Delay einer Multi Hop Übertragung

Transkript

1 Delay einer Multi Hop Übertragung H1 d H2 Zeit x zur Übertragung von n Bits bei Distanz d, Signalausbreitungsgeschwindigkeit l, Bandbreite b und Queuing Zeit q: Grundlagen der Rechnernetze Einführung 59

2 Delay Bandbreiten Produkt Bandbreite Delay Beispiel: Anzahl Bits n die ein Kanal mit 100ms Latenz und 50Mbps Bandbreite speichert Grundlagen der Rechnernetze Einführung 60

3 Transferzeit und Effektiver Durchsatz H1 H2 Beispiel: Überschlagsrechnung zu Transferzeit z und effektivem Durchsatz d und bei Abrufen einer 1MB Datei über einen Kanal mit 1Gbps Bandbreite und 92ms RTT: Grundlagen der Rechnernetze Einführung 61

4 Bitfehlerrate und Paketverlustrate Bitfehler Paket 1 Paket 2 Paket 3 Paket 4 Paketfehler Einfacher Zusammenhang zwischen BER und PER, für n Bit Nachrichten ohne Fehlerkorrektur Grundlagen der Rechnernetze Einführung 62

5 Additive und Bottleneck Kosten H1 10ms 5ms R2 10ms 20ms e e 2 e 1 3 e4 1Mbps R1 1Gbps 1Gbps R3 1Mbps H2 Beispiel: Delay d und Bandbreite b zwischen zwischen H1 und H2 Grundlagen der Rechnernetze Einführung 63

6 Multiplikative Kosten H1 p p 1 =2/3 2 =1/3 R2 p 3 =1/2 p 4 =1/2 e e 2 e 1 3 e4 R1 R3 H2 Beispiel: Gesamtpaketerfolgsrate bei gegebenen Paketverlustraten pro Link Grundlagen der Rechnernetze Einführung 64

7 Performance Beispiel: Effektiver Durchsatz von Packet Switching Grundlagen der Rechnernetze Einführung 65

8 Delay Einsparungen Circuit Switching Message Switching Packet Switching H1 R1 R2 H2 H1 R1 R2 H2 H1 R1 R2 H2 Grundlagen der Rechnernetze Einführung 66

9 Einfluss der Paketgröße H1 R1 R2 H2 Nachrichtenlänge Paket Payload Paket Header Bandbreite Delay pro Hop Anzahl Hops n Bits k Bits c Bits b bps d Sekunden h Effektiver Durchsatz x Grundlagen der Rechnernetze Einführung 67

10 Beispiel Plot Effektiver Durchsatz in Gbps Nachrichtengröße 1 GB Bandbreite 1 Gbps Header Größe 64 Byte Anzahl Hops 10 Delay pro Hop 10 ms Paketgröße in KB Grundlagen der Rechnernetze Einführung 68

11 Performance Beispiel: Vorteil von statistischem Multiplexing Grundlagen der Rechnernetze Einführung 69

12 Statisches versus Statistisches Multiplexing H 1 p b bps H n p Verhältnis x der mittleren Bandbreite pro Knoten von statistischem über statischem Multiplexing bei n Knoten, Zugriffswahrscheinlichkeit p und Bandbreite b Grundlagen der Rechnernetze Einführung 70

13 Beispiel Plot Angepasste über fester Bandbreitenzuweisung 50% Zugriffwahrscheinlichkeit 70% Zugriffwahrscheinlichkeit 90% Zugriffwahrscheinlichkeit Anzahl Knoten Grundlagen der Rechnernetze Einführung 71

14 Geschichte und Gegenwart Grundlagen der Rechnernetze Einführung 72

15 Geschichte und Gegenwart Entwicklung des Internet Grundlagen der Rechnernetze Einführung 73

16 Packet Switching der ersten Stunde Ende der 1950er Gegen 1960 Auf Höhe des kalten Krieges möchte das DoD (1) eine Lösung für ein Command und Kontrollzentrumsnetz, welches einen nuklearen Angriff überlebt. Das DoD beschließt einen Vertrag mit RAND Corporation, eine Lösung zu finden. Mitarbeiter Paul Baran entwickelte ein stark verteiltes und fehlertolerantes System auf Basis von digitalem Packet Switching. Der zu dieser Zeit amerikanische Telefonmonopolist AT&T findet dieses System jedoch nicht realisierbar. Struktur des Telefonsystems (1) Das DoD ist das Department of Defense der USA. Barans verteiltes Switching System Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, Fourth Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Einführung 74

17 Das ARPANET 1967 Die ARPA (1) wechselt ihren Schwerpunkt unter der Leitung von Larry Roberts auf die Erforschung von Netzen. Einer der damals kontaktierten Experten, Wesley Clark, entwickelt ein Packet Switched Subnetz, in dem jeder Host an einen Router angebunden ist. Unabhängig davon wurde unter Leitung von Donald Davies am NPL (2) ein ähnliches Packet Switching System entworfen und sogar als Campus Netz schon implementiert. Das NPL referenziert hierbei die ursprünglich abgelehnte Arbeit von Paul Baran Die ARPA beauftragt die Consulting Firma BBN in Cambridge ein solches Netz und die dazu notwendige Netzsoftware zu entwickeln. Des Weiteren werden Graduate Studenten der Universität Utah damit beauftragt die Host Software zu entwickeln. Das Ergebnis ist das ARPANET welches schnell größer wurde und bald die ganze USA abdeckte. Struktur des Packet Switched Subets nach Clark Dez 1969 Jul 1970 Mär 1971 Apr 1972 Sep 1972 (1) Die ARPA, Advanced Research Projects Agency, ist ein staatlicher, amerikanischer, Der Zuwachs im ARPANET militärischer Forschungsförderer für Universitäten und Industrie. (2) Das NPL ist das National Physical Laboratory in England. Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, Fourth Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Einführung 75

18 Das ARPANET und NSFNET 1974 Die ersten ARPANET Protokolle erlaubten keine transparente End to End Kommunikation über verschiedene Netze. Dies wurde mit wachsen des ARPANET immer wichtiger und führte schließlich zur Entwicklung von TCP/IP von Vinton Cerf und Robert Kahn. Späte 1970 bis Ende 1980er Die ARPA forcierte die Verwendung von TCP/IP durch Verträge mit BBN und der University of California Berkeley, die neuen Protokolle in Berkeley Unix zu integrieren. Hierbei wurde auch die Socket Schnittstelle entwickelt. Die Teilnahme am ARPANET erforderte einen Vertrag mit dem DoD. Daher beschloss man im NSF (1) einen für alle US Universitäten freien Nachfolger des ARPANETs zu bauen. Der Anfang war ein USA umspannender Backbone, der sechs Super Computer Center verband. An den Backbone wurden etwa 20 regionale von der NSF geförderte Netze angebunden. Das Ergebnis war das NSFNET. Das ARPANET und das NSFNET wurden erstmals an der Universität Carnegie Mellon verbunden. Das NSF Backbone 1988 (1) Die NSF ist die US National Science Foundation. Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, Fourth Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Einführung 76

19 Kommerzialisierung des Internet Während der 1980er Mit dem immer größer werden der Netze wurde das Auffinden von Hosts anhand von IP Adressen immer aufwendiger. Als Lösung wurde eine hierarchische Namensstruktur, das DNS (Domain Name System), entwickelt. Das NSFNET verband Nutzer an tausenden von US Universitäten, Forschungslaboren, Bibliotheken und Museen. Es war damit permanent überladen. Die NSF beschloss einen Vertrag mit MERIT, einem Konsortium in Michigan, das Netz weiter zu betreiben. Damit erfuhr der Backbone des NSFNET einen Upgrade (zunächst von 56kbps auf 448kbps (Fiber Channels von MCI) und dann noch mal auf 1.5Mbps Lines) Mit dem Zusammenschluss von ARPANET und NSFNET schlossen sich viele weitere regionale Netze und Netze in Kanada, Europa, und Pazifik an Als ersten Schritt in Richtung Kommerzialisierung gibt die NSF das NSFNET an die nonprofit Corporation ANS (Advanced Networks and Services) von MERIT, MCI und IBM ab. Das ANS machte einen Upgrade des NSFNET Backbones auf das ANSNET, von 1.5Mbps auf 45Mbps Lines. Des Weiteren schloss das NSF Verträge mit den Netzbettreibern PacBell, Ameritech, MFS und Sprint ab, die einen fairen Wettbewerb der Netzanbieter sicher stellten Das ANSNET wurde an American Online verkauft. Damit begann die Kommerzialisierung von IP Diensten. Grundlagen der Rechnernetze Einführung 77

20 WWW Während der 1990er In vielen anderen Ländern entstehen nationale Forschungsnetze, häufig ähnlich gestaltet wie das ARPANET und NSFNET. Beispiele sind in Europa EuropaNET und EBONE, die mit 2Mbps starteten, einen Upgrade auf 34Mbps erfuhren und dann irgendwann ebenfalls an die Industrie abgegeben wurden. Bis in die frühen 1990er waren Akademiker die Anwender des Internet. Die Hauptanwendungen waren , News, Remote Login und File Transfer. Dies änderte sich schlagartig mit der Erfindung des WWW des CERN Physikers Tim Berners Lee und des Mosaik Browsers von Marc Andreesen am National Center for Supercomputer Applications in Urbana, Illinois. Es entstanden viele Internet Service Provider (ISP), die es einer immer größer werdenden Zahl von Endnutzern ermöglichten sich von Zuhause ins Internet einzuwählen. Grundlagen der Rechnernetze Einführung 78

21 Vereinfachte Übersicht des heutigen Internets Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, Fourth Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Einführung 79

22 Geschichte und Gegenwart Telefonnetze, LANs und Standardisierung Grundlagen der Rechnernetze Einführung 80

23 Wide Area Datennetze 1970er 1980er 1990er Das verbindungsorientierte Wide Area Datennetz der ersten Stunde ist das in den 1970er entwickelte X.25 System. Das System wurde etwa ein Jahrzehnt verwendet. In den 1980ern wird X.25 im wesentlichen durch ein neues System, Frame Relay, ersetzt. Es diente (zum Teil sogar bis heute) hauptsächlich zum verbinden von LANs. In den 1990er wurde ATM (Asynchronous Transfer Mode) entwickelt. Das Ziel war der Zusammenschluss von Sprache, Daten, Kabelfernsehn, Telex, Telegraph in einem einzigen Datennetz (ATM = Internet versus Telcos). ATM hatte zwar nicht den ursprünglich erhofften Erfolg, wird aber häufig von Carriern für internen Datentransport von Internet Traffic verwendet. Grundlagen der Rechnernetze Einführung 81

24 Local Area Netze Frühe 1970er Norman Abrahamson und Kollegen der Universität Hawaii entwickeln das drahtlose (Short Range Radio) ALOHANET mit dem Computer der anliegenden Inseln mit dem Hauptcomputer auf Honolulu kommunizieren können Auf der Basis der Arbeit von Norman Abrahamson entwickeln Bob Metcalfe und David Boggs bei Xerox PARC das erste LAN mit dem Namen Ethernet (ursprüngliche Datenrate: 2.94Mbps) Das Xerox Ethernet wurde 1978 von DEC, Intel und Xerox als 10Mbps Ethernet unter dem Namen DIX standardisiert. Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, Fourth Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Einführung 82

25 Local Area Netze Ab 1978 Mitte der 1990er Bob Metcalfe gründet die Firma 3Com und verkauft über 100 Millionen Ethernet Adapter. Ethernet wurde über die Jahre immer weiter entwickelt: 100Mbps und 1000Mbps, Switching, Cabling etc. Neben dem Ethernet Standard wurden auch ein Token Bus und ein Token Ring LAN Standard etabliert. Der Ethernet Standard hat sich jedoch weitestgehend hier gegenüber durchgesetzt. Standardisierung eine Ethernet kompatiblen drahtlosen LAN Technik namens WiFi. Drahtloses Netz mit Access Point Ad hoc Netz Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, Fourth Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Einführung 83

26 Standardisierungsgremien Telekommunikation ITU International Telecommunicaiton Union Internationale Standards ISO IEEE International Standards Organization Institute of Electrical and Electronics Engineering Internet Standards ISOC IAB IRTF IETF Internet Society Internet Architecture Board Internet Research Task Force Internet Engineering Task Force IEEE 802 Working Groups Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, Fourth Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Einführung 84

27 Zusammenfassung und Literatur Grundlagen der Rechnernetze Einführung 85

28 Zusammenfassung Rekursive Definition eines Netzes Skalierbarkeit durch hierarchische Aggregation Adressierung, Routing, Forwarding Statistisches Multiplexing Layering, Protokolle Separation of Concerns OSI Modell, Internet Hour Glass Modell Latenz und Bandbreite Standardisierungen Grundlagen der Rechnernetze Einführung 86

29 Literatur [PetersonDavie2007] Larry L. Peterson and Bruce S. Davie, Computer Networks: A Systems Approach, Edition 4, Requirements 1.3 Network Architecture Application Programming Interface (Sockets) 1.5 Performance What is an Internetwork? Global Addresses Datagramm Forwarding in IP Subnetting Classless Routing (CIDR) [Tanenbaum2003] Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, Fourth Edition, Example Networks 1.6 Network Standardization Grundlagen der Rechnernetze Einführung 87