3. Vorlesung Netzwerke

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1 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS2012 1/26 3. Vorlesung Netzwerke Dr. Christian Baun Hochschule Darmstadt Fachbereich Informatik

2 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS2012 2/26 Heute Protokolle TCP/IP-Referenzmodell Hybrides Referenzmodell OSI-Referenzmodell

3 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS2012 3/26 Polybios-Chiffre (2. Jahrhundert vor Christus) Die Suche nach effizienten Kommunikationsformen ist kein neuzeitliches Problem Beispiel: Die Signalisierungsmethode von Polybius, auch Polybios-Chiffre oder Fackeln des Polybios genannt Die 24 Buchstaben des griechischen Alphabets stehen im Polybios-Quadrat, einer 5x5-Matrix α β γ δ ɛ 2 ζ η θ ι κ 3 λ µ ν ξ o 4 π ρ σ τ υ 5 φ χ ψ ω Man kann auch jedes andere Alphabet verwenden Soll es das deutsche Alphabet sein, muss man aber einen Buchstaben weglassen Aus den Koordinaten der Buchstaben in der Matrix ergibt sich deren Kodierung

4 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS2012 4/26 Polybios-Chiffre Fackeln des Polybios Zur optischen Übertragung der kodierten Nachtrichten werden bei jedem Kommunikationsteilnehmer Fackeln hinter einem Sichtschutz postiert Werden Fackeln angehoben, sind sie aus großer Entfernung sichtbar Im einfachsten Fall hält der Sender in seiner linken Hand die Fackeln der ersten Gruppe zur Bekanntgabe der Zeilennummer (Y-Koordinate) und in seiner rechten Hand die Fackeln der zweiten Gruppe gehoben, um die Spaltennummer (X-Koordinate) zu signalisieren α β γ δ ɛ 2 ζ η θ ι κ 3 λ µ ν ξ o 4 π ρ σ τ υ 5 φ χ ψ ω

5 Polybios-Chiffre Fackeln des Polybios Vorgehensweisen Um die Qualität der Kommunikation zu verbessern, sind verschiedene Vorgehensweisen denkbar Vorschlag für den Verbindungsaufbau: Man könnte zum Verbindungsaufbau auf der Senderseite zwei Fackeln anheben, um die Sendeabsicht zu übermitteln Das anschließende heben von zwei Fackeln auf der Empfängerseite signalisiert Empfangsbereitschaft Das anschließende Senken der Fackeln auf beiden Seiten schließt den Verbindungsaufbau ab Vorschlag für die Informationsübertragung: Um ein Zeichen zu senden, hebt der Sender zuerst die Fackeln der ersten Gruppe zur Bekanntgabe der Zeilennummer Danach werden die Fackeln gesenkt und die Fackeln der zweiten Gruppe gehoben, um die Spaltennummer zu signalisieren Abschließend werden die Fackeln wieder gesenkt Die hier beschriebenen Vorgehensweisen zum Verbindungsaufbau und zur Datenübertragung sind beispiele Beispiele für Protokolle Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS2012 5/26

6 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS2012 6/26 Protokolle Ein Protokoll ist die Menge aller vorab getroffenen Vereinbarungen zwischen Kommunikationspartnern Zu den Vereinbarungen gehören: Regeln zum Aufbau und Abbau von Verbindungen und deren Nutzung Art und Weise der Synchronisation von Sender und Empfänger Maßnahmen zur Erkennung und Behandlung von Übertragungsfehlern Definition gültiger Nachrichten (Vokabular) Format und Kodierung von Nachrichten Protokolle definieren die Syntax, also das Format gültiger Nachrichten und mit der Semantik das Vokabular gültiger Nachrichten und deren Bedeutung

7 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS2012 7/26 Schichtenmodelle Kommunikation in Computernetzen ist in Schichtenmodelle unterteilt Jede Schicht (Layer) behandelt einen bestimmten Aspekt der Kommunikation und bietet Schnittstellen zur darüberliegenden und darunterliegenden Schicht Jede Schnittstelle besteht aus einer Menge von Operationen, die zusammen einen Dienst definieren In den Schichten werden die Daten gekapselt (= Datenkapselung) Weil jede Schicht in sich abgeschlossen ist, können einzelne Protokolle verändert oder ersetzt werden, ohne alle Aspekte der Kommunikation zu beeinflussen Die bekanntesten Schichtenmodelle sind das TCP/IP-Referenzmodell, das OSI-Referenzmodell und das hybride Referenzmodell

8 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS2012 8/26 TCP/IP-Referenzmodell bzw. DoD-Schichtenmodell Wurde ab 1970 vom Department of Defense (DoD) entwickelt Die Aufgaben der Kommunikation wurden in 4 aufeinander aufbauende Schichten unterteilt Dieses Referenzmodell wurde im Rahmen des Arpanet entwickelt und ist die Basis des Internet Für jede Schicht ist festgelegt, was sie zu leisten hat Diese Anforderungen müssen Kommunikationsprotokolle realisieren Die konkrete Umsetzung wird nicht vorgegeben und kann unterschiedlich sein Daher existieren für jede der vier Schichten zahlreiche Protokolle Nummer Schicht Protokolle (Beispiele) 4 Anwendungsschicht HTTP, FTP, SMTP, POP3, DNS, SSH, Telnet 3 Transportschicht TCP, UDP 2 Internetschicht IP (IPv4, IPv6), ICMP, IPsec, IPX 1 Netzzugangsschicht Ethernet, WLAN, ATM, FDDI, PPP, Token Ring

9 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS2012 9/26 TCP/IP-Referenzmodell Nachrichtenaufbau Jede Schicht fügt einer Nachricht zusätzliche Informationen als Header hinzu Einige Protokolle (z.b. Ethernet) fügen in der Netzzugangsschicht nicht nur einen Header, sondern auch einen Trailer am Ende der Nachricht an Header (und Trailer) wertet der Empfänger auf gleicher Schicht aus

10 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS /26 Hybrides Referenzmodell Das TCP/IP-Referenzmodell wird in der Literatur häufig (u.a. bei Andrew S. Tanenbaum) als fünfschichtiges Modell dargestellt Grund: Es ist sinnvoll, die Netzzugangsschicht in zwei Schichten aufzuteilen, weil diese völlig unterschiedliche Aufgabenbereiche haben Dieses Modell ist eine Erweiterung des TCP/IP-Modells und heißt hybrides Referenzmodell Die Aufgaben der einzelnen Schichten werden anhand des hybriden Referenzmodells diskutiert

11 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS /26 Bitübertragungsschicht Physical Layer Wird auch Physische Schicht genannt Ist für das Übertragen der Einsen und Nullen zuständig Das Protokoll bestimmt unter anderem: Wie viele Bits können pro Sekunde gesendet werden? Kann die Übertragung in beide Richtungen gleichzeitig stattfinden? Physischer Anschluss an das Netz Umsetzung der Daten in Signale Protokolle der Bitübertragungsschicht definieren u.a. wie viele Bits pro Sekunde gesendet werden können und ob die Übertragung in beide Richtungen gleichzeitig stattfinden kann Treten bei der Übertragung der einzelnen Bits durch die Bitübertragungsschicht Fehler auf (ist in der Realität die Regel), ist ein Verfahren notwendig um diese Fehler zu erkennen und zu korrigieren Das ist die Hauptaufgabe der Sicherungsschicht

12 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS /26 Sicherungsschicht Data Link Layer (1/2) Soll fehlerfreien Datenaustausch gewährleisten Treten bei der Übertragung der Bitfolgen Fehler auf (das kommt in der Realität häufig vor) ist ein Verfahren nötig um diese Fehler zu erkennen Das ist einer der Aufgaben der Sicherungsschicht Zudem regeln die Protokolle der Sicherungsschicht den Zugriff auf das Übertragungsmedium (z.b. via CSMA/CD oder CSMA/CA) Die Sicherungsschicht grenzt die Bitfolgen in Rahmen (engl. Frames) ab, markiert deren Anfang und überträgt sie mit der gewünschten Zuverlässigkeit innerhalb eines physischen Netzes von einem Netzwerkgerät zum anderen Für die Zustellung der Rahmen auf einem physischen Netzwerk sind physische Netzadressen (MAC-Adressen) nötig, deren Format die Sicherungsschicht definiert

13 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS /26 Sicherungsschicht Data Link Layer (2/2) Zur Fehlererkennung fügen die Protokolle der Sicherungsschicht jedem Rahmen eine Prüfsumme an Fehlerhafte Rahmen können vom Empfänger erkannt und entweder verworfen oder sogar korrigiert werden Erneutes Anfordern verworfener Rahmen sieht die Sicherungsschicht nicht vor Auf der Netzzugangsschicht können ausschließlich Rahmen zwischen Netzwerkgeräten innerhalb eines physischen Netzes versendet werden Die Verbindung unterschiedlicher physische Netze geschieht mit Bridges und Layer-2-Switches (Multiport-Bridges)

14 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS /26 Vermittlungsschicht Network Layer Weitervermittlung von Daten (Paketen) zwischen logischen Netzen, also über physische Übertragungsabschnitt hinweg Für dieses Internetworking definiert die Internetschicht logische Adressen (IP-Adressen) Router begrenzen logische Netze Das Routing, also das Weiterleiten von Paketen auf dem Weg vom Sender zum Empfänger, ist eine Aufgabe dieser Schicht Meist wird das verbindungslose Internetprotokoll IP (Internet Protocol) verwendet Jedes IP-Paket wird unabhängig an sein Ziel vermittelt (geroutet) und der Pfad dabei nicht aufgezeichnet Andere Internetprotokolle wie IPX wurden von IP weitgehend verdrängt

15 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS /26 Transportschicht Transport Layer Ermöglicht den Transport von Daten (Segmenten) zwischen Prozessen auf unterschiedlichen Geräten über sog. Ende-zu-Ende-Protokolle Während die Netzzugangsschicht und die Internetschicht Netzwerkgeräte physisch und logisch adressieren, werden in dieser Schicht die laufenden Prozesse mit Portnummern adressiert Sorgt dafür, dass die Daten der Vermittlungsschicht korrekt an die richtigen Anwendungen ausgeliefert werden Teilt die Daten beim Sender mit Transportprotokollen in kleinere Teile (Segmente) auf, die das Protokoll der Vermittlungsschicht weiterleitet Es existieren unterschiedliche Kommunikationsformen, die die Transportprotokolle anbieten UDP (User Datagram Protocol): Verbindungslose Kommunikation TCP (Transport Control Protocol): Verbindungsorientierte Komm. Kombination TCP/IP ist De-facto Standard für Computernetze

16 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS /26 Unterschiedliche Kommunikationsformen Verbindungslose Kommunikation Funktioniert analog zum Briefkasten Sender verschickt Nachrichten, ohne zuvor eine Verbindung aufzubauen Nachteil: Keine Kontrolle, das ein Segment ankommt Ist Kontrolle gewünscht, muss sie in der Anwendungsschicht erfolgen Vorteil: Höherer Datendurchsatz, da weniger Overhead anfällt Verbindungsorientierte Kommunikation Funktioniert analog zum Telefon Vor dem Datenaustausch wird zwischen Sender und Empfänger eine Verbindung aufgebaut Sie bleibt auch bestehen, wenn keine Daten übertragen werden Nach dem Datenaustausch wird die Verbindung wieder abgebaut Ermöglicht Datenflusskontrolle und Überlastkontrolle Sichert die verlustfreie Lieferung der Segmente in korrekter Reihenfolge Es gibt somit eine Zustellungsgarantie

17 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS /26 Anwendungsschicht Application Layer Enthält alle Protokolle, die mit Anwendungsprogrammen (z.b. Browser oder -Programm) zusammenarbeiten Hier befinden sich die eigentlichen Nachrichten (z.b. HTML-Seiten oder s) entsprechend dem jeweiligen Anwendungsprotokoll Beispiele für Anwendungsprotokolle: HTTP, FTP, SMTP, POP3, DNS, SSH, Telnet

18 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS /26 Ablauf der Kommunikation (1/2) Vertikale Kommunikation Eine Nachricht wird von oben nach unten Schicht für Schicht verpackt und beim Empfänger in umgekehrter Schichtreihenfolge wieder entpackt Data Encapsulation (Datenkapselung) und De-encapsulation

19 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS /26 Ablauf der Kommunikation (2/2) Horizontale Kommunikation Auf den gleichen Schichten von Sender und Empfänger werden jeweils die gleichen Protokollfunktionen verwendet Die Schichten können jeweils den der Schicht entsprechenden Zustand des Datenpakets verstehen

20 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS /26 OSI-Referenzmodell Einige Jahre nach dem TCP/IP-Referenzmodell (1970er Jahre) wurde das OSI-Referenzmodell ab 1979 entwickelt und 1983 von der Internationalen Organisation für Normung (ISO) standardisiert OSI = Open Systems Interconnection Der Aufbau ist dem TCP/IP-Referenzmodell ähnlich Das OSI-Modell verwendet aber 7 Schichten Im Gegensatz zum hybridem Referenzmodell sind die Aufgaben der Anwendungsschicht beim OSI-Referenzmodell auf 3 Schichten aufgeteilt

21 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS /26 Sitzungsschicht Session Layer (1/2) Aufgaben: Aufbau, Überwachung und Beenden einer Sitzung Eine Sitzung ist die Grundlage für eine virtuelle Verbindung zwischen zwei Anwendungen auf physisch unabhängigen Rechnern Funktionen zur Dialogkontrolle (welcher Teilnehmer gerade spricht) Der Verbindungsaufbau und Verbindungsabbau einer Sitzung sind hier ebenfalls definiert Bereitstellung von Kontrollpunkten, die in längeren Datenübertragungen zur Synchronisierung eingebaut werden können Kommt es zum Verbindungsabbruch, kann zum letzten Kontrollpunkt zurückgekehrt werden und die Übertragung muss nicht von vorne beginnen

22 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS /26 Sitzungsschicht Session Layer (2/2) Beispiele Protokolle, die den geforderten Fähigkeiten der Sitzungsschicht entsprechen: Telnet zur Fernsteuerung von Rechnern und FTP zur Übertragung von Dateien Allerdings können diese Protokolle auch der Anwendungsschicht zugeordnet werden Die Anwendungsschicht enthält die Protokolle, die die Anwendungsprogramme verwenden Da FTP und Telnet direkt von den entsprechenden Anwendungsprogrammen verwendet werden und nicht von abstrakteren Protokollen in höheren Ebenen, ist es sinnvoller die Protokolle der Sitzungsschicht der Anwendungsschicht zuzuordnen Aus diesem Grund gilt die Sitzungsschicht in der Praxis als verzichtbar Die Sitzungsschicht wird in der Praxis kaum benutzt, da alle dieser Schicht zugedachten Aufgaben heute Anwendungsprotokolle erfüllen

23 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS /26 Darstellungsschicht Presentation Layer Enthält Regeln zur Formatierung (Präsentation) der Nachrichten Der Sender kann den Empfänger informieren, dass eine Nachricht in einem bestimmten Format (z.b. ASCII) vorliegt, um die eventuell nötige Konvertierung beim Empfänger zu ermöglichen Datensätze können hier mit Feldern (z.b. Name, Matrikelnummer... ) definiert werden Art und Länge der Datentypen können definiert werden Auch die Art und Länge der Datentypen sowie Kompression und Verschlüsselung sind der Darstellungsschicht zugedachte Aufgabenbereiche Die Darstellungsschicht wird in der Praxis kaum benutzt, da alle dieser Schicht zugedachten Aufgaben heute Anwendungsprotokolle erfüllen

24 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS /26 Unterteilung der Schichten des OSI-Referenzmodell Schicht Deutsche Bezeichnung Englische Bezeichnung 7 Anwendungsschicht Application Layer 6 Darstellungsschicht Presentation Layer 5 Sitzungs- bzw. Kommunikationsschicht Session Layer 4 Transportschicht Transport Layer 3 Netzwerk- bzw. Vermittlungsschicht Network Layer 2 Sicherungsschicht Data Link Layer 1 Bitübertragungsschicht Physical Layer Man kann die sieben Schichten in zwei Gruppen aufteilen 1 Die unteren vier Schichten enthalten die Transportmechanismen für die Datenübertragung im Netzwerk Schichten 1 und 2 enthalten die Netzwerktechnologie Schichten 3 und 4 enthalten die Protokolle (z.b. TCP/IP) 2 Die oberen drei Schichten sind anwendungsorientiert Sie sind die Schnittstelle zu den Benutzern und deren Anwendungen

25 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS /26 Fazit zu den Referenzmodellen (1/2) Das TCP/IP-Referenzmodell gilt als Basis des Internet Macht Vorgaben welche Funktionalitäten in den jeweiligen Schichten zu erbringen sind, aber nicht wie das zu geschehen hat Das OSI-Referenzmodell ist dem TCP/IP-Referenzmodell sehr ähnlich Beide Modelle unterscheiden sich nur in zwei Punkten Beim OSI-Referenzmodell sind die Aufgaben der Netzzugangsschicht auf die Bitübertragungsschicht und Sicherungsschicht aufgeteilt Die Aufgaben der Anwendungsschicht sind beim OSI-Referenzmodell auf Sitzungsschicht, Darstellungsschicht und Anwendungsschicht aufgeteilt

26 Dr. Christian Baun 3. Vorlesung Netzwerke Hochschule Darmstadt SS /26 Fazit zu den Referenzmodellen (2/2) Das hybride Referenzmodell hat seine Berechtigung, weil das TCP/IP-Referenzmodell nicht zwischen Bitübertragungs- und Sicherungsschicht unterscheidet, dabei sind deren Aufgabenbereiche vollkommen unterschiedlich Die Trennung der Anwendungsschicht in drei Schichten hat sich nicht als sinnvoll herausgestellt und findet in der Praxis nicht statt Die Funktionalitäten, die für die Sitzungsschicht und Darstellungsschicht vorgesehen sind, sind heute Teil der Protokolle und Dienste in der Anwendungsschicht Fazit: Das hybride Referenzmodell bildet die Funktionsweise von Computernetzen realistisch ab Es unterscheidet die Bitübertragungsschicht und Sicherungsschicht Es unterteilt die Anwendungsschicht nicht Es kombiniert die Vorteile des TCP/IP-Referenzmodells und des OSI-Referenzmodells, ohne deren jeweilige Nachteile zu übernehmen