Netze. Topologien. Kriterien für Netzwerke. 8. Kapitel Über die Grenze: Rechner in Netzwerken

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1 Wintersemester 2017/2018 Netze Bisher: Vorwiegend lokale Kommunikation und lokale Aufgaben zu lösen (Prozessinteraktion) 8. Kapitel Über die Grenze: Rechner in Netzwerken Aufgaben können aber auch die Kommunikation zu entfernten Rechner erfordern Übertragung von Daten ( , WWW) Nutzung entfernter Rechenkapazitäten Abstraktion vom Ort Verbindung durch Netzwerke Prof. Matthias Werner 8 Professur Betriebssysteme Sichtweisen Computer sind durch Kommunikationesnetze verbunden Computer sind Knoten innerhalb eines Netzes 221 Kriterien für Netzwerke Geschwindigkeitsparameter: Latenz und Durchsatz Topologien Latenz (Verzögerung, latency): Zeit, die eine leere Nachricht braucht, um vom Sender zum Empfänger zu gelangen; Zeit zur Etablierung einer Verbindung Linie Ring Stern Durchsatz (Übertragungsrate, transfer rate): Geschwindigkeit, mit der Daten übertragen werden, sobald eine Verbindung etabliert ist Nachrichtenübertragungszeit = Latenz + Nachrichtenlänge/Durchsatz Außer der Geschwindigkeit ist vor allem die Zuverlässigkeit einer Kommunikation und die räumliche Ausdehnung wesentlich vollständige Vernetzung Baum Bus Auch irreguläre Strukturen oder Vermischungen dieser Topologien sind üblich

2 Verbindungsarten Beim Datentransport wird verbindungsorientierte und verbindungslose Kommunikation unterschieden Verbindungsorientiert (connection-oriented): Ein virtueller Kanal wird zwischen Sender und Empfänger aufgebaut, der zur Übermittlung von Datenströmen genutzt wird Verbindungslos (connection-less): Jede einzelne Nachricht (Datagramm) wird zu einem bestimmten Ziel geschickt Beispiele aus lokaler IPC Schichtenmodelle In hierarchischen Architekturen lassen sich Hierarchieebenen mit unterschiedlichen Funktionen identifizieren (Dienst-)Schichten Jede Schicht hat bestimmten Zweck und Funktion bietet den jeweils höheren Schichten Dienste an besitzt Schnittstelle zum Zugriff auf angebotene Dienste abstrahiert von Details der Implementierung nutzt Dienste tieferer Schichten zur Funktionserbringung UNIX-Messages sind verbindungslos Pipes sind verbindungsorientiert Ziel: Reduzierung der Komplexität Protokollhierarchien Schicht 3 Schicht 3-Protokoll Schicht 3 Architekturbeispiel Philosoph/ÜbersetzerIn/SekretärIn-Architektur I like rabbits. Nachricht Philosoph J aime les lapins. Schicht 2/3- Schnittstelle Schicht 2/3- Schnittstelle Schicht 1/2- Schnittstelle Schicht 2 Schicht 2-Protokoll Schicht 2 Schicht 1/2- Schnittstelle Deutsch Ich mag Kaninchen. Information für entfernte Übersetzerin Übersetzerin Deutsch Ich mag Kaninchen. Schicht 1 Schicht 1 Schicht 1-Protokoll Physikalisches Medium (Schicht 0) Fax # Deutsch Ich mag Kaninchen. Information für entfernten Sekretär Sekretär Fax # Deutsch Ich mag Kaninchen

3 Protokoll Informationsfluss Ein Protokoll legt die Regeln und Konventionen fest, wie die Schicht n der Maschine A mit Schicht n der Maschine B kommuniziert Beim Senden leitet jede Schicht die Daten an die unterliegende Schicht weiter, bis die physikalische Schicht erreicht ist M M M: Gesamte Nachricht M i : Teilnachricht i H i : Header der Schicht i M M In jeder Schicht können die Daten transformiert (z.b. aufgeteilt) sowie zusätzliche Informationen (z.b. Header, Trailer) hinzugefügt werden M 1 M 2 M 1 M 2 Der Empfang erfolgt entsprechend umgekehrt Eine Protokollhierarchie nennt man auch Protocol Stack H 1 M 1 H 1 M 2 H 1 M 1 H 1 M TCP/IP-Referenzmodell Schichtenmodell mit vier Schichten Anwendung Betriebssystem Schichten des TCP/IP-Referenzmodels Senden, weiterleiten und empfangen einzelner Pakete zwischen direkt miteinander kommunizierenden Rechnern Ende-zu-Ende senden und empfangen einzelner Pakete zwischen miteinander kommunizierenden Rechnern Ermöglicht die Kommunikation zwischen Anwendungen Zwei bekannte Protokolle TCP ermöglicht zuverlässige, verbindungsorientierte Kommunikation auf Basis von Byteströmen UDP ermöglicht unzuverlässige, verbindungslose Kommunikation auf Basis von Nutzdatenpaketen Stellt Applikationsprotokolle wie HTTP, FTP oder SMTP zur Verfügung

4 TCP/IP-Referenzmodell Endsysteme und Router TCP/IP-Referenzmodell Protokolle (Beispiele) Telnet FTP SMTP DNS HTTP TCP UDP ICMP IP IGMP ARPANET SATNET Funk LAN Gateway (Router) OSI-Referenzmodell Die Schichten des OSI-Referenzmodells OSI = Open Systems Interconnection Bitübertragung (engl.: Physical) Schichtenmodell mit sieben Schichten Übertragung ungesicherter Bitströme über den Kommunikationskanal Anwendung Darstellung Sitzungssteuerung Vermittlung Sicherung Bitübertragung Sicherung (engl.: Data Link) Sicherung der zu übertragenen Daten durch Aufteilung in Rahmen, Checksummen und Bestätigungen; Flusskontrolle Vermittlung (engl.: Network) Annehmen und Zustellen einzelner Pakete (engl.: ) Entgegennehmen der Daten Aufteilung in Pakete für die Vermittlungsschicht Abliefern der vollständigen und korrekten Daten

5 Die Schichten des OSI-Referenzmodells Sitzungssteuerung (engl.: Session) Synchronisation der Kommunikationspartner Checkpointing bei langen Übertragungen Darstellung (engl.: Presentation) Legt die Syntax und die Semantik der zu übertragenden Daten fest (Datenrepräsentation) Anwendung (engl.: Application) Stellt Applikationsprotokolle wie HTTP, FTP oder SMTP zur Verfügung - vs. OSI-Referenzmodell TCP/IP OSI Anwendung Darstellung Sitzung Vermittlung Sicherung Bitübertragung Vergleich der Referenzmodelle TCP/IP Bottom-up -Entwicklung getrieben aus der Praxis Einfachheit statt Universalität Nur verbindungsloses Vermittlungsprotokoll " Schwächen im Modell und in der Ebenenstruktur " Keine klare Trennung zwischen "Dienst", "Schnittstelle", "Protokoll" Modell # Protokolle $ OSI " Zähe top-down -Entwicklung mit wenig Bezug zur Praxis Klar strukturiert und konzeptionell umfassend " Ineffiziente " Aufwendige, komplexe Implementierung " Redundante Funktionen " Schlechtes Timing der Standardisierung Modell $ Protokolle # Beispiel für Protokol-Stack-Abarbeitung Beispiel soll Zusammenspiel der Protokollschichten verdeutlichen Einige der Protokolle werden später ausführlicher erklärt Nur Auswahl, in der Praxis spielen noch mehr Protokolle mit Was geschieht nach einem Maus-Klick im WWW? Browser (Firefox, Explorer, Opera, etc.) kann HTML-Dokumente darstellen Dokumente können lokal oder entfernt liegen Betrachten Protokolle bei entfernten Aufruf /lehre/gau

6 Anwendungsschicht Das erste Protokoll der Anwendungsschicht ist das Hypertext Transfer Protocol (http) http ist das gemeinsame Protokoll (Anwendungsprotokoll) zwischen dem Webbrowser und dem Webserver (Programm, das z.b. HTML-Seiten zur Verfügung stellt.) HTTP ist nicht HTML! HTTP enthält Befehle wie GET, PUT, HEADER, OPTIONS Bsp.: Mit Hilfe von GET sagt der Browser dem Server, dass er bestimmte Daten haben möchte Welcher Server? Domainnamen und DNS Domainnamen, wie spiegeln für Menschen verständliche logische Organisationsstrukturen dar, die mit der physischen Wirklichkeit nichts zu tun haben (müssen) Der Dienst DNS (Domain Name Service) wandelt die Domainnamen in IP-Adressen DNS nutzt seinerseits TCP/IP Die IP-Adresse eines DNS-Servers muss bekannt sein Browser wendet sich an den DNS und gibt ihm die Adresse aus dem URL / IP-Adressen Eine IP-Adresse ist internetweit eindeutig Vergabe (wie auch von Domainnamen) durch das NIC (Network Information Centre) IP-Adresse ist Gruppe von Nummern: IPv4: 32 Bit Schreibweise: vier 8-Bit-Dezimalzahlen durch Punkt getrennt, z.b.: IPv6: 128 Bit Schreibweise: acht 16-Bit-Hexadezimalzahlen durch Doppelpunkt getrennt, z.b: 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344 Die IP-Adresse wird in den unterliegenden Protokollschichten benutzt schicht Mit der korrekten IP-Adresse wendet sich der Browser an die schicht Das TCP/IP-Modell kennt zwei Protokolle für den : UDP - User Datagram Protocol: verbindungsloses Protokoll, garantiert nichts, weniger aufwendig wird genutzt von Anwendungen/Protokollen, bei denen die Zuverlässigkeit auf höherer Ebene gesichert wird, z.b. rwho, tftp TCP - Control Protocol: zuverlässiges verbindungsorientiertes Protokoll wird z.b. genutzt von ftp, telnet, http... TCP übernimmt den Aufbau der virtuellen Verbindung zum Server, formt IP-Pakete (Datagramme), überprüft auf Fehler und nimmt ggf. eine Fehlerkorrektur (erneutes Senden) vor

7 Vermittlungsschicht: Protokoll Das Protokoll (IP) ist in erster Linie für den von Daten zwischen verschiedenen Netzwerken zuständig IP hat folgende Aufgaben: Zerlegen eines Datagramms, um die maximal zulässige Paketgröße eines Netzwerks zu erreichen Finden eines Weges zum Ziel (Routing) IP greift dabei auf eine Reihe weiterer Protokolle zurück, die auch von Netzwerk zu Netzwerk verschieden sein können Routing (I) IP Routing erfolgt in zwei Schritten: IP-Zieladresse eines Pakets lesen Network point of attachment (NPA) Adresse des Zielrechners oder nächsten Gateways anhand von Routingtabellen ermitteln Für das Routing wird das IN als eine Menge von autonomen Systemen angesehen, die an das core backbone network angeschlossen sind Innerhalb eines autonomen Systemes wird ein interior gateway protocol benutzt (IGP), außerhalb das exterior gateway protocol (EGP) Es gibt im verschiedene IGP Verbreitete IGPs: RIP (routing information protocol) und hello Für die Adressauflösung nutzt IP das ARP (address resolution protocol) Routing (II) Gateway und Protokollkonverter Da innerhalb der einzelnen Netze verschiedene Protokolle und Darstellungen benutzt werden, müssen bestimmte Geräte die Umsetzung vornehmen (intermediate systems, IS) Annahme: oberste Protokollebene ist überall gleich Protokollkonverter Gateway setzt Protokolle auf der Ebene der schicht um

8 -Schicht Beim Netzzugang wird zwischen den logischen und dem physischen Zugriff unterschieden Regelung des logischen Medienzugriffs (MAC: medium access control) Bekannte MAC-Verfahren: Token Ring garantiert Fairness große Latzenzzeiten Bsp.: IBM Token Ring gut bei gleichmässig hoher Last CSMA/CD (carrier sensing, multiple access with collision detection) stochastische Fairness gut bei niedriger bis mittlerer Last, dann kleine Latenzzeiten Bsp. Ethernet Physical Layer innerhalb der Netze können verschiedene Medien zum genutzt werden; typisch: elektromagentische Wellen Modulation Am Ziel Ist ein Paket beim Empfänger angelangt, wird der Protokollstack rückwärts durchlaufen: Die unteren Schichten lesen die Pakete vom Netz und liefern sie an das IP-Protokoll IP setzt die Pakete zu Datagrammen zusammen und reicht sie an TCP TCP überprüft auf Fehler, behebt sie (evtl. Kommunikation mit dem ursprünglichen Sender), setzt die Datagramme zu http-nachrichten zusammen, und liefert diese an den WWW-Server aus Web-Server versteht die http-nachricht, sucht das entsprechende Dokument und sendet es dem Browser zurück und das Spiel beginnt von vorn