Rechnernetze und verteilte Systeme (BSRvS II)

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1 Rechnernetze und verteilte Systeme (BSRvS II) WS 2010/2011 Prof. Dr. Heiko Krumm FB Informatik, LS IV, AG RvS Universität Dortmund Computernetze und das Internet Anwendung Transport Vermittlung Verbindung Multimedia Sicherheit Netzmanagement Middleware Verteilte Algorithmen H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 1

2 Literatur Zentrale Literatur J. F. Kurose, K. W. Ross: Computernetze; Pearson Studium 2002 bzw. die neuere englische Ausgabe: J. F. Kurose, K. W. Ross: Computer Networking, 3rd Ed., Pearson 2005 Weitere Empfehlungen A. Tanenbaum: Computer Netwerke; Pearson Studium 2000 D. E. Comer: Computernetzwerke und Internets; Pearson Studium L. L. Peterson, B. S. Davie: Computernetze; dpunkt Verlag H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 2

3 Folien Zusammenstellung aus folgenden Quellen: Foliensatz zum Buch J. F. Kurose, K. W. Ross: Computernetze; Pearson Studium 2002 Foliensatz der Vorlesung Betriebssysteme, Rechnernetze und verteilte Systeme II, WS 2003/2004, H. Wedde, LS III Foliensatz der Vorlesung Betriebssysteme, Rechnernetze und verteilte Systeme II, WS 2006/2007, H. Krumm, LS IV Foliensatz der Vorlesung Betriebssysteme, Rechnernetze und verteilte Systeme II, WS 2007/2008, P. Buchholz, LS IV Foliensatz des Kurses Computer Networks, SS 2004, S. Lam, University of Texas at Austin Foliensatz der Vorlesung Rechnernetze und verteilte Systeme, WS2002/2003, H. Krumm, LS IV Zusätzliche neue Folien H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 3

4 Rechnernetze und verteilte Systeme Rechnernetz: Durch Telekommunikationssystem verbundene Rechnerknoten Telekommunikationssystem: System, das Teilnehmern Kommunikationsdienste anbietet (in der Regel selbst durch Rechnernetz implementiert) Verteiltes System: Anwendung, deren Komponenten sich an verschiedenen Orten befinden, Komponenten sind in Rechnernetz installiert, werden lokal von den Rechnerknoten ausgeführt und kommunizieren miteinander mit Hilfe eines Telekommunikationssystems. H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 4

5 Besonderheiten verteilter Systeme Kommunikation unzuverlässig, teuer, langsam Entfernung Lose Kopplung Kommunikation selten Synchronisation schwach Fehlertoleranz Nebenläufigkeit (Concurrency) weitgehend unabhängige Fortschritte Dezentrale Kontrolle weitgehende Autonomie Instanz lokale Kontrolle auf Basis partieller Sichten Instanz vollständige Sicht des globalen Systemzustands wird vermieden, da das zu teuer ist (Einfrieren) Instanz H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 5

6 ... Verteilung verdeckbar? Unzuverlässigkeit! t HH Treffen am in Dortmund?! Bitte quittieren! Ok! Aber bitte Quittung der Quittung quittieren! Ok! Aber bitte Quittung quittieren! erreicht! M Gäbe es ein Protokoll, das dieses mit n Nachrichten leisten könnte, dann müsste es auch den Verlust der letzten Nachricht tolerieren, also dieses auch mit (n-1) Nachrichten leisten können. Dann müsste es auch den Verlust der (n-1)-ten Nachricht tolerieren, Vollständig zuverlässige Übereinkunft unter Fristsetzung ist nicht möglich! H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 6

7 Anwendungen: Trends H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 7

8 Anwendungen: Trends H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 8

9 Anwendungen: Trends H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 9

10 Anwendungen: Trends H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 10

11 Anwendungen: Trends Eigenschaften Nebenläufigkeit Systemgröße Systemlebensdauer Örtliche Verteilung Veränderungen (Umgebungen und Anforderungen) Anpassungen Erweiterungen Entwicklungslinien Web-Orientierung Dienste-Orientierung (SOA) Ubiquität und Mobilität H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 11

12 Rechnernetze Datennetz (Internet) Rechner Verbindungseinrichtung WAN Nomadic Computing LAN Mobile Computing H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 12

13 Rechnernetz - Übersicht Endsystem Endsystem TS TS TS Endsystem Öffentliches Vermittlungsnetz TS TS Lokales Netz Hub Endsystem Endsystem Kommunikationssystem Hub Lokales Netz Endsystem Rechner Peripherie H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 13

14 Dienstleistende Systeme Instanzen Menge von Dienstnehmern Dienstnehmer Dienstnehmer Dienstnehmer Diensterbringer (offenes Subsystem) Kommunikation vertikale Kommunikation» Abwicklung von Dienstleistungen Diensterbringer zwischen Dienstnehmer und Dienstleister horizontale Kommunikation» zwischen Dienstnehmern Kommunikationssysteme in der Zeit Datenhaltungssystem im Raum Telekommunikationssystem» Dienstleistungen dienen dem Nachrichtenaustausch zwischen Dienstnehmern» Diensterbringer interpretiert Nachrichten nicht H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 14

15 Kommunikationsdienst User User Dienstzugangspunkt User Dienstleistung Kommunikationsdienst Dienstleistung Ein Kommunikationsdienst bietet Teilnehmern Dienstleistungen zum Nachrichtenaustausch an. Wichtige Eigenschaften der Dienstleistungen betreffen: Partneradressierung Datagramme (verbindungslose Kommunikation, z.b. UDP) Verbindungsorientierung: Verbindungen und virtuelle Verbindungen (z.b. TCP) Zwei- / Mehrpartner-Kommunikation (Uni- / Multi- / Broadcast) Richtung (Simplex, Duplex, Halbduplex) H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 15

16 Kommunikationsdienst Sichten Statische Sicht Die Dienstschnittstelle, ist gegliedert in Dienstzugangspunkte, welchen Dienstadressen zugeordnet sind. Dynamische Sicht An der Dienstschnittstelle treten im Verlauf der Zeit Ereignisse auf: Die Anforderung und Ausführung einer Dienstleistung repräsentiert sich in zusammengehörigen Dienststimuli und Dienstreaktionen t Briefkasten Schlossallee Briefkasten Hauptpost Stimulus Briefeinwurf Wohnungsbriefkasten Maier Dienstleistung Brieftransfer Wohnungsbriefkasten Maier Reaktion Briefauslieferung H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 16

17 Dienstnehmer-Rollen und Dienstformen Zentrale Idee zur Nutzung von Ressourcen in Rechnernetzen: Anbieten und Aufrufen von Diensten Initiator Anrufer Client Kunde Rollen Beantworter Ausführer Server Dienstleister Request Anforderung Request Anforderung Confirmation Bestätigung Grundformen Unbestätigter Dienst Indication Anzeige Bestätigter Dienst Indication Anzeige Response Antwort H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 17

18 Kommunikationsformen Partneranzahl Unicast (2 Partner) Broadcast (an alle) Multicast (an eine Gruppe) H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 18

19 Kommunikation und Kontext Datagramme und Verbindungen Kommunikation ohne Kontext Datagram Dienst enthält alle benötigten Informationen z.b. Brief, Telegramm, UDP-Datagramm Kommunikation im Kontext Verbindung Verbindung wird aufgebaut, Kommunikation entlang der Verbindung, Verbindung wird abgebaut z.b. Telefon, TCP-Verbindung H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 19

20 Kommunikationsdienste Richtungsbetrieb simplex duplex halbduplex A B A B A B t Z.B. Feuermelder, Sensoren Z.B. Telefon Z.B. Wechselsprechanlage H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 20

21 Kommunikationsdienst - Nachrichtenreihenfolge Verbindungsendpunkt Dienstzugangspunkt Auslieferungsdisziplin: reihenfolgentreu (FIFO) zufällig priorisierte FIFO-Queues Verbindung puffert wie Queue Nachricht H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 21

22 8 h Kommunikationsdienst: Qualität Leistung Nachrichtenlaufzeit, Verzögerung Durchsatz (Bandbreite, Bitrate) Entfernung Zuverlässigkeit Verfügbarkeit Fehler Verlust, Verfälschung, Vertauschung, HH 775 km Kosten Grundkosten Dienstleistungskosten Datensicherheit Verfälschung / Integrität Vertraulichkeit Zurechenbarkeit M x t H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 22

23 Kommunikationsdienst: Zuverlässigkeit / Fehler / Störungen H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 23

24 Protokolle: Ablauf in der Zeit H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 24

25 Protokolle: Definition Ziel-Kommunikationsdienst Instanz Instanz Schicht Instanz Basis-Kommunikationsdienst Ein Protokoll ist eine Menge von Regeln und Formaten (semantisch und syntaktisch), die das Kommunikationsverhalten von Instanzen zur Ausführung von Funktionen regelt (ISO 7498). Alle Kommunikationsaktivitäten im Internet werden von Protokollen bestimmt. Protokollstandards ermöglichen die Offenheit des Internets für Komponenten unterschiedlichster Bauart. H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 25

26 Protokolle: Definition Ziel-Kommunikationsdienst Instanz Instanz Schicht Instanz Basis-Kommunikationsdienst PDU Ein Kommunikationsprotokoll definiert das Kommunikationsverhalten von Instanzen, welche einen Basis-Kommunikationsdienst nutzen, um einen (höherwertigen) Ziel- Kommunikationsdienst zu erbringen. Es wird definiert über: Zieldienst Basisdienst Instanzenverhalten PDU-Formate H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 26

27 Schichtung von Diensten und Protokollen Steuermann (Brücke) Nachrichtentransportsystem Maschinen- Telegraph H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 27

28 Kommunikation Arbeit Schichtung von Diensten und Protokollen User mit Kooperationsbeziehung Schiff fahren Direkt anwendungsbezogene Kommunikationsdienstleistungen: - Übertrage Volle Kraft voraus Allgemeine Nachrichtenübermittlung - Übertrage winkelcodierte Nachricht H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 28

29 Schichtung von Diensten und Protokollen Schicht 3: - erbrachter Dienst - Instanzen und Protokoll der Schicht Schicht 2: - erbrachter Dienst - Instanzen und Protokoll der Schicht Schicht 1: - erbrachter Dienst - Instanzen und Protokoll der Schicht Basisdienst Medium (Schicht 0) H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 29

30 Internet Millionen vernetzter Computer (Endsysteme, Hosts) PCs, Server Toaster, Cola-Automaten Kommunikationsleitungen Kupfer-, Glasfaserleitungen, Funk, Satellitenfunk Transitsysteme (Router) leiten Daten weiter H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 30

31 Internet - Struktur Netz-Peripherie: End-Systeme (PCs, Workstations, Server) Netz-Kern: Transitsysteme (Router, ein Netz von Netzen) Subnetze Teilnetze Übertragungsmedien: Kommunikationsleitungen H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 31

32 Internet - Peripherie End-Systeme (Hosts) beherbergen Applikationen und Server-Programme sind Endpunkte der Verbindung Client-Server-Modell Client stellt Anfragen und erhält Service Server ist immer verfügbar Peer-To-Peer-Modell keine dedizierten Server z. B. KaZaA H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 32

33 Internet Datentransportdienste Ziel: Datentransfer zwischen End-Systemen TCP Transmission Control Protocol [RFC793] verbindungsorientiert Zuverlässiger Datentransfer in richtiger Reihenfolge UDP User Datagram Protocol [RFC768] verbindungslos / Datagramm Unzuverlässiger Datentransfer H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 33

34 Internet Kern Geflecht von verbundenen Routern Wie werden die Daten durch das Netz übertragen? Leitungsvermittlung (circuit switching) pro Verbindung eine Leitung (Telefonnetz) Paketvermittlung (packet switching) Daten werden in einzelnen Paketen durch das Netz geschickt (Briefpost) H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 34

35 Netz-Kerne (allgemein): Multiplexing Benutzung einer Verbindungsleitung durch mehrere Verbindungen Die Netz-Resource (z. B. Bandbreite) wird aufgeteilt. Die Teile werden einzelnen Verbindungen zugeteilt. Keine Mitbenutzung unbenutzer Teile durch andere Verbindungen. Die Aufteilung der Bandbreite erfolgt durch Frequenzmultiplexing (frequency division) oder Zeitmultiplexing (time division). H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 35

36 Netz-Kerne (allgemein): Multiplexing H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 36

37 Netz-Kerne (allgemein): Paketvermittlung Der Datenstrom wird in separat zu transportierende Pakete aufgeteilt. Mehrere Verbindungen teilen sich eine Leitung. Jedes Paket nutzt die volle Bandbreite. Die Ressourcen werden nach Bedarf genutzt. Keine garantierte Bandbreite für den Datenstrom. Die Summe der benötigten Ressourcen kann die Summe der vorhandenen übersteigen. Pakete im Puffer warten auf freie Ressource (Store and Forward - Prinzip). H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 37

38 Netz-Kerne (allgemein): Routing Datagramm-Netz Die Zieladresse bestimmt den nächsten Hop. Verschiedene Pakete desselben Datenstroms können unterschiedliche Wege nehmen. Virtual-Circuit Netz (VC, virtuelles Leitungsnetz) Jedes Paket hat eine Marke (Tag), die den nächsten Hop bestimmt. Pfad wird beim Verbindungsaufbau festgelegt. Router speichern Verbindungsdaten. H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 38

39 Netz-Kerne (allgemein): Taxonomie H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 39

40 Physikalische Medien Verdrillte Adernpaare (geschirmt, ungeschirmt) Koaxialkabel Glasfaser Funkkanäle (erdgebunden, Satelliten) H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 40

41 Verzögerung in Paketnetzen Knoten-Verarbeitung Warteschlangen-Aufenthalt Übertragungsverzögerung (Paketlänge und Übertragungsrate) Signalverzögerung (Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signale in Medium) H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 41

42 Verzögerung-Bandbreiten-Produkt Relative Bedeutung von Nachrichtenlaufzeit und Bandbreite für kurze Nachrichten (z.b. 1 Byte) ist die Laufzeit (z.b. 1 ms gegenüber 300 ms) wichtiger als die Bandbreite (z.b. 1 Mbps gegenüber 1 Gbps). für lange Nachrichten (z.b. 600 Mbyte) ist die Bandbreite wichtiger als die Laufzeit. Produkt aus Bandbreite x Laufzeit Es entspricht der Datenmenge, die sich im Transit befinden kann. Beispiel Bei 100 ms Laufzeit und 45 Mbps Bandbreite können sich bis zu 560 Kbyte Daten im Transit befinden H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 42

43 Schichtung von Diensten und Protokollen H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 43

44 Schichtenmodelle ISO/OSI Kommunikation Offener Systeme Basis-Referenzmodell allgemeines Modell, das sich auf die logische Architektur konzentriert (Welche Funktionen können in welchem Zusammenhang in einer Kommunikation auftreten?) (ISO 7498) TCP/IP Internet-Protokollstack Für (beinahe) alle Systeme implementiert. (RFCs, IEEE-Normen) H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 44

45 ISO/OSI-Basisreferenzmodell Anwendungsprozess Anwendungsprozess 2-1 Transportsystem H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 45

46 ISO/OSI-Basisreferenzmodell: Schichten Anwendungsschicht (Application Layer) höchste Ebene, stellt die Kommunikationsdienstleistungen bereit, die direkt von einer Anwendung benötigt werden Beispiel: Übertrage das Kommando eine Datei zu öffnen Darstellungsschicht (Presentation Layer) reicht die Dienstleistungen des Session-Dienstes weiter stellt Dienstleistungen bereit, mit denen sich Anwendungsprozesse über die Syntax der Nachrichten abstimmen können Kommunikationssteuerungsschicht (Session Layer) bietet Dienstleistungen an, die zur Eröffnung, Durchführung und Beendigung einer Kommunikationsbeziehung (Session) nötig sind Dienstleistungen zur Realisierung anwendungsnaher Fehlerbehandlungsmaßnahmen: Synchronisation, Wiederaufsetzen, Stornieren, Unterbrechen, Wiederaufnehmen H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 46

47 ISO/OSI-Basisreferenzmodell: Schichten Transportschicht (Transport Layer) erweitert Endsystemverbindungen (Rechner Rechner) zu Anwenderverbindungen (Anwender Anwender) Anwender = Anwendungsprozesse behandelt Ende-zu-Ende-Qualitätsaspekte Vermittlungsschicht (Network Layer) unterstützt beliebige Konnektivität im Netz Sicherungsschicht (Data Link Layer) stellt zuverlässige Links zur Verfügung Flußkontrolle, Fehlererkennung und -korrektur Bitübertragungsschicht (Physical Layer) stellt ungesicherte Links für die Übertragung von Bitfolgen zur Verfügung. bildet Transportsystem bildet Datennetz je Link H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 47

48 ISO/OSI-Basisreferenzmodell: Begriffe Instanz Instanz Ziel-Kommunikationsdienst Schicht Instanz Basis-Kommunikationsdienst PDU (N)-Schicht (N)-layer Alle Instanzen einer Hierarchie-Ebene (peer-entities). Diese kommunizieren über den Basiskommunikationsdienst (N-1)-Dienst und erbringen den Zielkommunikationsdienst (N)-Dienst. (N)-Dienst (N)-service Fähigkeit der (N)-Schicht (und der Schichten darunter), die der (N+l)-Schicht an der Grenze zwischen (N)-Schicht und (N+l)-Schicht zur Verfügung gestellt wird. (N)-Protokoll (N)-protocol Verhaltens- und Formatfestlegungen (semantisch und syntaktisch) zum Kommunikationsverhalten der (N)-Instanzen. H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 48

49 ISO/OSI-Basisreferenzmodell: Begriffe Instanz Instanz Ziel-Kommunikationsdienst Schicht Instanz Basis-Kommunikationsdienst PDU (N)-Dienstzugangspunkt (N)-service-access-point Punkt, an dem der (N)-Dienst den (N+1)-Instanzen (oder Nutzern) zur Verfügung gestellt wird. (N)-Adresse (N)-address Kennung, zur Identifikation eines (N)-Dienstzugangspunkts. (N)-Protokolldateneinheit (N)-PDU (N)-protocol data unit Nachricht welche (N)-Instanz gemäß (N)-Protokoll einer anderen (N)-Instanz sendet, besteht aus (N)-Protokollkontrollinformation: (N)-PCI Nutzdaten der (N+1)-Instanzen PCI PDU Nutzdaten H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 49

50 TCP/IP Protokollstapel (Protocol Stack) H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 50

51 TCP/IP Protokollstapel application layer unterstützt verteilte Applikationen (umfasst die ISO/OSI-Schichten 5, 6 und 7) Anwendungsprotokolle FTP, SMTP, HTTP, SNMP, DNS, transport layer Datenübertragung von Anwendung zu Anwendung (Port zu Port) Transportprotokolle TCP, UDP network layer transportiert (routet) Datagramme von Endsvstem zu Endsystem Internet-Protokoll IP, Routing- Protokolle data link layer Datentransfer zwischen benachbarten Systemen PPP, Ethernet, physical layer Bitübertragung auf der Leitung oder im Funkkanal RS-232, Ethernet, H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 51

52 Beispiel für lokales TCP/IP-Netz H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 52

53 Logische Kommunikation - Transportschicht H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 53

54 Physikalische Kommunikation H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 54