Allgemeines Prinzip der Schichtung

Transkript

1 Kommunikationsnetze 3. Geschichtete Kommunikationssysteme Grundlagen ISO/OSI-Referenzmodell Internet-Referenzmodell Tunneling Allgemeines Prinzip der Schichtung Ziel: Architektur zur Darstellung, Modellierung und Realisierung von Kommunikationsvorgängen 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 72 1

2 Das Medium als Diensterbringer Sender Empfänger Zugangspunkt Zugangspunkt Übertragungskanal Medium 73 Bsp. Briefkommunikation I Information (Sender) Nachricht Zugriff auf den Dienst, den das Medium anbietet Information (Empfänger) Text bla bla Verteilzentrum Verteilzentrum Text bla bla abstraktes Medium 74 2

3 vertikale Kommunikation Allgemeines Prinzip der Schichtung Dienstnehmer 1 Dienstnehmer 2 Dienst Dienst Diensterbringer 1 Protokoll Diensterbringer 2 75 Geschichtetes Kommunikationssystem Anwendung horizontale Kommunikation Schnittstelle Anwendung horizontale Kommunikation... Zugangspunkt Schicht N... vertikale Kommunikation abstraktes Medium für Schicht N physikalisches Medium 76 3

4 Bsp. Briefkommunikation II Information (Sender) horizontale Kommunikation Schnittstelle Information (Empfänger) horizontale Kommunikation... Zugangspunkt... Schicht N abstraktes Medium für Schicht N physikalisches Medium 77 ISO/OSI * -Basisreferenzmodell Ziel: Beschreibung von Kommunikationsvorgängen Kompatibilität und Interoperabilität von Systemen unterschiedlicher Hersteller durch offene Schnittstellen und Spezifikationen = offenes System Internationale Standardisierung von Diensten und Protokollen Wichtig: Das Modell dient als Denkmodell, anhand dessen sich Kommunikationssysteme erklären und klassifizieren lassen. Vorrangig für öffentliche Netze Kurzform: OSI-Modell, OSI-Schichtenmodell Standard: ISO/IEC , 1994 ( Standards/s020269_ISO_IEC_7498-1_1994(E).zip) Übernahme durch ITU-T in X.200, X.207, * ISO = International Organization for Standardization OSI = Open System Interconnection 78 4

5 Prinzipien des OSI-Schichtenmodells OSI - Endsystem Rechnersysteme, die sich bei der Kommunikation an OSI-Standards halten (N) - Schicht (Layer) Sämtliche Einheiten einer (N)-Hierarchiestufe in allen Endsystemen (N) - Instanz (Entity) Prozess(e) zur Realisierung eines (N)-Dienstes in der (N)-Schicht ( gestartete Implementierung) Verschiedene Ausprägungen einer (N)-Instanz möglich Eine Ausprägung einer (N)-Instanz entspricht einem Vorkommnis der (N)- Instanz. Partnerinstanzen (Peer-Entities) miteinander kommunizierende Instanzen einer Schicht Partnerinstanzen erfüllen Funktionen eines Dienstes durch Datenaustausch. 79 Vertikaler Datenaustausch zwischen den Schichten innerhalb eines Knotens (N+1)-Schicht (N)-Schicht (N)-PCI (N)-SDU SAP (N)-IDU (N)-ICI (N)-PDU (N )-PCI (N)-SDU (N-1)-ICI (N-1)-Schicht SAP (N-1)-IDU (N-1)-SDU (N-1)-ICI 80 5

6 OSI - Kommunikationseinheiten, Beschreibung (N) - Schnittstellendateneinheiten Interface Data Unit, IDU Zwischen (N+1)- und (N)-Instanzen über einen (N)-SAP ausgetauschte Dateneinheit. Setzt sich zusammen aus (N)-ICI und (N)-SDU. (N) - Schnittstellenkontrollinformation Interface Control Information, ICI Zwischen (N)-Schicht und (N+1)- Schicht ausgetauschte Parameter zur Steuerung von Dienstfunktionen (z.b. Adressen). (N) - Dienstdateneinheiten Service Data Unit, SDU Daten, die transparent zwischen (N)- SAPs übertragen werden. (N) - Protokollkontrolldaten Protocol Control Information, PCI Daten, die zwischen (N)-Instanzen ausgetauscht werden, um die Ausführung von Operationen zu steuern (z.b. Folgenummern o.ä.). (N) - Protokolldateneinheit Protocol Data Unit, PDU Dateneinheit, die zwischen (N)- Instanzen unter Benutzung eines Dienstes der (N-1)-Schicht ausgetauscht wird. Setzt sich zusammen aus (N)-PCI und (N)-SDU. Entspricht somit der (N-1)-SDU. 81 Kommunikation innerhalb und zwischen OSI - Systemen (N+1)-Schicht (N)-Dienste (N)-IDU (N)-IDU (N)-Dienste (N)-Instanz Protokoll (N)-PDU (N)-Instanz (N-1)-Dienste (N-1)-IDU (N-1)-IDU (N-1)-Dienste (N-1)-Schicht 82 6

7 Die OSI - Schichten im Überblick Anwendungsschicht Darstellungsschicht Kommunikationssteuerungsschicht Transportschicht Vermittlungsschicht Bitübertragungsschicht Schicht 7 (A - Schicht) Schicht 6 (P - Schicht) Schicht 5 (S - Schicht) Schicht 4 (T - Schicht) Schicht 3 (N - Schicht) Schicht 2 (DL - Schicht) Schicht 1 (Ph - Schicht) Application Layer Presentation Layer Session Layer Transport Layer Network Layer Data Link Layer Physical Layer 83 Bezeichnungskonventionen (N)-Schicht A -Schicht: Anwendungsschicht (Application Layer) P -Schicht: Darstellungsschicht (Presentation Layer) S -Schicht: Kommunikationssteuerungsschicht (Session Layer) T -Schicht: Transportschicht (Transport Layer) N -Schicht: Vermittlungsschicht (Network Layer) DL -Schicht: (Data Link Layer) Ph -Schicht: Bitübertragungsschicht (Physical Layer) (N)-Dienstprimitive (N)-Dienst.typ Ph DL N T... -Connect -Data -Disconnect -Abort -....Req (Request, Anforderung).Ind (Indication, Anzeige).Rsp (Response, Antwort).Cnf (Confirmation, Bestätigung) Dienstprimitive in der A-Schicht werden gemäß ihres Application Service Element (ASE) benannt. 84 7

8 Bezeichnungskonventionen am Beispiel DL-Connect.Req DL- Connect.Cnf DL-Connect.Ind DL-Connect.Rsp Datenaustausch DL-Data.Req DL-Data.Req DL-Data.Ind DL-Data.Ind Verbindungsabbau Verbindungsaufbau DL- Disconnect.Req DL-Disconnect.Ind 85 Bitübertragungsschicht und Bitübertragungsschicht (Schicht 1) ungesicherte Verbindung zwischen direkt benachbarten Systemen Übertragung unstrukturierter Bitfolgen über physikalisches Medium umfasst u.a. physikalische Anschlüsse, Umsetzung Daten Signale (Schicht 2) gesicherter Datentransfer Zerlegung des Bitstroms (Schicht 1) in Rahmen (Frames) Fehlererkennung und -behandlung Protokollmechanismen: Quittierung, Zeit-/Sequenzüberwachung, Wiederholen/Rücksetzen Schicht 2 Schicht

9 Daten und Signale ungesicherte Daten gesicherte Daten Signale fehlerbereinigte Daten u.u. fehlerbehaftete Daten Bitübertragungsschicht Bitübertragungsschicht u.u. gestörte Signale Störanfälliges Medium Übertragungskanal 87 Vermittlungsschicht und Transportschicht Vermittlungsschicht (Schicht 3, auch 'Netzwerkschicht') verknüpft Teilstreckenverbindung Wegewahl (Vermittlung, Routing) ggf. Staukontrolle verbindungslos oder -orientiert Transportschicht (Schicht 4) Adressierung von Transportdienstbenutzern Datentransfer zwischen Endsystemen Transparenz bzgl. Übertragungs- und Vermittlungstechnik, Subnetzen verbindunglos oder -orientiert Endsystem Zwischensystem Endsystem 88 9

10 Anwendungsorientierte Schichten Kommunikationssteuerungsschicht (Schicht 5) Ablaufsteuerung und -koordinierung, Synchronisation Sitzung (Session) ergibt erst Sinn bei Verwendung durch den Benutzer Darstellungsschicht (Schicht 6) Darstellung (Syntax) bzw. Interpretation (Semantik) von Informationen Anwendungsschicht (Schicht 7) Zugriff für OSI-Benutzer je nach Anwendung z.b. für: Dateitransfer zuverlässiger Nachrichtenaustausch entfernter Prozeduraufruf 89 OSI: Die 7 Schichten Schicht 7 Schicht 6 Schicht 5 Schicht 4 Endsystem Vermittlungsnetz Anwendungsschicht Darstellungsschicht Komm.-steuerungsschicht Transportschicht Endsystem Schicht 7 Schicht 6 Schicht 5 Schicht 4 Schicht 3 Vermittlungsschicht Schicht 3 Schicht 3 Vermittlungsschicht Schicht 3 Schicht 2 Schicht 2 Schicht 2 Schicht 2 Schicht 1 Bitübertragungsschicht Schicht 1 Schicht 1 Bitübertragungsschicht Schicht

11 Senden Empfangen Einkapselung von Daten AH Application Header NH Network Header PH Presentation Header DLH Data Link Header SH Session Header DLT Data Link Trailer TH Transport Header Daten AH Daten Anwendungsschicht Anwendungsschicht PH Dateneinheit Darstellungsschicht Darstellungsschicht Kommunikationssteuerungsschicht SH Dateneinheit Kommunikationssteuerungsschicht Transportschicht TH Dateneinheit Transportschicht Vermittlungsschicht NH Dateneinheit Vermittlungsschicht DLH Dateneinheit DLT Bitübertragungsschicht Bits Bitübertragungsschicht 91 OSI: Implementierungsbeispiel Telefax Gr.4 T.563, T.521, T.503, T.400-Serie T.6 T.62 T.70 I.450, I451 I.440, I.441 I.430, I.431 Terminal Characteristics for Group 4 Facsimile Apparatus, Communication Application Profile BTO for Document Bulk Transfer Based on the Session Service, A Document Application Profile for the Interchange of Group 4 Facsimile Documents, Introduction to document architecture, transfer and manipulation, Dimensional Compression Standard Control Procedures for the TELETEX Service Network Independent Basic Transport Service for TELETEX ISDN User-Network Interface (Layer 3 General Aspects) ISDN User-Network Interface (Layer 3 Specification) ISDN User-Network Interface (Data Link Layer - General Aspects), ISDN User-Network Interface (Data Link Layer Specification) ISDN Basic User-Network Interface (Layer 1 Specification), ISDN Primary Rate User-Network Interface (Layer 1 Specification) Anwendungsschicht Darstellungsschicht Kommunikationssteuerungsschicht Transportschicht Vermittlungsschicht Bitübertragungsschicht 92 11

12 Verbindung und Assoziation (N) - Verbindung (Connection) Beziehung zwischen zwei (oder mehr) (N+1)-Instanz-Vorkommnissen auf Ebene der (N)-Schicht (Unterstützung durch (N)-Protokoll) (N+1) - Assoziation (Association) Kooperative Beziehungen zwischen zwei (N+1)-Instanz-Vorkommnissen (z.b. Verwaltung von Zustandsinformationen) Unterstützung durch (N)-Verbindung (oder (N)-verbindungslosen Dienst) Möglichkeit der Nutzung verschiedener (N)-Verbindungen (N+1)-Instanz (N+1) - Assoziation (N+1)-Instanz (N)-Instanz (N) - Verbindung (N)-Instanz 93 Instanz und Vorkommnis Instanz = konkrete Umsetzung einer Funktionalität, z.b.: Start eines Programms parallele Instanziierung möglich, z.b.: mehrmaliges Starten eines Programmes Vorkommnisse = parallele Ausführung gleicher Funktionalitäten innerhalb einer Instanz, z.b.: mehrfaches Öffnen eines neuen Dokumentes in Word gestartetes Programm Word ist die Instanz die Ausprägung durch das jeweils geöffnete Dokument ist das Vorkommnis mindestens ein Vorkommnis je Instanz Unterschied für den User nicht unbedingt erkennbar, z.b.: Öffnen von Tabs im Browser: IE und Chrome: jeder Tab = eine eigene Instanz Mozilla: jeder Tab = ein neues Vorkommnis (Erst das Öffnen eines weiteren Mozilla-Browsers startet eine weitere Instanz.) 94 12

13 Internet-Referenzmodell Motivation OSI komplex und hoher Implementierungsaufwand (viele Schnittstellen) Funktionen der oberen drei Schichten i.d.r. anwendungsabhängig Zusammenfassung sinnvoll Hardware und Zugriffsprotokoll (Schichten 1 und 2) bilden in den meisten Fällen eine Einheit Zusammenfassung sinnvoll Ziel Vereinfachung des Modells Berücksichtigung praxisrelevanter Notwendigkeiten 95 Das Internet- bzw. TCP-IP-Referenzmodell Application Layer (Anwendungsschicht) Transport Layer (Transportschicht) Network Layer (Internetschicht) Anwendungsspezifische Funktionen zusammengefasst in Anwendungsprotokollen Ende-zu-Ende-Datenübertragung zwischen zwei Rechnern Wegewahl im Netz auch Internet Layer genannt Network-to-Host Layer (Netzzugangsschicht) Schnittstelle zum physikalischen Medium 96 13

14 TCP/IP: Implementierungsbeispiel Webdienst HTTP TCP IP IEEE Hypertext Transfer Protocol Transmission Control Protocol Internet Protocol Ethernet Application Layer Transport Layer Network Layer Network-to-Host Layer 97 Tunneling Tunnel Was ist das? Einbettung eines Kommunikationsprotokolls in ein anderes Kommunikationsprotokoll Transparenz bzgl. Netzwerk (getunnelte Pakete = Nutzdaten) Transparenz bzgl. getunneltes Protokoll (Netzwerk unsichtbar für getunneltes Protokoll) Kommunikationszugriff auf das getunnelte Protokoll nur an den Tunnelenden Hinweis: Tunneling Kapselung, aber Kapselung Tunneling Beispiele: private/virtuelle Netzwerke Ende-zu-Ende-Verschlüsselung IP-Tunneling (IPv4 versus IPv6) egal -Netzwerk Mobile IP IP-Paket IP-Paket 98 14

15 Bsp. IPv4-Tunnel für IPv6-Pakete IPv4-Paket IPv6-Paket Application IPv6- R1 IPv4- R1 IPv4-Netzwerk IPv4- R2 IPv4- R3 IPv6- R2 IPv6-Paket Transport Network Network-to- Host (N-t-H) IPv6 IPv4 N-t-H N-t-H IPv6 IPv4 IPv4 IPv4 IPv4 N-t-H N-t-H N-t-H N-t-H N-t-H N-t-H N-t-H N-t-H 99 Bsp. Dateizugriff über VPN (Virtual Private Network) - Anwendersicht Arbeitsplatz in der Firma Heimarbeitsplatz Firmennetzwerk Application Transport Network Client für Dateizugriff Netzwerk für Mitarbeiter einer Firma (hier) nur interner Verkehr kein Zugriff von außen kein Zugriff nach außen scheinbar alleinige Nutzung der Infrastruktur Client für Dateizugriff

16 Bsp. Dateizugriff über VPN (Virtual Private Network) - Technik Arbeitsplatz in der Firma Heimarbeitsplatz Internet VPN-Gateway Router Router VPN-Gateway Application Client für Dateizugriff SSH Tunneln von und gemeinsame Nutzung der Infrastruktur mit Fremden SSH Client für Dateizugriff Transport TCP I TCP I Network IP I IP I IP I IP I 101 Bsp. Dateizugriff über VPN (Virtual Private Network) - Gesamtansicht Heimarbeitsplatz VPN-Gateway Firmennetzwerk Internet Router Router Arbeitsplatz in der Firma VPN-Gateway Application Client für Dateizugriff SSH SSH Client für Dateizugriff Transport TCP I TCP I Network IP I IP I IP I IP I

17 Literatur KRÜGER, G.; RESCHKE, D. (Hrsg.): Lehr- und Übungsbuch Telematik: Netze Dienste Protokolle. 3. aktualisierte Auflage. München, Wien : Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, ISBN SEITZ, J.; DEBES, M.; HEUBACH, M.; TOSSE, R.: Digitale Sprach- und Datenkommunikation. Netze - Protokolle Vermittlung. München, Wien : Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, ISBN TANENBAUM, A.S.: Computernetzwerke. 4. überarbeitete Auflage. München; San Francisco; Harlow (England) : Pearson Studium / Prentice Hall, ISBN ABECK, SEBASTIAN; LOCKEMANN, PETER C.; SCHILLER, JOCHEN; SEITZ, JOCHEN: Verteilte Informationssysteme. Integration von Datenübertragungstechnik und Datenbanktechnik. Heidelberg: dpunkt Verlag, ISBN BOCKER, PETER : ISDN Digitale Netze für Sprach-, Text-, Daten-, Video- und Multimediakommunikation. 4. Auflage. Berlin,Heidelberg, New York, Barcelona, Budapest, Hongkong, London, Mailand, Paris, Santa Clara, Singapur, Tokyo : Springer-Verlag, ISBN X. BOCKER, PETER: ISDN Das diensteintegrierende digitale Nachrichtennetz: Konzept, Verfahren, Systeme. Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo : Springer- Verlag, ISBN