Networking Basics. Peter Puschner Institut für Technische Informatik

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1 Networking Basics Peter Puschner Institut für Technische Informatik

2 Why Networking? Communication Computation speedup (Parallelisierung von Subtasks) Load balancing ardware preference (z.b. Nutzung spezieller W) Software preference (SW auf bestimmten Knoten) Data transfer Data access (Prozess Migration statt Datentransfer) Distributed application (Embedded Systems) Fehlertoleranz Peter Puschner, TU Wien 2

3 Strategies Data Migration Computation Migration (z.b. Remote Procedure Call) Process Migration Peter Puschner, TU Wien 3

4 Network Structure (WAN) Wide-Area Network (WAN) große geographische Ausdehnung Punkt-zu-Punkt Verbindungen über große Entfernungen Typische Übertragungsrate: Mbit/sec Broadcast erfordert Versenden mehrerer Nachrichten Knoten: Workstations, PCs, Mainframes Peter Puschner, TU Wien 4

5 WAN Communication network host user processes CP user processes host OS CP CP CP host OS communication processor communication subsystem Peter Puschner, TU Wien 5

6 Network Structure (LAN) Local-Area Network (LAN) kleine geographische Ausdehnung (bis etwa 10km) Multi-access Bus, Ring, Stern Übertragungsrate: 10 Mbit/sec 1 Gbit/sec Broadcast: schnell, billig Knoten: Workstations, PCs, ev. Mainframe(s) Peter Puschner, TU Wien 6

7 Communication Networks Topology physikalische Verbindungsstruktur Naming, Name Resolution Lokalisierung der Kommunikationspartner Routing Connection Strategy Aufbau logischer Verbindungen Contention Auflösung von Zugriffskonflikten Peter Puschner, TU Wien 7

8 Network Topology Installationskosten Kosten der physikalischen Verbindung? Kommunikationskosten wie lange ist eine Nachricht unterwegs? Zuverlässigkeit Effekt des Ausfalls von Knoten Peter Puschner, TU Wien 8

9 Network Topologies fully connected partially connected Tree Star Ring Peter Puschner, TU Wien 9

10 Naming, Name Resolution Spezifikation des Kommunikationspartners (Rechner und Prozess) < hostname, identifier > Name Resolution: Zuordnung: Name è ost ID Fixe Übersetzungstabelle per ost Domain-name system (DNS) IP Adressen aus Teilen (Bsp.: mail.tuwien.ac.at) Adressauflösung von hinten nach vorne Anfrage an Name Server für jeden Teil liefert Adresse des Name Servers für Sub-Domain, usw. Peter Puschner, TU Wien 10

11 DNS Lookup Bsp.: DNS Lookup von mail.tuwien.ac.at 1. Kernel sendet Anfrage um Adresse des Name Servers für Domain ac.at an Server für Domain at (letzterer muss bekannt sein) 2. at Server liefert Adresse des Name Servers für ac.at 3. Kernel fragt ac.at Server um Adresse für tuwien.ac.at 4. Anfrage an resultierende Adresse liefert Internet-Adresse für mail.tuwien.ac.at è Peter Puschner, TU Wien 11

12 Routing Welchen Weg nimmt ein Nachrichtenpaket? Routing Table Info. über Alternativen, Geschwindikeit, Kosten automatisches oder manuelles Update Routing Strategien Fixed Routing: fixer Weg von A nach B Virtual Circuit: Weg von A nach B pro Session fix; Nachrichtenreihenfolge bleibt erhalten Dynamic Routing: Pfad einer Nachricht wird beim Senden bestimmt; Out-of-order Arrival möglich Peter Puschner, TU Wien 12

13 Connection Strategies Wie wird eine Communication Session zwischen zwei Prozessen realisiert? Circuit Switching: permanente physikalische Verbindung für die Dauer der Session Message Switching: Temporäre Verbindung für die Dauer einer Nachrichtenübertragung Packet Switching: Nachrichten variabler Länge werden in Paketen gleicher Länge übertragen; Pfade der Pakete können verschieden sein Setup Time versus Overhead bei Übertragung Peter Puschner, TU Wien 13

14 LAN: Contention Auflösung von Zugriffskonflikten, wenn Prozesse gleichzeitig Daten am Netzwerk senden wollen: CSMA/CD: carrier sense, multiple access (CSMA), with collision detection (CD) Sendebeginn, wenn freies Medium erkannt wird Abbruch und neulicher Versuch nach Zufallsintervall, wenn Kollision erkannt wird Viele Kollisionen bei ochlast Einsatz in Ethernet Peter Puschner, TU Wien 14

15 LAN: Contention (2) Token Passing: eine speziell ausgezeichnete Nachricht (token) wird laufend unter den Knoten im Kreis weitergegeben Wenn ein Knoten im Besitz des Tokens ist, kann er eine Nachricht senden Weitergabe des Tokens nach dem Senden, bzw. wenn der Knoten nichts zu senden hat Physikalische oder logische Ringstruktur Spezielle Protokolle zur Generierung des Tokens am Anfang bzw. bei Tokenverlust Peter Puschner, TU Wien 15

16 Communication Protocols Kommunikationsprotokoll Satz von Regeln und Konventionen für die Kommunikation von Daten definiert Syntax, Semantik und Synchronisation typische Eigenschaften von Protokollen Identifikation der physikalischen Verbindung, des Kommunikationspartners Verbindungsaufbau, -abbau Beginn, Ende, Formatierung von Botschaften Flusskontrolle, Fehlerbehandlung Peter Puschner, TU Wien 16

17 Communication Protocols (2) Verwendung von geschichteten Protokollen (Protocol Stacks), um Komplexität zu beherrschen Schicht (Layer) n bietet der Schicht n+1 ein Interface mit Service Access Points (SAPs) Schicht n verwendet Services der Schicht n-1, um eigene Services zu implementieren Kommunikationspartner: Einheiten des gleichen Layers auf den kommunizierenden Knoten Beispiele: OSI Referenzmodell, TCP/IP Protokollsuite Peter Puschner, TU Wien 17

18 host A process A application presentation session transport network data-link physical OSI Layers network device network data-link physical host B process B application presentation session transport network data-link physical Peter Puschner, TU Wien 18

19 OSI-Protocol Layers (1) OSI-Schichtenmodell der Netzwerkkommunikation Physical Layer: mechanische und elektrische Codierung für Übertragung von Bit Streams Data-link Layer: gesicherte Übertragung von Frames auf dem Physical Layer (Flusskontrolle, Fehlererkennung und Korrektur) Network Layer: liefert Verbindungen und Routing von Paketen (Interpretation von Adressen, Verwaltung von Routing Informationen, Routing) Peter Puschner, TU Wien 19

20 OSI-Protocol Layers (2) Transport Layer: Transfer von Daten zwischen Komm.-Endknoten, Partitionierung von Nachrichen, Ordnen von Paketen Session Layer: Realisiert Verbindungen zwischen Prozessen (Sessions); Kommunikation für Remote Login, File oder Mail Transfer Presentation Layer: Auflösung unterschiedlicher Formate (Syntax, Semantik) Application Layer: Interaktion mit Applikationen; File Transfer, Remote Login Protokolle, Peter Puschner, TU Wien 20

21 Interfaces and Services layer n+1 interface ICI IDU SDU service access point (SAP) layer n ICI SDU header SDU layer n comm. n-pdu ICI interface control information, IDU interface data unit SDU service data unit, PDU protocol data unit Peter Puschner, TU Wien 21

22 OSI Communication process A header data process B application application presentation presentation session session transport transport network data-link CRC network data-link physical bit stream physical Peter Puschner, TU Wien 22

23 OSI versus TCP/IP OSI Layers TCP/IP Layers TCP/IP Protocol Suite application presentation session application FTP SMTP TTP telnet pop transport transport TCP UDP network internet IP ICMP data-link physical network interface Ethernet Token Ring/Bus FDDI Peter Puschner, TU Wien 23

24 Zusammenfassung Schichtung von Protokollebenen zur Komplexitätsreduktion Verteilte Services erlauben Optimierung durch Migration Erweiterte Services, Beschleunigung, Fehlertoleranz Kosten Management, Konsistenthaltung Peter Puschner, TU Wien 24