Rechnernetze 1 Vorlesung im SS 07

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1 Rechnernetze 1 Vorlesung im SS 07 Roland Wismüller Tel.: , H-B 8404

2 Zusammenfassung: Einführung Netz besteht aus Knoten und Verbindungen Rekursiver Aufbau: Knoten verbinden Subnetze Paketweise Übertragung der Daten Bessere Ausnutzung der Leitungen Jede Anwendung stellt andere Anforderungen an ein Netzwerk Leistungsparameter: Bandbreite und Latenz (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 2

3 2. Protokolle und Protokollhierharchie (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 3

4 2. Protokolle und Protokollhierarchie Inhalt Einführung Protokolle und Dienste Die OSI-Architektur Die Internet-Architektur Peterson, Kap. 1.2, (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 4

5 2.1. Einführung Teilaufgaben bei der Kommunikation zw. Rechnern Bestimmung eines Weges vom Sender zum Empfänger (Routing) Aufteilen der Daten in Pakete (wegen Multiplexing und Zwischenspeicherung), Zusammenbau beim Empfänger (in der richtigen Reihenfolge) Fehlerbehandlung: was, wenn ein Paket verlorengeht? Quittierung der Pakete nach Ablauf bestimmter Zeit: Sendung wiederholen jetzt aber Behandlung von Kopien des Pakets nötig! Flußkontrolle Empfänger an Sender: nicht so schnell! (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 5

6 2.1. Einführung Teilaufgaben bei der Kommunikation zw. Rechnern Behandlung verschiedener Datendarstellungen bei Sender und Empfänger (Formate, Byte-Reihenfolge ) Verschlüsselung der Daten? Bei Mehrfachzugriffs-Verbindungen: Regelung des Zugriffs auf das Übertragungsmedium Festlegung des Übertragungsmediums: Kabel / Funk, Stecker, Frequenzen, Kodierung und Format der Daten bei der Übertragung über dieses Medium (z.b. wie wird eine 1 bzw. 0 dargestellt?) (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 6

7 2.1. Einführung Ordnung ins Chaos: Schichten und Protokolle Beispiel: zwei Experten unterhalten sich Experte Fachsprache Experte Die beiden Experten benutzen ihre gemeinsame Fachsprache (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 7

8 2.1. Einführung Ordnung ins Chaos: Schichten und Protokolle Beispiel: zwei Experten unterhalten sich Experte Fachsprache Experte Übersetzer Englisch Übersetzer Tatsächlich ist einer Österreicher und der andere Russe. Sie unterhalten sich daher über zwei Simultandolmetscher, die miteinander Englisch reden (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 8

9 2.1. Einführung Ordnung ins Chaos: Schichten und Protokolle Beispiel: zwei Experten unterhalten sich Experte Fachsprache Experte Übersetzer Englisch tatsächliche Kommunikation Übersetzer (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 9

10 2.1. Einführung Ordnung ins Chaos: Schichten und Protokolle Beispiel: zwei Experten unterhalten sich Experte Fachsprache Experte Übersetzer Funker Englisch Morsezeichen Übersetzer Funker Die Experten befinden sich in U-Booten, zwischen denen nur Morsefunk möglich ist... (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 10

11 2.1. Einführung Ordnung ins Chaos: Schichten und Protokolle Beispiel: zwei Experten unterhalten sich Experte Fachsprache Experte Übersetzer Funker Englisch Morsezeichen tatsächliche Kommunikation Übersetzer Funker (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 11

12 2.1. Einführung Ordnung ins Chaos: Schichten und Protokolle Beispiel: zwei Experten unterhalten sich Experte Fachsprache Experte Übersetzer Funker Englisch Morsezeichen Übersetzer Funker Elektromagnetische Funkgerät Funkgerät Wellen tatsächliche Kommunikation (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 12

13 2.1. Einführung Ordnung ins Chaos: Schichten und Protokolle Beispiel: zwei Experten unterhalten sich Übersetzer Englisch Übersetzer (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 13

14 2.1. Einführung Ordnung ins Chaos: Schichten und Protokolle Beispiel: zwei Experten unterhalten sich Dienst Übersetzer Englisch Übersetzer Schicht Protokoll (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 14

15 2.2. Protokolle und Dienste Netzwerksysteme werden in Schichten organisiert Anwendungsprogramme Prozeß-zu-Prozeß-Kanäle Host-zu-Host-Konnektivität Hardware Ziel der Schichtung: Jede Schicht definiert eine Abstraktionsebene Jede Schicht bietet eine definierte Schnittstelle Implementierung der Schicht ist austauschbar (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 15

16 2.2. Protokolle und Dienste Protokolle Objekte, aus denen sich die Schichten zusammensetzen Bieten den Objekten höherer Ebenen Kommunikationsdienste an Ein Protokoll bietet zwei Schnittstellen: Dienst-Schnittstelle (Service interface) für Nutzer der Dienste auf demselben Rechner Partner-Schnittstelle (Peer-to-Peer Interface) zu seinem Gegenstück auf dem anderen Rechner Achtung: Der Begriff Protokoll ist überladen: Partner-Schnittstelle Implementierung dieser Schnittstelle (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 16

17 2.2. Protokolle und Dienste Dienst- und Partnerschnittstellen Host 1 Host 2 Höheres Objekt Dienst- Schnittstelle Höheres Objekt Protokoll Partner- Schnittstelle Protokoll (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 17

18 2.2. Protokolle und Dienste Häufig unterschiedliche Abstraktionen in einer Schicht Realisiert durch unterschiedliche Protokolle Anwendungsprogramme Anfrage/Antwort-Kanal Nachrichtenstromkanal Host-zu-Host-Konnektivität Hardware (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 18

19 2.2. Protokolle und Dienste Abhängigkeiten zwischen den Protokollen können durch einen Protokollgraph dargestellt werden: File application Digital library application Host 1 Video application File application Digital library application Host 2 Video application RRP MSP RRP MSP HHP HHP (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 19

20 2.2. Protokolle und Dienste Beispielhafter Informationsfluß zwischen den Schichten (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 20

21 2.2. Protokolle und Dienste Dienstprimitive (Service Primitives) Basisoperationen der Dienste: Request Anforderung eines Dienstes Indication Meldung eines Ereignisses (z.b. Anforderung) Response Reaktion auf Indication Confirm Bestätigung (1) request Peer 1 Schicht i Peer 2 confirm (4) (2) indication response (3) Zeitablauf: request confirm Peer 1 Peer 2 Schicht i-1 indication response (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 21

22 2.3. Die OSI-Architektur Das ISO/OSI Referenzmodell OSI: Open Systems Interconnection 7 Anwendungsprotokoll Anwendung 6 Darstellungsprotokoll Darstellung 5 Sitzungsprotokoll Sitzung 4 Transportprotokoll Transport 3 Vermittlungsprotokoll Vermittlung 2 Sicherungsprotokoll Sicherung 1 Bitübertragung Bitübertragungsprotokoll Anwendung Darstellung Sitzung Transport Vermittlung Sicherung Bitübertragung Rechner 1 (Sender) Rechner 2 (Empfänger) (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 22

23 2.3. Die OSI-Architektur Schicht 1: Bitübertragungsschicht (Physical Layer) Übertragung einzelner roher Bits Elektrische Spezifikation Medium: Kabel, Glasfaser, Funk, Infrarot, Spannungspegel, Frequenzen, Lichtwellenlänge,... Zeitverhalten Codierung und Modulationsverfahren Simplex / Duplex Übertragung Mechanische Spezifikation Form / Art der Stecker und Kabel Anzahl der Pins, (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 23

24 2.3. Die OSI-Architektur Schicht 2: Sicherungsschicht (Data Link Layer) Zugriffskontrolle (MAC, Media Access Control) Nur bei Mehrfachzugriffs-Verbindungen erforderlich Regelt Zugriff auf das gemeinsam genutzte Medium LLC (Logical Link Control) Sichert Datenübertragung auf einer Verbindung Fehlerbehandlung, Fluskontrolle, Synchronisation Aufteilung der Daten in Frames (typ. ~ 100 Byte) Frame durch Header und Trailer begrenzt Trailer enthält Redundanzbits (z.b. Prüfsumme) zur Fehlererkennung bzw. korrektur (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 24

25 2.3. Die OSI-Architektur Schicht 3: Vermittlungsschicht (Network Layer) Unterste Schicht, die Kommunikation zwischen nicht direkt verbundenen Netzwerk-Knoten ermöglicht Ende-zu-Ende-Kommunikation Oberste Schicht der Netzwerk-Zwischenknoten definiert Schnittstelle der Subnetze Definiert einheitliches Adressierunsschema Hauptaufgabe: Routing = Bestimmung eines Weges zwischen Sender und Empfänger statisch, nur aufgrund der Verbindungstopologie dynamisch, z.b. lastabhängig Beispiel: IP-Protokoll im Internet (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 25

26 2.3. Die OSI-Architektur Netzwerk-Zwischenknoten (Router) im OSI-Modell Anwendung Darstellung Sitzung Transport Anwendungsprotokoll Darstellungsprotokoll Sitzungsprotokoll Transportprotokoll Anwendung Darstellung Sitzung Transport Vermittlung 3 Vermittlung 3 2 Sicherung 2 Sicherung 2 1 Bitübertragung 1 Bitübertragung 1 Rechner 1(Sender) Router Rechner 2(Empfänger) (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 26

27 2.3. Die OSI-Architektur Schicht 4: Transportschicht (Transport Layer) Stellt Verbindungen zwischen Endpunkten (Prozessen) auf verschiedenen Rechnern bereit Adressierung der zu kontaktierenden Prozesse Auf- und Abbau von Verbindungen Multiplexen von Verbindungen Stellt u.a. verbindungsorientierte Dienste bereit Kommunikationspartner erhalten den Eindruck einer Leitungsvermittlung selbst wenn untere Schichten paketorientiert arbeiten Beispiel: TCP-Protokoll im Internet (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 27

28 2.3. Die OSI-Architektur Schicht 4: Transportschicht (Transport Layer) Sichert Datentransport zwischen Endpunkten Fehlerbehandlung, Flußkontrolle, Synchronisation Sicherungsschicht Transportschicht Router Router Subnetz Physische Verbindungsleitung Host (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 28

29 2.3. Die OSI-Architektur Schicht 5: Sitzungsschicht (Session Layer) Dienste zur Verwaltung von Sitzungen, z.b. Dialogsteuerung ( wer darf wann senden? ) atomare Aktionen ( alles oder gar nichts ) Synchronisierung (z.b. Weiterführung eines unterbrchenen Transfers) Diese Schicht ist in der Praxis meist leer! Schicht 6: Darstellungsschicht (Presentation Layer) Kennt als erste Schicht die Semantik der Daten Konvertiert Datenformate und darstellung Auch: Kompression, Verschlüsselung (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 29

30 2.3. Die OSI-Architektur Schicht 7: Anwendungsschicht (Application Layer) Spezialisierte Dienste und Protokolle für verschiedene Anwendungsbereiche Beispiele: HTTP (Hypertext Transport Protocol) zur Übertragung von Web-Seiten SMTP (Simple Mail Transport Protocol) zum Austausch von CIFS / NFS Protokolle für Netzwerk-Dateisysteme SSH (Secure Shell) sicheres Protokoll zur Nutzung entfernter Rechner (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 30

31 2.3. Die Internet-Architektur Die Internet-Architektur im Vergleich mit OSI TCP, UDP IP (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 31

32 2.3. Die Internet-Architektur Netzwerkschicht (Host-to-network) Wird nicht von der Internet-Architektur spezifiziert d.h. das IP-Protokoll kann auf beliebige Netzwerke aufgesetzt werden Internet-Schicht Ein zentrales Protokoll: IP (Internet Protocol) verbindungslos, paketvermittelt, unzuverlässig Transportschicht TCP (Transmission Control Protocol) verbindungsorientiert, zuverlässig UDP (User Datagram Protocol) verbindungslos, unzuverlässig (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 32

33 2.3. Die Internet-Architektur Protokollgraph der Internet-Architekur FTP HTTP NV TFTP Anwendungsschicht TCP UDP Transportschicht IP Internet-Schicht NET 1 NET 2 NET n Netzwerkschicht Sanduhr-Modell: IP als zentrale Verbindung der höheren Protokolle und der Netzwerkschicht (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 33

34 Zusammenfassung Schichten, Protokolle und Dienste ISO-OSI Referenzmodell 7 Schichten: Bitübertragung, Sicherung, Vermittlung, Transport, Sitzung, Darstellung, Anwendung Internet Protokollarchitektur Netzwerk, IP, TCP/UDP, Anwendung Nächste Vorlesung: Direktverbindungsnetze Codierung, Framing, Fehlererkennung und -korrektur (c) R. Wismüller, Univ. Siegen 34

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