Kapitel 2 Kommunikationsdienst

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1 Kapitel 2 Kommunikationsdienst und -protokoll i. (Tele-)Kommunikationsdienst ii. Kommunikationsdienstgüte iii. Geschichtete Kommunikationssysteme iv. Kommunikationsprotokoll v. Protokollmechanismus Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) Telekommunikationsdienst Telekommunikation 2 Datentransport Diensterbringer (Telekommunikationsnetz) [] Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 2 Prof. Jochen Seitz

2 Das Medium als Diensterbringer Sender Empfänger Zugangspunkt Zugangspunkt Übertragungskanal Medium Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 3 Beispiel Briefkommunikation Information (vom Sender) Nachricht Zugriff auf den Dienst, den das Medium anbietet Information (beim Empfänger) Text bla bla Verteilzentrum Verteilzentrum Text bla bla abstraktes Medium Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 4 Prof. Jochen Seitz 2

3 Dienstschnittstelle und Dienstzugangspunkt Dienstschnittstelle Beschreibung der verfügbaren Telekommunikationsdienste und deren Nutzungsweise Festlegung von möglichen Dienstmerkmalen Dienstzugangspunkt Ort, an dem der Dienst angeboten wird Notwendig: Adresse zur eindeutigen Identifikation des Dienstzugangspunkts Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 5 Verfeinerung eines Dienstes Dienst = gesamte Kommunikationsfunktionalität des Diensterbringers Dienstfunktion = eine angebotene Funktion, die atomar genutzt werden kann Dienstprimitiv = Ereignis am Dienstzugangspunkt zur Nutzung des Dienstes Dienstprozedur = Festlegung der Reihenfolge der Dienstprimitive zur Nutzung einer Dienstfunktion Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 6 Prof. Jochen Seitz 3

4 Charakterisierung von Kommunikationsdiensten Kriterien: Dienstparadigma: verbindungsorientiert vs. verbindungslos Beteiligte Menschen bzw. Maschinen Menge der beteiligten Kommunikationspartner Übertragungsverfahren/Schnittstellen Nutzungsrichtung Auslieferungsdisziplin Qualität Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 7 Dienstparadigma Verbindungsorientierter Dienst Verbindungsaufbau vor dem Senden von Daten Verbindungsabbau nach Ende der Kommunikation Hohe Zuverlässigkeit Reservieren von Ressourcen möglich Eventuell höhere Latenz Verbindungsloser Dienst Senden von Daten ohne Verbindungskontext Geringere Latenz durch Wegfall des Verbindungsaufbaus Mitunter geringere Zuverlässigkeit Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 8 Prof. Jochen Seitz 4

5 Dienstkategorien nach der übertragenen Information Übermittlungsdienst (Bearer Service) Von Netzzugang zu Netzzugang Übertragung von Bits oder Analogsignalen ohne Rücksicht auf deren Inhalte Teledienst (Teleservice) Von Endgerät zu Endgerät Liefert einen Kommunikationsdienst für die Benutzer Optimiert auf spezielle Anwendung (z. B. Telefonie) Basisdienst (Basic Service) Grundlegende Funktionalität für einen Teledienst Zusatzdienst (Supplementary Service) Weiterführende Funktionalität, die nur in Zusammenhang mit einem Basisdienst nutzbar ist Beispiel: Nummernanzeige oder Anrufweiterleitung Mehrwertdienst (Value Added Service) Kostenpflichtige zusätzliche Dienstleistung durch den Provider Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 9 Menge der beteiligten Kommunikationspartner Anzahl der Sender Anzahl der Empfänger Kommunikationsform Beispiel Unicast Brief Dialog Telefonat < n < alle Multicast Gruppenkommunikation Premiere an mehrere Empfänger alle Broadcast Fernsehen, Radio m > Concast TED m > n > Multipeer Videokonferenz n > Anycast Zuweisung einer IP-Adresse Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) Prof. Jochen Seitz 5

6 Nutzungsrichtung Simplex Duplex Halbduplex t t t t t t Rundfunk Telefon Wechselsprechen Feuermelder Buchung Sensoren Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) Kommunikationsdienst gemäß den Beteiligten Mensch Mensch Telekommunikationstechnik überbrückt räumliche Distanz zwischen Individuen Üblicherweise Dialogkommunikation Beispiel: Telefonie Mensch Maschine Beispiel: World Wide Web, Video Streaming Maschine Maschine Verteilte Anwendungen Verteilung Informationsverarbeitung auf räumlich getrennten Rechnern Beispiel: Prozessüberwachung; Internet of Things, Industrie 4., Car-2-X Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 2 Prof. Jochen Seitz 6

7 Übertragungsverfahren/Schnittstellen Serielle Übertragung Parallele Übertragung bit pro Zeitintervall, Leitung 8 bit pro Zeitintervall, 8 Leitungen t t Universal Serial Bus (USB) Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 3 Auslieferungsdisziplin Reihenfolge der beim Empfänger ankommenden Daten in Bezug auf die Reihenfolge, wie sie abgeschickt wurden: treu zur Einlieferungsreihenfolge (FIFO) FIFO + priorisiert zufällig IEEE 284- Druckerkabel [3] A B 3 2 Diensterbringer Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 4 Prof. Jochen Seitz 7

8 Kommunikationsdienstgüte Quality of Service (QoS) Was ist QoS? etwas, das heute oft im Kontext mit Kommunikationsnetzen diskutiert wird beschreibt bestimmte Technologien zur Übermittlung von Informationen und somit zur Behandlung von Datenverkehr betrifft Zuverlässigkeit von Systemen (Verfügbarkeit von Diensten) betrifft Informationsverluste, Laufzeiten (Verzögerungen), Laufzeitschwankungen (Jitter) Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 5 Ursachen von Verzögerungen Netz Laufzeiten auf den Kanälen Wartezeiten in den Puffern der Router/Switches Informationsverarbeitung Überlast auf den Übertragungskanälen Endsystem Codec Performance des Endsystems Pufferspeicher und Quellbitrate Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 6 Prof. Jochen Seitz 8

9 Aktuelles Entwurfsziel für Netze High Bandwidth and low latency Produkt Bandwitdth Delay Anzahl der Bits unterwegs Bearbeitung durch Komponenten des Netzes Problem: hohe Bitraten (optische Netze) Kostenoptimierung ( so viel wie nötig ) Overprovisioning Mehr bieten als gebraucht wird Konkurrenz um Ressourcen Problem: Keine Garantien! Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 7 Realisierung von Quality of Service Notwendig: Dienstgüteparameter: qualitative Eigenschaften eines Dienstes Dienstklassen: Einteilung nach Grad der Garantien Dienstverträge: Festlegung der zu garantierenden QoS-Parameter, deren Werte und den Grad der Einhaltung (Dienstklasse) Dienstgütemechanismen: Maßnahmen zur Einhaltung von Dienstverträgen Management der Dienste: Verwaltung und Reservierung von Ressourcen Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 8 Prof. Jochen Seitz 9

10 Dienstklassen (QoS-Klassen) Deterministische Klasse exakte Einhaltung vorgegebener Schranken der QoS-Parameter exklusive Nutzung von Ressourcen keine Konflikte möglich, aber Besetztfall (keine Ressourcen mehr übrig) Statistische Klasse Einhaltung vorgegebener Schranken mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit z. B. Ende-zu- Ende-Verzögerung für 95% der Pakete unter ms Ressourcenüberbelegung bis zu einem gewissen Grad Konflikte möglich (je höher die Wahrscheinlichkeit der Garantie, desto geringer die Wahrscheinlichkeit für Ressourcenkonflikte) Bestmögliche Klasse keinerlei Garantien für Dienstgüteparameter, da keine Ressourcenreservierung Konflikte vorprogrammiert Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 9 Dienstgütemechanismen Zugangskontrolle Überwachung des Zuflusses Paketklassifizierung Limitierung der Anzahl gleichzeitiger Kommunikationsvorgänge Reservierung von Ressourcen Bandbreite, Pufferplatz, Prozessorzeit, Priorisierung von Paketen VoIP versus Web-Traffc Traffic Shaping Verwerfen von nicht-konformen Paketen Vermeidung von Bursts Beispiel Leaky Bucket Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 2 Prof. Jochen Seitz

11 Problem Skalierbarkeit QoS für jeden Strom separat Viele Kontextinformationen in den Zwischensystemen Enormer Aufwand Idee: Zusammenfassen von Strömen zu Aggregationen, die ähnliche Anforderungen haben Jede Aggregation hat eine zugewiesene Dienstgüte: Expedited Forwarding geringe Latenz Assured Forwarding verschiedene Prioritätsklassen Best Effort keine Dienstgüte Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 2 Allgemeines Prinzip der Schichtung (I) Notwendige Bestandteile dieser Kommunikationsarchitektur: Physikalische Konnektivität (Verbindung über Kupferkabel, Lichtwellenleiter, Luftschnittstelle,...) Unterschiedliche Kommunikationsfunktionalitäten Steuerung des Ablaufs Adressierung der Kommunikationspartner Garantie einer geforderten Qualität Anpassung unterschiedlicher Formate... Schnittstelle zu den Anwendungen Lösung: Kommunikationsarchitektur mit geschichtetem Aufbau Realisierung von Funktionen einer Schicht unter Nutzung der Funktionalität der darunterliegenden Schicht Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 22 Prof. Jochen Seitz

12 vertikale Kommunikation Dienst Dienst Allgemeines Prinzip der Schichtung (II) 2 Diensterbringer Protokoll Diensterbringer 2 Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 23 Geschichtetes Kommunikationssystem Anwendung horizontale Kommunikation Schnittstelle Anwendung... horizontale Kommunikation Zugangspunkt Schicht N... vertikale Kommunikation abstraktes Medium für Schicht N physikalisches Medium Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 24 Prof. Jochen Seitz 2

13 Bsp. Briefkommunikation II Information (Sender) horizontale Kommunikation Schnittstelle Information (Empfänger) horizontale Kommunikation... Zugangspunkt... Schicht N abstraktes Medium für Schicht N physikalisches Medium Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 25 Diensterbringung Protokoll Koordination verschiedener Instanzen innerhalb des Diensterbringers Protokoll Telekommunikation 2 Instanz A Kommunikationsprotokoll Datentransport Diensterbringer (Telekommunikationsnetz) Instanz B Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 26 Prof. Jochen Seitz 3

14 Zusammenhang Dienst - Protokoll Dienst: Angebot des Diensterbringers an den Protokoll: Regeln, nach denen die verteilten Instanzen innerhalb des Diensterbringers kooperieren, um den gewünschten Dienst zu erbringen Unabhängig laufende Instanzen Konsistente Sichtweise gefährdet Fehlerbehandlung notwendig Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 27 Protokollmechanismen Elementarer Mechanismus Verwendbar in verschiedenen Protokollen Verwendbar in verschiedenen Kommunikationsarchitekturen Verwendbar in verschiedenen Schichten Nicht mehr aufteilbar Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 28 Prof. Jochen Seitz 4

15 Protokollmechanismus Einkapselung Instanz I i+ k Instanz I i+ l Nutzerinfo. Nutzerinfo. Diensterbringer Einkapselung Instanz I i m Protokoll Instanz I i n Nutzerinfo. Nutzerinfo. Zugrunde liegendes (abstraktes) Medium Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 29 Protokollmechanismus Segmentierung und Reassemblierung Nutzerinfo. Instanz I i+ k Instanz I i+ l Nutzerinfo. Instanz I i m Diensterbringer Protokoll Instanz I i n Zugrunde liegendes (abstraktes) Medium Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 3 Prof. Jochen Seitz 5

16 Protokollmechanismus Verbindungsmanagement Verbindungsaufbau Verbindungsaufrechterhaltung Verbindungsabbau Behandlung von Verbindungsunterbrechungen Behandlung von verwaisten Verbindungen Eng verbunden mit Verbindungsmanagement: Adressierung Adressabbildung Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 3 Protokollmechanismus Wegewahl (Routing) Auswahl der besten Netzschnittstelle zum Weiterleiten der Pakete Verschiedene Kriterien (monetäre) Kosten Übertragungsgeschwindigkeit Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit Übertragungsverzögerung / Anzahl der Zwischenknoten Auslastung Dynamische Berücksichtigung der Netzauslastung Eventuell duplizierte Übertragung von Informationen je nach Mechanismus Fluten Multicast / Gruppenkommunikation Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 32 Prof. Jochen Seitz 6

17 Protokollmechanismus Datentransfer Gewünscht: Reihenfolgetreue Empfangsreihenfolge = Sendereihenfolge Eventuell Umordnen der Daten notwendig Gewünscht: Unterschiedliche Prioritäten Normale Daten vs. Vorrangdaten Vorrangdaten dürfen nicht durch normale Daten überholt werden Umsortieren der Daten vor dem Senden Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 33 Protokollmechanismus Lastkontrolle auf den Endgeräten Lastkontrolle im Netz Flusskontrolle reaktiv Überlastkontrolle vorbeugend Staukontrolle Verkehrskontrolle Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 34 Prof. Jochen Seitz 7

18 Protokollmechanismus Fehlererkennung und -behebung Fehlererkennung Hinzufügen von Redundanz Paritätsprüfung Prüfsumme Quittungen (Acknowledgements) Stop & Wait kreditbasiert Timeout Nummerierung der Pakete Überwachung der Reihenfolge Bezug bei Quittung Fehlerbehebung Hinzufügen von Redundanz Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction) Übertragungswiederholung selektiv Go-back-n Rücksetzen der Verbindung Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 35 Protokollmechanismus Multiplexen und Bündelung Multiplex Ein Diensterbringer bedient gleichzeitig mehrere Dienstnutzer. 2 Bündelung Ein Diensterbringer nutzt gleichzeitig mehrere Übertragungsmedien. Diensterbringer Diensterbringer Medium Medium Medium 2 [2] Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 36 Prof. Jochen Seitz 8

19 Protokollmechanismus Medienzugang Gesteuerter Medienzugang Zentral gesteuert Ohne zentrale Steuerung (z. B. Tokenbasiert) Keine Kollisionen Eventuell kann ein Teil der Bandbreite ungenutzt bleiben. Willkürlicher Medienzugang Keine zentrale Steuerung Jede Station entscheidet selbst, ob sie senden kann Kollisionen können auftreten Hybrider Medienzugang möglich Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 37 Protokollmechanismus Synchronisation Auf Signalebene Takt, Abtastung, Auf Medienzugangsebene Zeitschlitze, Auf Übertragungsebene Beginn und Ende (Bits, Oktetts, Rahmen, Pakete, ) Auf Verbindungsebene Aufbau und Abbau Auf Sitzungsebene Erreichter Übertragungsstand vor einem Neustart Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 38 Prof. Jochen Seitz 9

20 Literatur [] ABECK, Sebastian; LOCKEMANN, Peter C.; SCHILLER, Jochen; SEITZ, Jochen (23): Verteilte Informationssysteme. Integration von Datenübertragungstechnik und Datenbanktechnik. Heidelberg: dpunkt-verlag. [2] DEBES, Maik; HEUBACH, Michael; SEITZ, Jochen; TOSSE, Ralf (27): Digitale Sprach- und Datenkommunikation. Netze - Protokolle - Vermittlung. München, Wien: Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag. [3] HALSALL, Fred (25.): Computer Networking and the Internet. 5th Edition. Boston: Addison-Wesley. [4] KRÜGER, Gerhard, RESCHKE, Dietrich (24): Lehr- und Übungsbuch Telematik. Netze - Dienste - Protokolle. 3., aktualisierte Auflage. München: Fachbuchverlag Leipzig im Carl-Hanser-Verlag. [5] SIEGMUND, Gerd (24): Technik der Netze. 7., neu bearbeitete und erweiterte Auflage. Berlin: VDE Verlag. [6] STALLINGS, William (24). Data and Computer Communications.. edition. Boston, Mass.: Pearson. Kommunikationsnetze Kommunikationsdienst und -protokoll (WS 28/9) 39 Prof. Jochen Seitz 2