Inhalt Wahlmodul Netzwerke

Transkript

1 Inhalt Wahlmodul Netzwerke 1) Einführung 2) Anwendungsschicht 3) Transportprotokolle 4) Netzwerkschicht 5) Sicherungsschicht und LAN 6) Bitübertragungsschicht 7) Weiteres: Internet of Things, WLAN

2 Kapitel 1 Literatur Computernetzwerke. Der Top-Down-Ansatz, 4. Ausgabe. Jim Kurose, Keith Ross, Pearson, Juli Computernetze. Jürgen Scherff, Vieweg, 2006 Computernetze. Peterson, Davie. Dpunkt.lehrbuch, 2007

3 Kapitel 1: Orientierung 1.1 Geschichte der Computernetzwerke 1.2 Was ist das Internet? 1.3 Randbereich des Netzwerkes Endsysteme, Zugangsnetzwerke, Leitungen 1.4 Inneres des Netzwerkes Leitungs- und Paketvermittlung, Netzwerkstruktur 1.5 Verzögerung, Verlust und Durchsatz in paketvermittelten Netzwerken 1.6 Protokollschichten, Dienste

4 Geschichte des Internets : Paketvermittlung 1961: Kleinrock Warteschlangentheorie zeigt die Effizienz der Paketvermittlung 1964: Baran Paketvermittlung in Militärnetzen 1967: ARPAnet von der Advanced Research Projects Agency geplant 1969: erster ARPAnet- Knoten in Betrieb 1972: ARPAnet, öffentliche Vorführung NCP (Network Control Protocol), erstes Protokoll zwischen Hosts Erstes -Programm ARPAnet hat 15 Knoten zakon.html

5 Quelle: Salus 1995 Geschichte des Internets Arpanet Dezember 1970

6 Geschichte des Internets Das erste Datenpaket versucht im Oktober Charley Kline von UCLA nach SRI zu senden. Der erste totale Systemabsturz folgte, als er den Buchstaben G im Wort LOGIN eingab. Hier das originale, handschriftliche Protokoll vom :

7 Geschichte des Internets : Netzwerk von Netzwerken 1970: ALOHAnet Satellitennetzwerk auf Hawaii 1974: Cerf und Kahn Architektur für die Verbindung von Netzwerken 1976: Ethernet: Xerox PARC Späte 1970er: proprietäre Architekturen: DECnet, SNA, XNA Späte 1970er: Pakete fester Größe (später ATM) 1979: ARPAnet hat 200 Knoten Cerf und Kahn: Prinzipien für die Verbindung von Netzen Minimalismus, Autonomie keine internen Änderungen an den einzelnen Netzwerken Best-Effort-Dienst keine Garantien Kein (Verbindungs-) Zustand in den Routern Dezentrale Kontrolle Definition der aktuellen Internetarchitektur

8 Geschichte des Internets Arpanet Dezember 1970 Quelle: Wikipedia

9 Geschichte des Internets : Neue Protokolle 1983: Einführung von TCP/IP 1982: Definition des SMTP- -Protokolls 1983: Definition von DNS zur Übersetzung von Namen auf IP-Adressen 1985: Definition von ftp 1988: Überlastkontrolle in TCP x: Kommerzialisierung Anfang 1990er Jahre: ARPAnet wird eingestellt 1991: NSF hebt die Einschränkungen bezüglich der kommerziellen Nutzung des NSFnet auf Anfang 1990er Jahre: Web Hypertext [Bush 1945, Nelson 1960er] HTML, HTTP: Berners-Lee 1994: Mosaic, später Netscape Späte 1990er Jahre: Kommerzialisierung des Web

10 Anzahl der Internetnutzer weltweit in den Jahren 1997 bis 2014 sowie eine Schätzung für die Jahre 2015 und 2016 (in Millionen) Geschichte des Internets

11 Geschichte des Internets

12 Kapitel 1: Orientierung 1.1 Geschichte der Computernetzwerke 1.2 Was ist das Internet? 1.3 Randbereich des Netzwerkes Endsysteme, Zugangsnetzwerke, Leitungen 1.4 Inneres des Netzwerkes Leitungs- und Paketvermittlung, Netzwerkstruktur 1.5 Verzögerung, Verlust und Durchsatz in paketvermittelten Netzwerken 1.6 Protokollschichten, Dienste

13 Was ist das Internet: die Grundlagen PC Server Laptop Smartphone Millionen vernetzter Computer: Hosts = Endsysteme Access Points Leitungen Auf denen Netzwerkanwendungen laufen Leitungen/Funkstrecken (links) Glasfaser, Kupfer, Funk, Satellit Übertragungsrate = Bandbreite Router Router: leiten Datenpakete (Einheiten von Daten) weiter

14 Coole Endsysteme und Anwendungen IP picture frame WLAN Internet of Things Internetbasierter Toaster + Wettervorhersager Mini Webserver: Hausautomation

15 Kapitel 1: Orientierung 1.1 Geschichte der Computernetzwerke 1.2 Was ist das Internet? 1.3 Randbereich des Netzwerkes Endsysteme, Zugangsnetzwerke, Leitungen 1.4 Inneres des Netzwerkes Leitungs- und Paketvermittlung, Netzwerkstruktur 1.5 Verzögerung, Verlust und Durchsatz in paketvermittelten Netzwerken 1.6 Protokollschichten, Dienste 1.7 Angriff auf Netzwerke: Sicherheit

16 Die Struktur eines Netzwerkes: Randbereich: Anwendungen und Endsysteme Zugangsnetzwerke, physikalische Medien: Kabel und drahtlose Verbindungen Inneres des Netzwerkes: Router Netzwerke von Netzwerken

17 Der Randbereich des Netzwerkes: zuverlässige Datenübertragung Ziel: Datentransfer zwischen Endsystemen Handshaking: die Datenübertragung wird vorbereitet Hallo? Hallo! Protokoll zwischen Menschen Es wird ein Zustand in den miteinander kommunizie-renden Hosts erzeugt TCP Transmission Control Protocol Der zuverlässige Datentransport im Internet TCP-Dienste [RFC 793] Zuverlässige, reihenfolgeerhaltende Übertragung eines Bytestroms: Behandlung von Verlusten: Bestätigungen und Übertragungswiederholungen Flusskontrolle: Ein schneller Sender wird einen langsamen Empfänger nicht überfordern Überlastkontrolle: Sender werden gebremst, wenn das Netzwerk überlastet ist

18 Zugangsnetzwerke und physikalische Medien Frage: Wie werden Endsysteme an das Netzwerk angebunden? Anbindung von Privathaushalten Anbindung von Institutionen Mobile Anbindung Wichtige Eigenschaften: Bandbreite (Bits pro Sekunde) der Anbindung Geteilte oder exklusive Nutzung der Anbindung

19 Drahtlose Zugangsnetzwerke Drahtlose Zugangsnetzwerke verbinden Endsysteme mit einem Router Über eine Basisstation (auch Access Point ) Wireless LANs: b/g (WiFi): 11/54 Mbit/s Drahtlose Weitverkehrsnetze Durch Serviceprovider (z.b. T-Mobile, O2, E-plus etc.) bereitgestellt ~1 Mbit/s in zellulären Systemen (EVDO, HSDPA) In Zukunft (?): WiMAX (mehrere 10 Mbit/s) im Weitverkehrsbereich Router Base Station Mobile Endgeräte

20 Heimnetzwerke Basisstation/ Access Point Mobile Endgeräte Typische Bestandteile eines Heimnetzwerkes: DSL- oder Kabelmodem Router/Firewall/NAT Ethernet Basisstation Ethernet Router/ Firewall Kabelmodem

21 Kapitel 1: Orientierung 1.1 Geschichte der Computernetzwerke 1.2 Was ist das Internet? 1.3 Randbereich des Netzwerkes Endsysteme, Zugangsnetzwerke, Leitungen 1.4 Inneres des Netzwerkes Leitungs- und Paketvermittlung, Netzwerkstruktur 1.5 Verzögerung, Verlust und Durchsatz in paketvermittelten Netzwerken 1.6 Protokollschichten, Dienste

22 Das Innere des Netzwerkes Viele, untereinander verbundene Router Übertragung der Daten: Leitungsvermittlung Paketvermittlung

23 Leitungsvermittlung Ende-zu-Ende-Ressourcen werden für einen Ruf reserviert Bandbreite auf Leitungen, Kapazität in Routern Dedizierte Ressourcen: keine gemeinsame Nutzung Garantierte Dienstgüte wie beim Durchschalten einer physikalischen Verbindung Vor dem Austausch von Daten müssen die notwendigen Ressourcen reserviert werden

24 Ein Beispiel Wie lange dauert es, eine Datei mit Bit von A nach B über ein leitungsvermitteltes Netzwerk zu übertragen? Alle Leitungen haben eine Bandbreite von Mbit/s Alle Leitungen nutzen TDM mit 24 Zeitschlitzen/Sekunde 500 ms werden benötigt, um die Ende-zu- Ende-Leitung zu schalten

25 Paketvermittlung Jeder Ende-zu-Ende-Datenstrom wird in Pakete aufgeteilt Die Pakete aller Nutzer teilen sich die Netzwerkressourcen Jedes Paket nutzt die volle Bandbreite der Leitung Ressourcen werden nach Bedarf verwendet Wettbewerb um Ressourcen: Die Nachfrage nach Ressourcen kann das Angebot übersteigen Wie wird Überlast geregelt? Aufteilung der Bandbreite in Einheiten Dedizierte Zuweisung Reservierung von Ressourcen Was bedeutet Store and Forward?

26 Grob hierarchisch Struktur des Internets: Netzwerk von Netzwerken Im Zentrum: Tier-1 Internet Service Providers (ISPs) (Beispiele: Verizon, SprintLink, AT&T, Level 3) Behandeln sich als gleichberechtigte Partner Sind vollständig miteinander verbunden Tier-1 ISPs sind miteinander verbunden (peering) Tier-1 ISP Tier-1 ISP Tier-1 ISP

27 . Tier-1 ISP: Beispiel Sprint POP: point-of-presence Verbindung zum Backbone Peering Verbindung zu Kunden

28 Tier-1 ISP: Liste

29 Struktur des Internets Tier-2 ISPs: kleinere, oft nationale oder regionale ISPs Sind mit einem oder mehreren Tier-1 ISPs verbunden, oft auch mit anderen Tier-2 ISPs Streng genommen wäre die deutsche Telekom z.b. ein Tier-2 ISP, aufgrund ihrer Größe und lokalen Bedeutung wird sie häufig als Tier-1 ISP behandelt Tier-2 ISP bezahlt Tier-1 ISP für Konnektivität zum Rest des Internets: Tier- 2 ISP ist Kunde eines Tier-1 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP Tier-1 ISP Tier-1 ISP Tier-1 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISPs führen auch direktes Peering durch Tier-2 ISP

30 Struktur des Internets Tier-3 ISPs und lokale ISPs Lokale und Tier-3 ISPs sind Kunden von Tier-1 und Tier-2 ISPs, welche sie mit dem Rest des Internets verbinden Zugangsnetzwerke (last hop, access network) lokaler ISP lokaler ISP Tier-3 ISP Tier-2 ISP Tier-1 ISP Tier-2 ISP lokaler ISP lokaler ISP Tier-1 ISP lokaler ISP Tier-2 ISP Tier-1 ISP Tier-2 ISP lokaler ISP lokaler ISP Tier-2 ISP lokaler ISP

31 Kapitel 1: Orientierung 1.1 Geschichte des Internet 1.2 Was ist das Internet? 1.3 Randbereich des Netzwerkes Endsysteme, Zugangsnetzwerke, Leitungen 1.4 Inneres des Netzwerkes Leitungs- und Paketvermittlung, Netzwerkstruktur 1.5 Verzögerung, Verlust und Durchsatz in paketvermittelten Netzwerken 1.6 Protokollschichten, Dienste

32 Wie entstehen Paketverluste und Verzögerungen? Pakete warten in den Puffern von Routern wenn die Ankunftsrate die Kapazität der Ausgangsleitungen übersteigt Vier Quellen der Verzögerung Verarbeitung im Knoten Warten auf die Übertragung Übertragungsverzögerung Ausbreitungsverzögerung

33 Autokolonne als Analogie 100 km 100 km Autokolonne mit 10 Autos Mautstation Mautstation Autos breiten sich mit 100 km/h aus Mautstation benötigt 12 Sekunden zur Abfertigung (Übertragung) eines Autos Auto ~ Bit; Kolonne ~ Paket Frage: Wie lange dauert es, bis die Kolonne vor der zweiten Mautstation steht?

34 Autokolonne als Analogie Teil km 100 km Autokolonne mit 10 Autos Mautstation Mautstation Autos breiten sich nun mit 1000 km/h aus Mautstation benötigt nun 60 s, um ein Auto abzufertigen Frage: Werden Autos der Kolonne vor der zweiten Mautstation ankommen, bevor alle anderen Autos die erste Station passiert haben?

35 Paketverlust Warteschlange vor einer Ausgangsleitung hat endlich viele Pufferplätze Wenn alle Pufferplätze belegt sind, werden neu ankommende Pakete verworfen: Paketverlust Verlorene Pakete können vom vorangegangenen Knoten oder vom Sender erneut übertragen werden oder auch gar nicht! A Puffer (Warteschlange) Übertragung B Pakete, die ankommen, wenn die Warteschlange voll ist, gehen verloren!

36 Durchsatz Durchsatz: Rate (Bit/Zeiteinheit), mit der Daten zwischen Sender und Empfänger ausgetauscht werden Unmittelbar: Rate zu einem gegebenen Zeitpunkt Durchschnittlich: Rate über einen längeren Zeitraum Server sendet Bits (Wasser) in die Leitung Leitung, die Wasser mit der Rate R s Bit/s weiterleiten kann Leitung, die Wasser mit der Rate R c Bit/s weiterleiten kann

37 Durchsatz im Internet Durchsatz für Ende-zu-Ende- Verbindungen: min(r c,r s,r/10) In der Realität: Häufig sind R c oder R s die Engpässe R s R s R s R c R c R c 10 Verbindungen teilen sich den Engpass des Backbone-Netzwerkes R

38 Kapitel 1: Orientierung 1.1 Geschichte der Computernetzwerke 1.2 Was ist das Internet? 1.3 Randbereich des Netzwerkes Endsysteme, Zugangsnetzwerke, Leitungen 1.4 Inneres des Netzwerkes Leitungs- und Paketvermittlung, Netzwerkstruktur 1.5 Verzögerung, Verlust und Durchsatz in paketvermittelten Netzwerken 1.6 Protokollschichten, Dienste

39 Protokollstapel des Internets Anwendungsschicht: Unterstützung von Netzwerkanwendungen FTP, SMTP, HTTP Transportschicht: Datentransfer zwischen Prozessen TCP, UDP Netzwerkschicht (auch Vermittlungsschicht): Weiterleiten der Daten von einem Sender zu einem Empfänger IP, Routing-Protokolle Sicherungsschicht: Datentransfer zwischen benachbarten Netzwerksystemen PPP, Ethernet Bitübertragungsschicht: Bits auf der Leitung We reject kings, presidents and voting. We believe in rough consensus and running code (Dave Clark) T-Shirt IETF