Die Internet-Protokollwelt Wintersemester 2017/18. Aktuelle Trends. ISO/OSI-Basisreferenzmodell. Einleitendes zum Internet

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1 1. Einleitung DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT Übersicht Aktuelle Trends ISO/OSI-Basisreferenzmodell Einleitendes zum Internet Übersicht über Internet-Protokolle Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 2 Fachgebiet Kommunikationsnetze 1

2 Aktuelle Trends IMT-2020 (5G) Promotion Group: 5G Visions and Requirements, White Paper, May Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 3 Das Telekommunikationssystem: Ein verteiltes geschichtetes System Sender Telekommunikationssystem Empfänger Dienst Instanz n+1 Instanz n Schicht n+1 Protokoll Schicht n Instanz n+1 Instanz n Dienst Instanz 1 Schicht 1 Instanz 1 Physikalisches Medium Eine Schicht n bietet der darüber liegenden Schicht n+1 einen Dienst an. Der Dienst wird durch das Zusammenwirken der Schichtinstanzen gemäß einem spezifizierten Protokoll erbracht. Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 4 Fachgebiet Kommunikationsnetze 2

3 Logische Architektur: ISO/OSI-Basisreferenzmodell Anwendungsprozesse [7] Anwendungskommunikation [6] Darstellung [5] Kommunikationssteuerung [4] Transport Anwendungsorientierte Schichten [3] Vermittlung Protokollinstanz [2] Sicherung Dienstzugangspunkt [1] Bitübertragung Transportorientierte Schichten (technische Aspekte) International Organization for Standardization, ISO Open Systems Interconnection, OSI Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 5 Teilsysteme des OSI-Modells (I) (a) Transportorientierte Schichten Technische Realisierung einer Bitstrom-Übertragung Elementare Nachrichtenübertragung: nur Bedürfnis des Nachrichtenaustausches unterstellt Kein Bezug zur Kooperationsbeziehung der Dienstnehmer bzw. zur Anwendung Inhalt der Nachricht transparent (d. h. ohne Bedeutung für transportorientierte Schichten) Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 6 Fachgebiet Kommunikationsnetze 3

4 Teilsysteme des OSI-Modells (II) (b) Anwendungsorientierte Schichten Anwendungsbezogene Kommunikationsdienstleistungen Kooperation der Teilnehmer unter formalen Gesichtspunkten (Strukturierung, Präsentation) berücksichtigt, wie z. B. Steuerung des Ablaufs Informationsdarstellung Kompensation von Fehlverhalten durch verteilte Transaktionen Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 7 Die transportorientierten Schichten (I) (a) Bitübertragungsschicht (Physical Layer, Schicht 1): Übertragung von Bits in Form von physikalischen Signalen Grundlage: physisches Medium (Kupfer, Lichtwellenleiter, Luft, ) Definition des Medienanschlusses (Stecker, Buchse, Verkabelung, ) Leitungscodierung mögliche Störungen der Übertragung falsch interpretierte Signale feste Übertragungsqualitäten/Nachrichtenlänge keine Pufferung (außer wegen Signallaufzeit) Bitsequenz Bitübertragungsschicht Physisches Medium Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 8 Fachgebiet Kommunikationsnetze 4

5 Die transportorientierten Schichten (II) (b) Sicherungsschicht (Data Link Layer, Schicht 2): Adressierung der durch ein physisches Medium direkt verbundenen Geräte Gegen Fehler/Verfälschung gesicherte Kanäle zwischen Kommunikationspartnern Strukturierung der Daten in Frames Hinzufügen von Redundanz Erkennung von Fehlern Korrektur von Fehlern (Vorwärtsfehlerkorrektur/Wiederholung) und notfalls Rücksetzen Empfangsbestätigung/Zeit- und Sequenzüberwachung Flusssteuerung Steuerung des Medienzugangs (Media Access Control, MAC) FIFO-Pufferung von Paketen Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 9 Die transportorientierten Schichten (III) (c) Vermittlungsschicht (Network Layer, Netzwerkschicht, Schicht 3): multiple Konnektivität Wegewahl (Routing) Vermittlung Weiterleitung (Forwarding) Adressierung der Endsysteme nicht nur direkt durch ein physisches Medium verbundene Rechner Kommunikationsdienstgüte beeinflussbar Alternativen bei der Wegewahl Prioritäten der Pakete Reservierung von Ressourcen Staukontrolle möglich Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 10 Fachgebiet Kommunikationsnetze 5

6 Die transportorientierten Schichten (IV) (d) Transportschicht (Transport Layer, Schicht 4): für Nutzdatenverkehr nur in den Endsystemen verfügbar flexibel wählbare Qualitäten gemäß Anforderungen der Anwendung schließt die Lücke zwischen Vermittlungsschichtdienst und Anwendungsanforderungen realisiert durch verschiedene Transportschichtprotokolle variable Nachrichtenpaketlänge Mehrfachnutzung von Verbindungen Unterscheidung der jeweiligen Anwendungen Pufferung von Paketen Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 11 Die anwendungsorientierten Schichten Kommunikationssteuerungsschicht (Session Layer, Schicht 5): Austausch von Bitmuster-Nachrichten Steuerung des Nachrichtenaustauschs zweier Kommunikationspartner: Rechteübergabe Strukturierung der Übertragung Rücksetzvereinbarung Gemeinsamkeiten: Verbindungen werden 1:1 abgebildet Dienstleistungen werden durchgereicht Darstellungsschicht (Presentation Layer, Schicht 6): Nachrichten setzen sich aus typisierten Daten zusammen Anwendungsschicht (Application Layer, Schicht 7): Austausch von Nachrichten anwendungsabhängigen Aufbaus und Zwecks Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 12 Fachgebiet Kommunikationsnetze 6

7 Dateneinheiten beim Zusammenspiel der Schichten (N) - Schnittstellendateneinheiten Interface Data Unit, IDU Zwischen (N+1)- und (N)-Instanzen über einen (N)-SAP ausgetauschte Dateneinheit. Setzt sich zusammen aus (N)-ICI und (N)-SDU. (N) - Schnittstellenkontrollinformation Interface Control Information, ICI Zwischen (N)-Schicht und (N+1)-Schicht ausgetauschte Parameter zur Steuerung von Dienstfunktionen (z. B. Adressen). (N) - Dienstdateneinheiten Service Data Unit, SDU Daten, die transparent zwischen (N)-SAPs übertragen werden. (N) - Protokollkontrolldaten Protocol Control Information, PCI Daten, die zwischen (N)-Instanzen ausgetauscht werden, um die Ausführung von Operationen zu steuern (z. B. Folgenummern o. ä.). (N) - Protokolldateneinheit Protocol Data Unit, PDU Dateneinheit, die zwischen (N)-Instanzen unter Benutzung eines Dienstes der (N-1)-Schicht ausgetauscht wird. Setzt sich zusammen aus (N)-PCI und (N)-SDU. Entspricht somit der (N-1)-SDU. Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 13 Zusammenspiel der Schichten im Bild (N+1)-Schicht (N)-Schicht (N)-PCI (N)-SDU (N)-IDU (N)-ICI (N)-PDU (N)-PCI (N)-SDU (N-1)-ICI (N-1)-Schicht (N-1)-IDU (N-1)-SDU (N-1)-ICI Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 14 Fachgebiet Kommunikationsnetze 7

8 Senden Empfangen AH Application Header PH Presentation Header SH Session Header TH Transport Header NH Network Header DLH Data Link Header DLT Data Link Trailer Einkapselung von Daten DLH NH TH Daten AH Daten PH Dateneinheit SH Dateneinheit Dateneinheit Dateneinheit Dateneinheit Bits DLT Kommunikationssteuerungsschicht Darstellungsschicht Anwendungsschicht Transportschicht Vermittlungsschicht Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Kommunikationssteuerungsschicht Darstellungsschicht Anwendungsschicht Transportschicht Vermittlungsschicht Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 15 Das Internet Das Internet besteht aus einer Menge von Endgeräten, die dieselbe Protokollfamilie TCP/IP verwenden; irgendwie (direkt oder indirekt) miteinander verbunden sind; gewisse Dienste anbieten oder benutzen, (menschlichen oder technischen) Nutzern, die Zugriff auf die angebotenen Dienste haben, einer Menge von weiteren, über Gateways erreichbaren Netzen. Transmission Control Protocol, TCP Internet Protocol, IP Fachgebiet Thüringen Deutschland Welt Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 16 Fachgebiet Kommunikationsnetze 8

9 OSI und Internet Wesentliche Abwandlungen: Zusammenfassung der ISO/OSI-Schichten 5 7 zur Internet-Anwendungsschicht (Application Layer) Zusammenfassung der ISO/OSI-Schichten 1 2 zur Internet-Rechner-Netzanschlussschicht (Network-to-Host Layer, N2H) OSI-Referenzmodell Anwendung Darstellung Komm.-steuerung Transport Vermittlung Sicherung Bitübertragung Internet-Referenzmodell Anwendung Transport Internet Rechner- Netzanschluss Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 17 Struktur des Internets Ziel: Weltweite Kommunikation zwischen heterogenen Rechnersystemen Struktur: Kopplung einzelner Rechner bzw. lokaler Netze über ein teilvermaschtes Netz von Vermittlungsknoten, den Routern LAN LAN IP-Paket Definition einer einheitlichen Protokollfamilie: TCP/IP Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 18 Fachgebiet Kommunikationsnetze 9

10 Historie: Entwicklung des Internet 1962 DoD (Department of Defense, Pentagon ): Verteidigung hängt von der Kommunikation ab ARPA (Advanced Research Project Agency) des DoD: Auftrag Projektstudie ausfalltolerantes Paketnetz an SRI (Stanford Research Institute) 1969 Erstes Internet : 4 Hosts 1971 Betriebsaufnahme ARPAnet, das erste Internet-Backbone 1974 Neue Protokollsuite: TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 1988 IP-Verbindung zum Internet aus Deutschland über EUnet-IRB Dortmund und XLink (extended Lokales Informatik- Netz Karlsruhe) 1991 EBONE: Europäisches Backbone 1996 University Corporation for Advanced Internet Development Internet Beginn der Standardisierung von IPv Erste Erwähnung von Web Jahre Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 19 Dienste im Internet Im Internet häufig genutzte Dienste: World Wide Web weltumspannendes Nachschlagewerk Basis: Hypertext Transfer Protocol, HTTP Elektronische Post ( ) Austausch von digitalen (multimedialen) Nachrichten Basis: Simple Mail Transfer Protocol, SMTP Telefonie (Voice over IP, VoIP) Sprachkommunikation kompatibel zum Plain Old Telephone System, POTS Basis: Real-time Transfer Protocol, RTP und Session Initiation Protocol, SIP Netzmanagement Überwachung und Kontrolle von vernetzten Systemen Basis: Simple Network Management Protocol, SNMP Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 20 Fachgebiet Kommunikationsnetze 10

11 Jan. 94 Jan. 95 Jan. 96 Jan. 97 Jan. 98 Jan. 99 Jan. 00 Jan. 01 Jan. 02 Jan. 03 Jan. 04 Jan. 05 Jan. 06 Jan. 07 Jan. 08 Jan. 09 Jan. 10 Jan. 11 Jan. 12 Jan. 13 Jan. 14 Jan. 15 Jan. 16 Jan. 17 Wachstum des Internets Quelle: besucht am Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 21 Geschätzte Anzahl von Internet-Domänen in Deutschland Quelle: DENIC statistiken/monatsauswertung/ besucht am Zahl der.de-domains am 1. September 2017: Domains (Stand September 2017) RIPE (Réseaux IP Européens) Deutschland 0 Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 22 Fachgebiet Kommunikationsnetze 11

12 Die Internet-Protokollfamilie: Einordnung TCP/IP häufig Synonym für die gesamte Protokollfamilie im Internet Einordnung der Protokolle in das Schichtenmodell: HTTP SMTP RTP SNMP Anwendungsschicht TCP UDP Transportschicht IGMP ICMP IP ARP RARP Internet-Schicht Network Interface Card, NIC (z. B. Ethernet, WiFi, ) Rechner-Netzanschluss Obwohl ICMP und IGMP den IP-Dienst nutzen, werden sie dennoch der Vermittlungsschicht zugeordnet Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 23 Die Internet-Protokollfamilie: Protokollaufgaben TCP UDP IP ICMP IGMP ARP RARP Transmission Control Protocol stellt verbindungsorientierten, gesicherten Transportdienst bereit User Datagram Protocol stellt verbindungslosen, ungesicherten Transportdienst bereit Internet Protocol sorgt für Weiterleitung und ungesicherte Übertragung von Datagrammen Internet Control Message Protocol unterstützt den Austausch von Kontrollinformationen innerhalb der Vermittlungsschicht Internet Group Management Protocol unterstützt die Verwaltung von Kommunikationsgruppen Address Resolution Protocol ermöglicht die Zuordnung von IP-Adressen zu den entsprechenden Adressen der Sicherungsschicht Reverse Address Resolution Protocol stellt die Umkehrfunktion von ARP zur Verfügung Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 24 Fachgebiet Kommunikationsnetze 12

13 Zusammenspiel: IP-Instanz und angrenzende Instanzen Transportschichtinstanz (TCP bzw. UDP) übergibt die Daten zusammen mit der IP-Adresse des Empfängers zur Übertragung an die IP-Instanz IP-Instanz beauftragt ARP-Instanz mit Ermittlung der entsprechenden NIC-Adresse IP-Instanz übergibt PDUs zusammen mit der ermittelten NIC-Adresse an die darunter liegende Instanz Probleme während der Übermittlung können den Partnerinstanzen über ICMP mitgeteilt werden TCP UDP ICMP IP ARP Network Interface Card, NIC (z. B. Ethernet, WiFi, ) Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 25 Zusammenspiel: die PDUs TCP/UDP verwenden Anwendungsprozessadressierung (Ports) TCP sichert darüber hinaus die Ende-zu-Ende-Datenübertragung IP leitet Datenpakete durch das Netzwerk zum Empfänger Protokolldateneinheiten (PDUs) werden gekapselt Daten Benutzer/ Anwendung bzw. TCP-Header UDP-Header Daten Daten Transportschicht IP-Header TCP/UDP-Header Daten Internetschicht MAC-Header IP-Header TCP/UDP-Header Daten Trailer Rechner- Netzanschluss Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 26 Fachgebiet Kommunikationsnetze 13

14 Literatur BADACH, Anatol; HOFFMANN, Erwin (2015): Technik der IP-Netze. Internet-Kommunikation in Theorie und Einsatz. 3., überarbeitete und erweiterte Auflage. München: Hanser. COMER, Douglas E. (2000): Computernetzwerke und Internets. München: Pearson Studium. DEBES, Maik; HEUBACH, Michael; SEITZ, Jochen; TOSSE, Ralf (2007): Digitale Sprach- und Datenkommunikation. Netze - Protokolle - Vermittlung. München: Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag. HALSALL, Fred (2005): Computer Networking and the Internet. 5th edition. Harlow, England: Addison-Wesley. KRÜGER, Gerhard; RESCHKE, Dietrich (2004): Lehr- und Übungsbuch Telematik. Netze - Dienste - Protokolle. 3., aktualisierte Auflage. München, Wien: Fachbuchverlag Leipzig im Carl-Hanser-Verlag. KUROSE, James F.; ROSS, Keith W. (2014): Computernetzwerke. Der Top-Down-Ansatz. 6., aktualisierte Auflage. Hallbergmoos: Pearson Studium (Pearson Studium - Informatik). STALLINGS, William (2014): Data and Computer Communications. 10th edition. Harlow, Essex, England: Pearson Education. STEVENS, W. Richard (2004): TCP-IP. Der Klassiker: Protokollanalysen, Aufgaben und Lösungen. 1. Auflage. Bonn: Hüthig. TANENBAUM, Andrew S.; WETHERALL, David J. (2012): Computernetzwerke. 5., aktualisierte Aufl. München: Pearson. Wintersemester 2017/18 DIE INTERNET-PROTOKOLLWELT: 1. EINLEITUNG 27 Fachgebiet Kommunikationsnetze 14