Fachhochschule Würzburg-Schweinfurt. Wintersemester 2006/2007. Prüfung im Fach. Verteilte Systeme. (Prof. Dr.-Ing. Ludwig Eckert)

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1 Fachhochschule Würzburg-Schweinfurt Wintersemester 2006/2007 Prüfung im Fach Verteilte Systeme (Prof. Dr.-Ing. Ludwig Eckert) Datum: , Uhr, Raum 5102 Dauer: 90 Minuten Erreichte Punktzahl:... Note:... Hilfsmittel: ohne schriftliche Unterlagen, Taschenrechner erlaubt Vorname:... Name:... Matrikelnr:... Erstprüfer:... Zweitprüfer:... Wichtige Hinweise: Bitte tragen Sie alle Antworten auf den folgenden Seiten direkt im Anschluss an die Aufgabentexte ein. Ergebnisse auf Zusatzblättern werden nur in begründeten Ausnahmefällen gewertet. Inhaltsverzeichnis Seite 1 von 20

2 Aufgabe 1: Netzwerke in der Automatisierungstechnik Klassifizieren Sie die dispositiven und die operativen Automatisierungsebenen anhand folgender Merkmale. Kriterien Operative Automatisierungsebenen Dispositive Automatisierungsebenen Datenübertragungsmenge Antwortzeiten der Datenübertragung Datenübertragungshäufigkeit Anforderung hinsichtlich Echtzeitfähigkeit Aufgabe 2: Geben Sie an auf welche Weise ein analoges Prozesssignal eines Elementarsensors mit einem übergeordneten Steuerungsrechner signalseitig verbunden werden kann. Seite 2 von 20

3 Aufgabe 3: Stellen Sie das Buszugriffsverfahren 1-persistant CSMA und das non-persistant CSMA grafisch gegenüber und diskutieren Sie die Vor- und Nachteile beider Verfahren. Seite 3 von 20

4 Aufgabe 4: Skizzieren Sie den prinzipiellen Ablauf des Buszugriffsverfahren CSMA/CD. Seite 4 von 20

5 Aufgabe 5: Durch welche technischen Maßnahmen werden die Übertragungseigenschaften beim RS485-Bussystem verbessert? Skizzieren und beschreiben Sie fünf Maßnahmen. Teilnehmer 1 Teilnehmer 2 Seite 5 von 20

6 Aufgabe 6: Klassifizieren Sie die Begriffe Simplex, Half-Duplex und Full-Duplex. Fertigen Sie jeweils eine Skizze mit den erforderlichen Komponenten an. Aufgabe 7: Geben Sie bitte die wesentlichen Bestandteile eines Datenübertragungsprotokolls an. Erläutern Sie die Funktion der einzelnen Bestandteile. Seite 6 von 20

7 Aufgabe 8: Gegeben ist nachstehend ein Programmausschnitt zur Implementierung der Zustandsmaschine des Empfängers für das XMODEM-Protokoll: Das XMODEM-Protokoll wird vom Empfänger gesteuert. Der Empfänger agiert, der Sender reagiert. Alle Aktionen werden im Fehlerfalle bis zu 10-mal wiederholt. Der Empfänger sendet am Anfang der Übertragung alle 10 Sekunden ein NAK -Zeichen, um dem Sender anzuzeigen, dass der Empfänger bereit ist Daten entgegen zu nehmen. Der Sender hat eine einzige lange Timeout-Phase von ungefähr einer Minute. Erhält der Sender in dieser Zeit kein NAK, so bricht er ab. Erhält er ein NAK-Zeichen, so sendet er den ersten Block. Der Empfänger versucht beim anfänglichen Senden der NAK-Zeichen in den 10 Sekunden langen Pausen ein SOH-Zeichen zu empfangen. Sobald dies der Fall ist, beginnt die Übertragung, und der Empfänger versucht jetzt mit einer Sekunde Timeout die restlichen Zeichen des Blockes zu empfangen. Hierbei überprüft der Empfänger die richtige Reihenfolge der Blocknummern, die Richtigkeit der komplementierten Blocknummer und die Richtigkeit der Prüfsumme. Ist dies alles in Ordnung, so sendet der Empfänger ein ACK-Zeichen (Acknowledge ASCII Code 5), das den Sender veranlasst, den nächsten Block zu senden. Trat jedoch ein Fehler auf, so wird das Zeichen NAK gesendet, und der Sender sendet denselben Block noch einmal. Ist der Sender mit der Übertragung fertig, so sendet er ein EOT-Zeichen (End of Text ASCII Code 4). Der Empfänger bestätigt dies ein letztes Mal mit einem ACK-Zeichen. Nachstehend wird der Vorgang nochmals grafisch wieder gegeben. Sender <SOH> 01 FE DATEN <xx> --> <-- Sendet alle 10 Sekunden ein NAK <-- ACK Empfänger <SOH> 02 FD DATEN xx --> Daten sind ungültig <-- NAK <SOH> 02 FD DATEN <xx> --> <-- ACK <SOH> 03 FC DATEN <xx> --> Übertragungsfehler <-- NAK <SOH> 03 FC DATEN <xx> --> EOT --> <-- ACK <-- ACK Seite 7 von 20

8 Zugehörige Programmimplementierung (nicht vollständig): state=0; while (1) { switch (state) { case 0: // Sende ein ASCII "NAK" zur Sende-Aufforderung putc('nak'); state=1; break; } case 1: if (getc() == SOH) { for (i=0; i<132; i++) buffer[i]=getc(); state=2; } else state=0; break; case 2: if (xmodem_crc(buffer)!= 0) putc(nak); else { save_buffer(buffer); putc(ack); } state=3; break; case 3: c=getc(); if (c == SOH) { for (i=0; i<132; i++) buffer[i]=getc(); state=2; } else if (c == EOT) { putc(ack); state=0; } else state=0; break; Bild 1: C-Programm zur Implementierung des empfängerseitigen Protokollzustandsautomaten beim Übertragungsprotokoll XMODEM Seite 8 von 20

9 Aufgabe 8.1: Welche Aspekte des Datenübertragungsprotokolls wurden in der Codierung nicht berücksichtigt? Aufgabe 9: Gegeben ist die nachstehende Protokollbeschreibung für die sender- und empfängerseitige Protokollmaschine gemäß dem XMODEM-Protokollstandard. Das XMODEM-Protokoll wird vom Empfänger gesteuert und dient zur Übertragung von Dateien. Alle Aktionen sollen im Fehlerfall bis zu 10 mal wiederholt werden. Der Empfänger sendet am Anfang der Übertragung alle 10 Sekunden ein NAK -Zeichen, um dem Sender anzuzeigen, dass der Empfänger bereit ist Daten entgegen zu nehmen. Sendet der Empfänger am Anfang der Übertragung alle 10 Sekunden ein C -Zeichen, dann zeigt er dem Sender damit an, dass alle nachfolgenden Datenpakete mit einer gültigen Prüfsumme zu versehen sind. Die Prüfsumme wird beim Sender berechnet und beim Empfänger ausgewertet. Der Sender hat eine einzige lange Timeout-Phase von ungefähr einer Minute. Erhält der Sender in dieser Zeit kein NAK, so bricht er ab. Erhält er ein NAK-Zeichen, so sendet er den ersten Block. Der Empfänger versucht beim anfänglichen Senden der NAK-Zeichen in den 10 Sekunden langen Pausen ein SOH-Zeichen zu empfangen. Sobald dies der Fall ist, beginnt die Übertragung, und der Empfänger versucht jetzt mit einer Sekunde Timeout die restlichen Zeichen des Blockes zu empfangen. Hierbei überprüft der Empfänger Seite 9 von 20

10 die richtige Reihenfolge der Blocknummern, die Richtigkeit der komplementierten Blocknummer und die Richtigkeit der Prüfsumme. Ist dies alles in Ordnung, so sendet der Empfänger ein ACK-Zeichen (Acknowledge ASCII Code 5), das den Sender veranlasst, den nächsten Block zu senden. Trat jedoch ein Fehler auf, so wird das Zeichen NAK gesendet, und der Sender sendet denselben Block noch einmal. Ist der Sender mit der Übertragung fertig, so sendet er ein EOT-Zeichen (End of Text ASCII Code 4). Der Empfänger bestätigt dies ein letztes Mal mit dem ACK-Zeichen. Nachstehend wird der Vorgang nochmals grafisch wieder gegeben. Sender Empfänger <SOH> 01 FE DATEN <xx> --> <-- Sendet alle 10 Sekunden ein NAK <-- ACK <SOH> 02 FD DATEN xx --> Daten sind ungültig <-- NAK <SOH> 02 FD DATEN <xx> --> <-- ACK <SOH> 03 FC DATEN <xx> --> Übertragungsfehler <-- NAK <SOH> 03 FC DATEN <xx> --> EOT --> <-- ACK <-- ACK Weitere Anmerkungen zu den State Tables n+ ist die aktuelle Blocknummer, d. h. n-1 stellt die vorherige Blocknummer dar. Das + steht für die Inkrementierung des Zählers r+ ist ein Wiederholungszähler, nach 10 fehlerhaften Übertragungen wird der aktuelle Vorgang abgebrochen und der Ausgangszustand wieder erreicht. Der Benutzer erhält eine Fehlermeldung. Das + steht für die Inkrementierung des Zählers Ein action n+ hat automatisch ein Reset des Wiederholungszählers r zur Folge, also r = 0. Das bedeutet, dass ein erfolgreich übertragener Datenblock automatisch zu einem Reset des Wiederholungszählers r führt. Die dreieckigen Klammern, z. B. < NAK > stellen den Empfang des Zeichen NAK dar. Seite 10 von 20

11 Bild: XMODEM PROTOCOL STATE TABLE - Senderseitige Protokollmaschine Bild: XMODEM PROTOCOL STATE TABLE - Empfängerseitige Protokollmaschine Seite 11 von 20

12 Aufgabe 10: Erstellen Sie auf Basis der obigen Protokollbeschreibung das senderseitige Zustandsdiagramm zum XMODEM-Protokoll. Seite 12 von 20

13 Aufgabe 11: Gegeben ist nachstehend der sender- und empfangsseitige Zustandsautomat eines Datenübertragungsprotokolls. Aktion: - Datenpacket aufbereiten u. senden - ACK empfangen Aktion: - warte auf Datenpacket - Datenpacket empfangen ACK erhalten Datenpacket gesendet ACK gesendet Datenpacket erhalten Time Out eingetreten (d.h. Quittung nicht rechtzeitig erhalten) Aktion: - warten auf Quittung u. Quittungsempfang - inkrementiere Time Out -Zähler Datenpaket erneut gesendet Aktion: - Datenpaket speichern - ACK senden Wiederholungszähler n nmax Aktion: - Datenpacket senden Aktion: - inkrementiere Wiederholungszähler n - prüfe Wiederholungszähler n Wiederholungszähler n = nmax (d. h. Verbindung gestört) Aktion: - Verbindungsabbruch - Meldung Verbindung ist gestört generieren Legende: Time Out => Wiederholungszähler := Wiederholungszähler + 1; ACK => Nachricht löschen, Wiederholungszähler : = 0; 11.1: Welche Vorkehrungen müssen auf Sende- und Empfangsseite getroffen werden, damit der Übertragungsvorgang insgesamt noch sicherer wird? (Textuelle Beschreibung reicht aus.) Seite 13 von 20

14 11.2: Durch welche prinzipiellen Maßnahmen auf der Sende- und Empfangsseite könnte die Übertragungsdauer bei großen Dateien verkürzt werden? Seite 14 von 20

15 Aufgabe 13: TCP und UDP sind typische Protokolle der Transportschicht. Vergleichen Sie nachfolgend beide Protokolle miteinander. Überblick TCP UDP Name: Name: Charakterisierung Aufgabe 14: Time-to-live oder TTL ist der Name eines Header-Felds des Internetprotokolls. Bild: Aufbau des IP-Rahmens Welchen Zweck erfüllt das Feld TTL? Seite 15 von 20

16 Aufgabe 15: Das nachfolgende Bild zeigt die Ebenen und einige Protokolle des ISO/OSI-Modells. Ordnen Sie den jeweiligen Ziffern die entsprechenden Buchstaben der Protokolle zu, z. B. 1d) a) b) c) d) e) f) h) k) l) m) Address Resolution Protocol (ARP) Domain Name System (DNS) Ethernet, Token Ring, DQDB, FDDI File Transfer Protocol (FTP) Hyper Text Transfer Protocol (http) Internet Control Message Protocol (ICMP) Internet Protocol (IP) Simple Mail Transfer Protocol (SMTP) Telnet Protocol (Telnet) Transmission Control Protocol (TCP) n) Übertragungsmedium Doppelader, Koaxkabel, Lichtwellenleiter, drahtlose Übertragung o) User Datagram Protocol Bild: Protokolle der ISO/OSI Protokollhierarchie Seite 16 von 20

17 Aufgabe 16 Aufgabe 16.1: Zeichnen Sie in das nachstehende Netzwerk mit verschiedenen Farben die Kollisions- und Broadcastdomänen ein und geben Sie die Gesamtzahl der Kollisions- und Broadcastdomänen an. Anzahl der Kollisionsdomänen:... Anzahl der Broadcastdomänen:... Seite 17 von 20

18 Bild: Netzwerktopologie Aufgabe 16.2: Ergänzen Sie die folgenden Aussagen: Beim Einsatz von Hubs... (vergrößert / verkleinert) sich die Kollisionsdomäne, und die Bandbreite wird von allen Hosts gemeinsam genutzt. Beim Einsatz von Switches... (vergrößert / verkleinert) sich die Kollisionsdomäne. Mit Hilfe der Mikrosegmentierung können große... (Kollisionsdomänen / Broadcastdomänen) eliminiert werden, wodurch die LAN-Belastung verringert wird. Broadcasts des ARP-Protokolls können durch... (Router / Switches) isoliert werden. Aufgabe 17: Eine große Versicherungsfirma möchte alle Außenstellen (genau 300 Büros mit jeweils mehreren PCs) des Unternehmens an das zentrale Rechenzentrum anbinden. Der Versicherungsfirma steht das Netzwerk mit der Adresse zur Verfügung. Anforderungen: Jedes Büro soll ein eigenes Subnetz erhalten und die Anzahl ankoppelbarer Rechner pro Subnetz soll maximal sein. Alle Subnetze sollen gleich groß sein (gleiche Anzahl von Hostadressen für alle Subnetze) Aus Kompatibilitätsgründen soll das zero subnet und das broadcast subnet nicht verwendet werden. a) Von welcher Netzklasse ist die Adresse ? (Begründung) b) Wie viele Host-Rechner können maximal in jedem Büro an das Subnetz angeschlossen werden? Seite 18 von 20

19 c) Wie viele Büros können zu einem späteren Zeitpunkt noch angeschlossen werden? d) Wie lautet die Subnetzmaske? e) Machen Sie folgende Angaben für das 1. Büro: - die Netzadresse des Subnetzes: - die Subnetzmaske des Subnetzes: - 1. gültige Hostadresse des Subnetzes: - letzte gültige Hostadresse des Subnetzes: - Broadcast-Adresse des Subnetzes: Aufgabe 18: Im Folgenden soll der PC4 ein IP-Datenpaket an den Rechner PC9 senden. Bitte vervollständigen Sie die MAC- und die IP-Adressen auf dem Weg durch das Netzwerk. Seite 19 von 20

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