Seite 57. Host A Router A Router B. Lehrstuhl für Informatik 4. Kapitel 2: Kommunikationsprotokolle. Bitübertragungsschicht. Host B.

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1 Schicht 3 Schicht 2 kümmert sich nur um die Übertragung zwischen benachbarten Rechnern. Schicht 3: Vermittlungsschicht (auch: Netzwerkschicht) Grenze zwischen Netzbetreiber und Kunde Regelung des netzübergreifenden Verkehrs: Kopplung von Teilnetzen globale Adressierung Routing von Datenpaketen Aufbau, Betrieb und Abbau netzweiter en netzweite Flusskontrolle Seite 56 2 grundlegende Philosophien slose Kommunikation (z.b. Internet): Daten werden durch den Transport von Paketen fester Länge übertragen Es werden Absender- und Zieladresse angegeben Senden erfolgt spontan ohne Reservierungen Sehr einfach zu realisieren Aber: Pakete können unterschiedliche Wege zum Empfänger nehmen (Reihenfolgeumstellung, Laufzeitunterschiede, Unzuverlässigkeit) sorientierte Kommunikation (z.b. Telefon): saufbau: - Auswahl des Kommunikationspartners bzw. des Endgeräts, - Überprüfen der Kommunikationsbereitschaft, - Herstellen einer Nachrichtenübertragung: Informationsaustausch zwischen den Partnern sabbau: Freigabe der Endgeräte und Übertragungskanäle Vorteile: keine Reihenfolgeumstellung, Reservierung von Bandbreite, Flusskontrolle Seite 58 Schichten im Netzwerk Router im Netzwerk nehmen Pakete entgegen, packen sie bis Schicht 3 aus und entscheiden aufgrund der Schicht- 3-Adresse, wohin sie weitergeleitet werden müssen. Dementsprechend werden die Daten wieder neu verpackt und abgeschickt. Anwendungsschicht Anwendungsprozess Bitübertr.- schicht Sicherungsschicht Vermittlungsschicht Sicherungsschicht Vermittlungsschicht Bitübertr.- schicht Darstellungsschicht Sitzungsschicht Transportschicht Vermittlungsschicht Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Bitübertragungsschicht Sicherungsschicht Vermittlungsschicht Transportschicht Sitzungsschicht Darstellungsschicht Anwendungsschicht Anwendungsprozess Host A Router A Router B Host B Seite 57 slose Kommunikation Rechner A Rechner B Rechner C Nachricht wird in Pakete zerlegt Zugriff ist immer möglich, Geringe Störanfälligkeit Es existieren alternative Pfade für die Pakete zusätzlicher Aufwand in den Zwischenknoten: Store-and-Forward-Netz Stichwort: Paketvermittlung Seite 59

2 sorientierte Kommunikation Rechner A Rechner B virtuelle Rechner C Einfache Kommunikationsmethode Stichwort: Leitungsvermittlung Fester Weg zwischen den Teilnehmern Vermittlungsknoten schalten die Leitungen durch Exklusive Nutzung der Leitung (Telefon) oder virtuelle : Aufbau einer über ein möglicherweise sogar paketvermittelndes Netz Seite 60 Routing Aufgabe: günstigsten Weg vom Sender zum Empfänger bestimmen kurze Antwortzeit hoher Durchsatz Vermeidung lokaler Überlastsituationen Sicherheitsanforderungen kürzester Weg Routingtabellen in den einzelnen Knoten eindimensional Entscheidung hängt nur vom Zielknoten ab zweidimensional Entscheidung hängt vom Sende-und Zielknoten ab Sender C B Empfänger Seite 62 Routing Die wichtigste Funktionalität auf Schicht 3 ist das Routing. Jeder Router führt eine Tabelle, die angibt, welche Ausgangsleitung für ein bestimmtes Ziel gewählt werden muss Nach Ziel... Über Leitung... A B C D Die Routingtabellen können statisch vorgegeben sein; besser ist es jedoch, sie ständig an die aktuelle Netzsituation anzupassen. Bei verbindungsloser Kommunikation muss das Routing für jedes Paket durchgeführt werden. Dabei kann die Wegwahl von Paket zu Paket anders ausfallen. Bei virtuellen en wird nur einmal geroutet, dafür sind die Routing- Tabellen umfangreicher Seite 61 C/B A A S E L Routing - verbindungslos Seite 63 A/B

3 Routing - verbindungsorientiert Seite 64 optimales Routing optimale Wegwahl ist prinzipiell nicht möglich, da keine vollständige Information über das Netz in den einzelnen Knoten vorliegt Wegwahl auf gewissen Zeitraum Auswirkungen hat Konflikt zwischen Fairness und Optimum A B C Ausreichend Verkehr zwischen A und A, B und B, C und C X X Um Gesamtfluss zu optimieren, darf kein Verkehr zwischen X und X stattfinden X und X sehen das aber anders! A B C Fairnessregelung Seite 66 Vergleich: Teilnetze Diskussionspunkt Teilnetz mit Datengrammen Teilnetz mit virtuellen en saufbau Nicht erforderlich Erforderlich Adressierung Jedes Paket enthält die volle Quell- und Zieladresse Jedes Paket enthält eine kurze Nummer der virtuellen Statusinformationen Das Teilnetz muss keine Statusinformationen führen Für jede virtuelle ist ein Tabelleneintrag erforderlich Routing Jedes Paket wird unabhängig befördert Die Route wird beim Aufbau der virtuellen gewählt; alle Pakete folgen dieser Route Wirkung von Router- Fehlern Keine, außer dass Paket verloren gehen Alle virtuellen en über den ausgefallenen Router werden beendet Überlastungsüberwachung Schwierig Einfach, wenn in voraus für jede virtuelle ausreichend Puffer bereitgestellt wird Seite 65 Überlastüberwachung Engl.: Congestion Control Bei übermäßiger Verkehrsbelastung des Netzes sinkt die Leistung rapide ab Parameter zur Feststellung von Überlast: Maximale Kapazität des Teilnetzes Perfekt Wünschenswert Überlastet mittlere Länge der Warteschlangen der Router Anteil der verworfenen Pakete in einem Router Anzahl der Pakete in einem Router Anzahl der Paketwiederholungen durchschnittliche Paketverzögerung vom Sender zum Empfänger Standardabweichung der Paketverzögerung Zugestellte Pakete Gesendete Pakete Abhilfe: glätten des Verkehrsaufkommens, d.h. Regulierung der Datenübertragungsrate Traffic Shaping Seite 67

4 Schicht 4 Kern der Protokollhierarchie: netzunabhängiger, zuverlässiger und kostengünstiger Datentransport Aufgaben der Transportschicht: sorientierter oder verbindungsloser Datentransport Adressierung einer bestimmten Kommunikation eines Rechners Fehlerbehandlung, Fehlererkennung, Fehlerkorrektur Flusssteuerung Multiplexing 1. Aufwärts - mehrere Transportverbindungen auf eine Netzverbindung 2. Abwärts - eine Transportverbindung auf mehrere Netzverbindungen (z.b. bei nicht ausreichender Kapazität einer Netzverbindung) Qualitätsgarantien Seite 68 Simples Transportprotokoll Verschachtelung der Dateneinheiten: TPDU: Transport Protocol Data Unit Rahmen- Header Paket- Header TPDU- Header TPDU-Nutzdaten Paketnutzdaten Rahmennutzdaten FCS Operation LISTEN CONNECT Gesendete TPDU --- CONNECTION REQ. (CR) Bedeutung Blockiere, bis ein Prozess versucht, eine aufzubauen Versuch eines saufbaus SEND RECEIVE DISCONNECT DATA --- DISCONNECTION REQ. () Datenübertragung Blockiere, bis eine DATA-TPDU ankommt Versuch eines sabbaus Seite 70 Wofür eine Transportschicht? Ähnlichkeit zu Schicht 3: verbindungsorientierter und verbindungsloser Übertragungsdienst Adressierung Flusssteuerung Ist Schicht 4 überflüssig? Nein, denn: Die Vermittlungsschicht gehört zum Netzbetreiber: Ein Benutzer hat keine Kontrolle über Netzwerkdetails und -probleme Abschirmung höherer Schichten von technischen Details Adressierung eines Zielprozesses Ende-zu-Ende-Betrachtung des Datenflusses Generell: Verbesserung der Qualität der Datenübertragung von Schicht 3 Seite 69 Simples Transportprotokoll LISTEN CONNECT CONNECT RECEIVE SEND DISCONNECT DISCONNECT Server Client Seite 71

5 saufbau Klingt leicht ist aber doch recht kompliziert: das Netz kann Pakete verlieren, speichern, duplizieren. CR(seq=x) ACK(seq=y, ACK=x) DATA(seq=x+1, ACK=y) CR(seq=x) ACK(seq=y, ACK=x) REJECT(ACK=y) Abhilfe: Folgenummern Three-Way-Handshake ein saufbau besteht aus drei Teilen: Dem Connection Request, Der Bestätigung des Empfängers, dass der saufbau akzeptiert wird, Der Bestätigung des Senders, dass die Bestätigung des Empfängers registriert wurde und der Sendewunsch noch aktuell ist. Durch diese Abfolge soll ein Kompromiss zwischen Sicherheit und Komplexität erzielt werden. Host 1 Host 2 Duplikat Host 1 Host 2 Seite 72 Dynamische Pufferzuweisung ack = n bis n quittiert, erwarte n+1, Nummernvorrat 0,...,15 TIMEOUT für TPDU 2 A Message B 1 <request 8 buffers> A möchte bei B 8 Pufferspeicherplätze reservieren 2 <ack = 15, buf = 4> B stellt 4 Pufferspeicherplätze zur Verfügung B erwartet TPDU 0 3 <seq = 0, data = m0> TPDU 0 4 <seq = 1, data = m1> A sendet TPDU 1 5 <seq = 2, data = m2> TPDU 2 6 <ack = 1, buf = 3> B quittiert TPDU 0,1; Pufferpl. auf 3 vermindert 7 <seq = 3, data = m3> A sendet TPDU 3; 1 Pufferpl. frei 8 <seq = 4, data = m4> A sendet TPDU 4, kein Pufferpl. frei Stop 9 <seq = 2, data = m2> A wiederholt TPDU 2 10 <ack = 4, buf = 0> B quittiert TPDU 2-4; aber Puffer 0 11 <ack = 4, buf = 1> B gewährt 1 Pufferspeicherplatz 12 <ack = 4, buf = 2> B gewährt 2 Pufferspeicherplätze 13 <seq = 5, data = m5> A sendet TPDU 5; 1 Pufferpl. frei 14 <seq = 6, data = m6> A sendet TPDU 6; kein Pufferpl. frei Stop 15 B quittiert TPDU 5,6; aber Puffer 0 B gewährt wieder 4 Pufferspeicherplätze <ack = 6, buf = 0> 16 <ack = 6, buf = 4> A wartet auf Pufferplätze Deadlockgefahr; Abhilfe : Kontroll-TPDUs in regelmäßigen Zeitabständen Kapitel B wartet, 2: daß Kommunikationsprotokolle A Daten sendet Seite 74 Flusssteuerung und Pufferzuweisung Die Flusssteuerung ist ähnlich zu der auf Schicht 2, nur auf Netzebene: größere Anzahl an en Pufferung von TPDUs Neben Verlusten auch Reihefolgevertauschungen dynamische Pufferverwaltung (Anforderung von Pufferspeicher durch den Kommunikationspartner) Arbeitsweise: Sliding Window mit veränderlicher Größe: Anpassung an Pufferplatz des Empfängers und an die Netzleistung Seite 73 sabbau 2 Varianten: asymmetrisch, wie beim Telefon: abrupter sabbruch senden senden senden senden ACK ACK symmetrisch, d.h. jeder Teilnehmer baut seine Richtung ab Die symmetrische Variante ist anspruchsvoller, aber hier können wieder TPDUs verloren gehen Timer Bestätigung senden Host 1 Host 2 Bestätigung senden Timeout Host 1 Host 2 senden senden Timeout senden Timeout Seite 75 ACK Bestätigung senden senden senden Timeout senden N Timeouts senden : :

6 Gegeben sei ein einfaches Transportprotokoll, welches die folgenden TPDU- Typen umfasst: TPDU Bedeutung CALL REQUEST Versuch eines saufbaus CALL ACCEPTED Antwort auf CALL REQUEST CLEAR REQUEST Versuch eines sabbaus CLEAR CONFIRMATION Antwort auf CLEAR REQUEST DATA Datenübertragung CREDIT Kontrolldaten für die Verwaltung des Fensters Seite 76 Seite 78 Eine befindet sich in einem der folgenden Zustände: Idle es ist noch keine aufgebaut. Waiting ein CONNECT ist erfolgt, CALL REQUEST gesendet. Queued Der CALL REQUEST wurde empfangen, aber noch nicht verarbeitet. Established saufbau abgeschlossen. Sending warten auf die Sendeerlaubnis. Receiving Der Empfänger hat ein RECEIVE ausgeführt. DISCONNECTING lokal wurde ein DISCONNECT aufgerufen. Seite 77 Seite 79

7 Seite 80 Seite 82 Seite 81 Seite 83

8 Darstellung des Protokolls als Finite State Machine Seite 84 Seite 86 Darstellung des Protokolls als Finite State Machine (graphische Form) Seite 85 Seite 87

9 Multiplexing Das Multiplexing dient der besseren Ausnutzung von Netzverbindungen. Dabei gibt es zwei Fälle: (a) Upward Multiplexing: verschiedene Transportverbindungen werden auf eine Netzwerkverbindung gemultiplext, um Overhead zu vermeiden (b) Downward Multiplexing: eine Transportverbindung wird auf mehrere Netzwerkverbindungen verteilt, um eine bessere Netzauslastung zu erreichen (a) (b) Seite 88