconnection) getan, Bild Geräte, die diese Regeln einhalten, können dann untereinander kommunizieren. Die Erweiterung des ursprünglichen Referenzmodells auf die Realität im Netz, Endknoten und Vermittlungsknoten, zeigt Bild System A System B Schicht 7 Schicht 6 Schicht 5 Schicht 4 Schicht 3 Schicht 2 Schicht 1 Anwendung Darstellung Komm.Steurg. Transport Vermittlung Sicherung Bitübertragung Anwendungs-Protokoll Darstellungs-Protokoll Kommun.St. -Protokoll Transport -Protokoll Vermittlungs-Protokoll Sicherungs-Protokoll Bitübertrag. -Protokoll Application Presentation Session Transport Network Datalink Physical Layer 7 Layer 6 Layer 5 Layer 4 Layer 3 Layer 2 Layer 1 Übertragungsmedium Tatsächliche, physikalische Datenübertragung Virtuelle Kommunikation Bild 3.1.1: Das OSI-Schichtenmodell Endsystem A Transitsystem Endsystem B Anwendung Darstellung Komm.Steurg. Transport Vermittlung Sicherung Bitübertragung Anwendungs-Protokoll Darstellungs-Protokoll Kommun.St. -Protokoll Transport -Protokoll Application Presentation Session Transport Network Datalink Physical Übertragungsmedium 1 Übertragungsmedium 2 Bild 3.1.2: Das erweiterte Schichtenmodell Die Aufgaben der einzelnen Schichten dabei sind wie folgt: 1

2 Schicht 1 Physikalische Schicht) Hier erfolgt die Übersetzung der digital vorliegenden Information in das physikalische Signal des jeweils benutzten Mediums, elektrisch oder optisch. Zur Übersetzung zählt aber auch die Darstellung der Bitfolgen in einem bestimmten Leitungscode und dem Zufügen von Synchronisationsbits. Weiter können Informationen des jeweiligen Übertragungssystems in Form von Übertragungsrahmen hinzukommen. Übertragungssysteme im lokalen Bereich sind z.b. Ethernet, Token Ring, FDDI (Fibre Distributed Digital Interface); im globalen Bereich sind dies die PCM-basierten Systeme der Plesiochronen und Synchronen Digitalhierarchie (PDH, SDH). Schicht 2 (Sicherungsschicht, Data Link Layer) Trotz der Unempfindlichkeit des Leitungscodes der Schicht 1 gegen Störungen auf dem Übertragungsweg können Verfälschungen auftreten. Auf der Schicht 2 fügt man daher auf der Sendeseite Überwachungsbits hinzu, anhand derer auf der Empfangsseite eine Kontrolle erfolgt. Die Sendeseite faßt entsprechend dem Übertragungsverfahren auf der Schicht 1, z.b. CSMA/CD bei Ethernet oder Token Passing beim Token Ring und z.b. E1 bei PDH und C12 bei SDH die Bitfolge zu Blöcken (Bytes, Frames) zusammen und versieht sie mit Kenn- und Sicherungsbits. Die Bitfehlerrate sinkt dadurch auf Werte unter 10-6 und Meist unterteilt man die Schicht 2 in die Sicherungsschicht 2 b (LLC, logical link layer) und die Zugangsschicht 2a (MAC, medium access control). Die Schicht 2a regelt dann den Zugang zum gemeinsam genutzten Übertragungsmedium. Bei Ethernet z.b. über CSMA/CD, bei PCM über ein Einwählprotokoll. Schicht 3 (Vermittlungsschicht, network layer) Sie fügt an die ursprüngliche Nachricht die Informationen, die diese zum Ziel bringen: - Adressen der Netzwerkteilnehmer - Wegewahl durchs Netz - Aufbau, Halten, Abbau einer Verbindung - Paketbildung von Daten in Netzen zur Paketvermittlung - Gebührenermittlung. Ein Teil dieser Aufgaben tritt nur im Transitsystem auf. Man unterscheidet dort auch die Teilaufgaben 3a, 3b, 3c. Wegewahl in den Teilnetzen (3a), Anpassung der Dienste zwischen unterschiedlichen Netzen ( Umpacken, 3b) und Wegewahl zwischen den Netzen (Internetworking, 3c). Schicht 4 Transportschicht (Transport layer) Diese Schicht sichert den netzunabhängigen sicheren und kostengünstigen Transport der Daten zwischen den Endsystemen. Kostengünstig heißt Auswahl nach Güteparametern: - Durchsatz - Verzögerung - Verfügbarkeit - Restfehlerrate. Bei Paketübertragung sichert diese Schicht die richtige Reihenfolge der Pakete, wählt bei mehreren möglichen Netzen oder Wegen das oder den geeignete(n) aus 2

3 (Verstopfungskontrolle) und kontrolliert den Fluß zum Ausgleich der begrenzten Netzkapazität. Schicht 5 (Kommunikations-Steuerungsschicht, session layer) Diese Schicht organisiert den Dialog bei Duplex- und Halb-Duplex-Verbindungen. Bei größeren Datenmengen erfolgt hier die Synchronisation der Teilübertragungen. Schicht 6 (Darstellungsschicht, Presentation layer) Sie muß z.b. die Codierung der Daten sicherstellen, so daß Sender und Empfänger die gleiche Darstellung erhalten. Bei Sprache z.b. muß das ADU- dem DAU-Verfahren entsprechen, dsgl. bei geschriebenem Text oder Bildern. Schicht 7 (Anwendungsschicht, Application layer) Hier sind die Prozesse angesiedelt, die den eigentlichen Inhalt der Kommunikation ausmachen, z.b. Electronic Mail, File Transfer oder Terminalbetrieb. Die Tabelle verdeutlicht die Schichtung des OSI-Modells und die jeweiligen Aufgaben. Schicht 7 Schicht 6 Schicht 5 Schicht 4 Schicht 3 Schicht 2 Schicht 1 Application Layer - Anwendungsschicht Anwenderprogramm Presentation Layer - Darstellungsschicht Festlegung der Datenstruktur und Datenformate Session Layer - Kommunikationssteuerung Steuerung des Teilnehmerdialogs Zuordnung logische Namen phys. Adressen Transport Layer - Transportschicht Gesicherte Prozeß zu Prozeßverbindung Verbindungsaufbau und -abbau Network Layer - Netzwerk/Vermittlung Adressierung, Wegewahl (Routing) Data Link Layer - Sicherungsschicht Steuerung des Zugriffs auf das Medium Fehlererkennung und -korrektur Physical Layer - Bitübertragung Transparenter, ungesicherter Bitstrom Kabeltyp, Stecker, Pegel Tabelle 3.1.1: Aufgaben der sieben Kommunikationsschichten Wie ersichtlich, bedienen sich höhere Schichten der Dienste der darunterliegenden Schichten. Entsprechend erhöht sich auch der Informationsumfang von Schicht 7 bis Schicht 1. Logisch findet die Kommunikation jeweils auf gleicher Ebene zwischen Sender und Empfänger statt. Tatsächlich durchläuft eine Anwendung die Schichten auf der Sendeseite abwärts, auf der Empfangsseite aufwärts. Die Schnittstellen zwischen den Schichten sind, wie die zwischen Mensch und Maschine auf der obersten Ebene, präzise festgelegt. Dies sind die Protokolle. Bekannte Protokolle des OSI-Modells sind: - Schicht 2a: CSMA/CD; Token Passing - Schicht 2b: HDLC in WANs LLC in LANs 3

4 - Schicht 3 : X.25 - Schicht 7 : Verschiedene Dienste, darunter MHS (X.400) für Electronic Mail. 3.2 Internet Protokoll-Referenzmodell (Protocols and the TCP/IP suite /26/) Diese durch die Schicht 3 und 4 Protokolle TCP/IP (Transport Control Protocol / Internet Protocol) bekannte Protokollfamilie geht auf das ARPA-Netz der USA zurück, das erste paketvermittelnde Netz. Zum weltweiten, im INTERNET benutzten Standard wurden die Protokolle, als Berkeley-UNIX sie als integralen Bestandteil aufnahm. Bild zeigt die Internet-Protokollfamilie und den Bezug zu den OSI-Schichten. Bild zeigt die Kommunikationsprotokolle im Internet-Umfeld. Die Korrespondenz zwischen den OSI- und Internet-Diensten ist in Bild dargestellt. ISO Layer 5-7 TFTP (NFS) DNS TELNET SMTP FTP 4 UDP TCP 3 ARP RARP ICMP IP 2 Ethernet Token-Ring FDDI PDN ARPANET Andere Bild 3.2.1: Die INTERNET Protokollfamilie 7 Berkeley Services ARPA Services NFS rcp rlogin remsh rexec FTP TELNET SMTP Network 6 Remote copy Remote Login Remote Shell Remote Execution File Transfer Protocol Virtual Monitor Simple Mail Transfer Protocol File System (SUN) 5 BSD Sockets RPC Remote Procedure Call 4 TCP Transmission Control Protocol UDP User Datagram Protocol 3 IP Internet Protocol Packet Level Protocol X.25 2 Logical Link Control LLC (IEEE 802.2) FDDI ISO 9314 (ASC X3T9.5) Ethernet CSMA/CD (IEEE 802.3) Token-Ring (IEEE 802.5) 1 Bild 3.2.2: Protokolle und Dienste im Internet 4

5 Dialog Filetransfer OSI-Application X.400 MHS (Message Handling Service) VT (Virtual Terminal) [X.29/PAD] FTAM (File Transfer and Access Management) IP-Application SMTP (Simple Message Transfer Protocol) Telnet FTP (File Transfer Protocol) Bild 3.2.3: OSI- and IP-Applications As to TCP/IP layers, there is no official TCP/IP protocol model, as there is in the case of OSI. However, the communication tasks can be organized into five elatively independent layers: - Application layer - Host-to-host / transport layer - Internet layer - Network access layer - Physical layer There tasks are easily identified by what has been said before. A comparison of the TCP/IP and OSI protocol architectures is given in Fig (/26/ Fig.2.7). An Internetworking example is shown in Fig (/26/ Fig. 2.8) and operation of TCP/IP at sender, router and receiver is depicted in Figs to (/26/ Figs. 2.9, 2.10 and 2.11). 5

6 Fig : Comparison of TCP/IP and OSI protocol architectures (/26/ Fig. 2.7) Fig : Configuration for TCP/IP example (/26/ Fig. 2.8) 6

7 Fig.3.2.6: Operation of TCP/IP at sender (/26/ Fig. 2.9) 7

8 Fig.3.2.7: Operation of TCP/IP at router (/26/ Fig. 2.10) 8

9 Fig.3.2.8: Operation of TCP/IP at receiver (/26/ Fig. 2.11) It should be clear from these figures that IP operates at layer 3, TCP at layer 4. 9

10 TCP and UDP There are two protocols of the TCP/IP suite, TCP and UDP (User Datagram Protocol). Fig shows the header format for TCP, Fig that one for UDP. Fig : TCP header /26/ Fig. 2.1a Fig : UDP header /26/ Fig.2.1b UDP is used to send messages to other procedures with a minimum of protocol mechanism. One example of such a transaction-oriented application is SNMP (Simple Network Management Protocol), the standard network management protocol for TCP/IP networks. Sequence Number Field: Each octet of data is assigned a sequence number. The sequence number of the first octet of data in a message segment is sent in the TCP header for that segment and is called the segment sequence number. Each segment must be acknowledged. When transmitting a segment the sender starts a timer. If that one expires before the acknowledgment arrives, the segment is retransmitted. Urgent Pointer: When the URG flag is set, that pointer is valid. It points to the sequence number of the last octet of urgent data. This allows to append normal data to an urgent message. Window Field: It is used by the receiver and serves to implement flow control. The receiving TCP reports to the sending the number of octets starting with the acknowledgment number it is currently prepared to accept. Flags: URG, ACK, PSH, RST, SYN, FIN 10

11 Operation of TCP/IP How TCP/IP operates is demonstrated by the Figs and They are almost selfexplanatory. Fig : TCP/IP concepts /26/ Fig. 2.3 Fig : Protocol data units in the TCP/IP architecture /26/ Fig

12 IPv4 and IPv6 Still in use is the IP header, short for IPv4. The Internet community, however, is preparing for the advent of IPv6 with its 128 bits for addressing. The standard came into existence in 1996 and offers a number of enhancements apart from the quadrupled number of address bits which has been the actual reason for the new standard. Figs and show the respective IP headers. Fig : Ipv4 header /26/ Fig. 2.2a Fig : Ipv6 header /26/ Fig. 2.2b TCP/IP applications Several applications have been standardized to operate on topof TCP. The three most common are: SMTP, FTP, TELNET. The simple mail transfer protocol (SMTP) accepts a message, once it is created, and makes use of TCP to send it to an SMTP module on another host. That module will make use of a local electronic mail package (EUDORA, Netscape Communicator, or else) to store the message in a mailbox. The file transfer protocol (FTP) is used to send files from one system to another. TELNET provides a remote logon capability which enables a user at a terminal or PC to logon to a remote computer and function as if directly connected. 12

13 3.3 ATM Protokoll-Referenzmodell Zum Vergleich zeigt Bild das B-ISDN-Schichtenmodell, das keine direkte Korrespondenz zum OSI-PRM erlaubt. Bild detailliert die Darstellung aus Bild Convergence Sublayer (CS) Segmentation and Reassembly (SAR) Transmission Convergence (TC) Physical Medium (PM) Control Plane Higher Layers ATM Adaption Layer (AAL) ATM Layer Higher Layers Physical Layer (PL) Management Plane User Plane P L la a y n e e r M M a an n a a g g e e m m e en n t t Bild 3.3.1: Protokoll-Referenzmodell des Breitband-ISDN Funktionen der höheren Schichten Höherer Schichten Anpassung ( Convergence) Segmentieren von PDUs in Zellen, bzw. Zusammensetzen von PDUs aus Zellen Flußkontrolle (Generic Flow Control) Erzeugen, bzw. Entfernen des Zellen-Headers Auswertung bzw. Übersetzung von VPI/VCI Multiplexen und Demultiplexen der Zellen Entkoppeln von Zellenrate und Übertragungsrate Erzeugen bzw. Prüfen der Prüfsumme (HEC) Zellensynchronisation (Cell delineation) Adaptieren der Zellen auf Übertragungsformat Erzeugen, bzw. Entfernen des Übertragungsrahmens Bit-Timing Physikalisches Medium CS SAR ATM TC PM AAL CS Anpassung an höherer Schichten (Convergence layer) PM Physikalisches Medium SAR Segmentation and Reassembly Sublayer TC Transmission Convergence ( Anpassung an Übertragungsschnittstellen) Bild 3.3.2: Funktionen von B-ISDN 13