Informatik II Computer Netzwerke 15. Dezember 2003 Prof. Bernt Schiele schiele@inf.ethz.ch Assistent: Florian Michahelles florian.michahelles@inf.ethz.ch Heute: Einführung Computer Netzwerke Relevante Literatur: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, 4th. Ed., 2003, Prentice Hall Heute: Kapitel 1 ETH Zürich, Schweiz http://www.inf.ethz.ch/~mavtinf/ 2 Einige Netzwerke: Warum Netzwerke? Telefonnetz: überwiegend Sprachübermittlung Kabelnetzwerk: TV, Filme und Bilder Internet: Webseiten HTML-files: Text + Bilder + Audio +... Text als Email, Word-Dokument, PS-File (Postscript), Pdf-File,... Netzwerke: Übertragung von analogen und digitalen Signalen Computer Netzwerke: Übertragung von Bitfolgen Gründe für Computer Netzwerke als Privatpersonen Zugriff auf remote Information z.b. Datenbankenzugriff, Zugriff auf Webseiten,... Person-to-person Kommunikation Email, Telefon Interaktive Unterhaltung electronic commerce (e-commerce) 3 4
Gründe für Computer Netzwerke e-commerce für Firmen & Betriebe Kommunikationsmedium ermöglichen resource sharing (Pogramme, Equipment, Daten) erhöhen die Verfügbarkeit reliability (Daten, Fileserver, mehrfaches Abspeichern,...) Geld sparen (kleine Rechner haben besseres Preis/Performanz Verhältnis als Grossrechner) Skalierbarkeit (Erhöhen der Systemkapazität indem man weitere Rechner hinzufügt) 5 6 Computer Netzwerk Definition: Eine Ansammlung von autonomen Rechnern, die verbunden sind verbunden: die Rechner können Information austauschen - d.h. kommunizieren autonom: jeder Rechner ist prinzipiell stand-alone, kann also selbständig starten (booten), Programme ausführen, etc. Computer Netzwerk: 1. Übertragung der Nachrichten point-to-point Netzwerk: direkte Verbindungen zwischen Paaren von Rechnern broadcast Netzwerke: alle Rechner an das gleiche Netzwerk angeschlossen ein Rechner sendet Nachricht und alle Rechner empfangen diese Nachrichten werden adressiert einzelner Rechner, Gruppe von Rechnern, oder alle Rechner 7 8
Computer Netzwerk: 1. Übertragung der Nachrichten Computer Netzwerk: 2. Scale der Netzwerke allgemeine Faustregel kleinere, geographisch lokalisierte Netzwerke nutzen eher broadcast Verbindungen (Bus, Ethernet) Prozessorbus/ Systembus LAN größere, geographisch ausgedehnte Netzwerke nutzen eher point-to-point Verbindungen WAN 9 10 Local Area Network (LAN) (1) Local Area Network (LAN) (2) meist in privatem Besitz und eigenständig verwaltet (Bsp.: ETH) Ausdehnung - bis zu einigen Kilometern typischerweise broadcast Typische Netzwerktopologien (Strukturen) (a) Bus: alle Rechner nutzen ein lineares Kabel (b) Ring 11 Ethernet (offiziell IEEE 802.3) Bus-Topologie broadcast 10-100 Mbps dezentrale Kontrolle: alle Rechner können Nachrichten senden, wann sie wollen - wenn eine Kollision auftritt, warten die Rechner eine gewisse Zeit (zufälliger Länge) bevor sie es wieder versuchen Kollision tritt auf, wenn mehr als eine Nachricht gesendet wird (sprich, wenn mehr als ein Rechner eine Nachricht versendet) 12
Local Area Network (LAN) (3) IBM Token Ring (IEEE 802.5) Ring-Topologie broadcast 4-16 Mbps Nachrichten werden nur in eine Richtung verschickt jedes Bit wird einzelnen geschickt Kontrolle: ein Token (spezielle Bitfolge) kreist auf dem Ring - wenn ein Rechner senden will, nimmt er den Token vom Ring und sendet seine Nachricht - danach sendet er den Token wieder auf den Ring Metropolitan Area Network (MAN) eigentlich nur ein größeres LAN. Ähnliche Technologie wie LAN Beispiel: Netzwerk für Kabelfernsehen 13 14 Wide Area Network (WAN) (1) wesentlich grössere geographische Region Kontinente, Länder direkte Verbindung aller Rechner praktisch unmöglich ist (Kosten, Verwaltungsaufwand) somit komplexere Topologien notwendig host A host B 15 Hosts Wide Area Network (WAN) (2) autonome Rechner (auch end system ), verbunden durch subnet communication subnet (kurz subnet) 1. transmission lines (Kabel, etc.), 2. router: spezielle Rechner, die transmission lines verbinden (es gibt leider noch andere router ) Beispiel: Telefonnetze sind subnets (Telefon-Vermittlungen und Leitungen) Telefone sind die hosts, nicht Bestandteil des subnets 16
Systemverbindungen: Wireless Networks Verbindung von Systemkomponenten (Tastatur, Maus, Drucker,...), z.b. Bluetooth WLAN (wireless LAN) eigener Standard: IEEE 802.11, bis ca. 50 Mbps typischerweise: Basisstation verbunden mit wired Netzwerk, jeder Rechner hat eigene Antenne auch direkte peer-to-peer Verbindung möglich Wireless WAN Wireless Networks 1G: analog & nur für Sprache, 2G: digital & nur für Sprache, 3G: digital & für Sprache & Daten Hauptunterschied zu WLAN: Übertragungen bis 1 Mbps Distanzen gemessen in km High-bandwidth wireless Network neuer Standard IEEE 802.16 (April 2002) fixed wireless für Internetzugang 17 18 Internetworks Netzwerk Architektur Definition: verschiedene Netzwerke können zu einem inter-network (kurz internet) verbunden werden eine Menge von LAN s verbunden über ein WAN ist ein solches internet DAS Internet ist ein spezielles, weltweites internet Die Verbindung wird i.d.r. über sogenannte gateways (spezielle router) gemacht Die wesentliche Schwierigkeit ist hierbei, die oft sehr unterschiedliche Hardware und Software zu verbinden Verbindung von verschiedenen Kontinenten 19 Computer Netzwerke müssen: eine grosse Anzahl von Rechnern verbinden können kosteneffizient sein robust sein (gegenüber Hardwareausfällen, etc.) leistungsfähig sein adaptierbar sein an neue Technologien adaptierbar sein an sich ändernde Nachfrage Computer Netzwerke sind nicht statisch Computer Netzwerk Architektur: Voraussetzung für den Entwurf und die Implementierung von Netzwerken 20
Netzwerk Architektur Abstraktion und Schichtenmodell Um Komplexität zu reduzieren, werden verschiedene Abstraktionsstufen eingeführt Ziele: Definition eines einheitlichen Models, das die wichtigsten Aspekte des Netzwerks erfasst Modularer Entwurf und überschaubare Komponenten Bei Computer Netzwerken führt Abstraktion zu einem Schichtenmodell 21 22 Beobachtungen Horizontale Kommunikation: unter den Philosophen, Dolmetschern, Sekretären reale Kommunikation nur zwischen Sekretären virtuelle Kommunikation: Dolmetscher, Philosophen Vertikale Kommunikation: Philosoph spricht mit Dolmetscher Dolmetscher spricht Sekretär Sekretär spricht mit Faxmaschine Protokolle der horizontalen Kommunikation: Sekretäre - vereinbaren Medium der Nachrichten-Übermittlung Dolmetscher - vereinbaren gemeinsame Sprache Philosoph - Kommunikations-Protokoll (soziales) Sichtweise der Philosophen Die Philosophen wollen sich unterhalten benötigen Dolmetscher (Dienstleistung) Philosoph ist egal wie die Dolmetscher die Information übermitteln (Sprache, Protokoll) der Philosoph interessiert sich eher für Qualität der Dienstleistung (service) des Dolmetschers wie gut die Übersetzung ist wie schnell die Information bei dem anderen Philosophen ankommt 23 24
Sichtweise des Dolmetschers relativ zum Philosophen: bietet Dienstleistung an (Übersetzen von Nachrichten) vereinbart mit dem anderen Dolmetscher ein Protokoll (Sprache) Dolmetscher muss Qualität der Übersetzung beurteilen relativ zum Sekretär benötigt selbst Dienstleistung: Übermittlung der Nachricht zum anderen Dolmetscher dem Dolmetscher ist egal, welches Medium (Post, Fax) die Sekretäre zur Kommunikation verwenden für diesen Teil der Qualität des Services (Schnelligkeit der Übermittlung) ist der Dolmetscher auf den Sekretär Metainformation über Nachrichten Die Dolmetscher können jederzeit eine andere Sprache (anderes Protokoll) wählen ohne Philosophen oder Sekretäre zu benachrichtigen Dolmetscher müssen sich darüber verständigen header: Nachricht für den anderen Dolmetscher analoges gilt für die Sekretäre angewiesen 25 26 Schichten (layers) Schichtenmodell für Computer Netzwerke horizontale / peer-to-peer Kommunikation vertikale Kommunikation zwischen Schicht n / n-1 Schnittstelle (interfaces) an den Schnittstellen werden Dienstleistungen (Services) angefordert und zur Verfügung gestellt diese definiert, welche services (in Form von primitiven Operationen) der nächst höheren Schicht zur Verfügung gestellt werden genauer: es werden alle Operationen festgelegt, die die nächst höhere Schicht aufrufen kann Protokolle (protocols): Protokolle (protocol) diese definieren die Form und Art der Nachrichten, die ausgetauscht werden definieren die Regeln, nach denen peers kommunizieren Service vs. Protokoll Zweck: Service ist die Menge der Operationen die zur Verfügung gestellt werden Mittel: Protokoll definiert, wie die Kommunikation abläuft 27 28
Referenz Modelle ISO-OSI Referenz Model ISO-OSI Referenz Model ISO: International Standards Organisation OSI: Open Systems Interconnection TCP/IP Referenz Model TCP: Transmission Control Protocol IP: Internet Protocol 29 30 Physical Layer (layer 1) Übermittlung von Bits (0 en und 1 en) typische Designfragen sind: wieviel Volt entspricht einer 1, wieviel einer 0 wieviel Mikrosekunden dauert ein Bit im wesentlichen mechanische, elektrische und prozedurale Schnittstellen (welche Stecker?, etc.) physikalisches Medium (welches Kabel?) sind Übertragungen in beide Richtungen möglich... 31 32
Data Link Layer - (layer 2) Network Layer - (layer 3) Übertragung von frames einige 100 bis einige 1000 Bits Aufgabe ist die fehlerfreie Übertragung von Bits übertragen von data frames Flusskontrolle wichtig verwendet acknowledgement frames dupliziert data frames, wenn kein acknowledgement frame empfangen wird der wesentliche service ist, daß der network layer (layer 3) von einer störungsfreien Übertragung der Bits ausgehen kann 33 Übertragung von sogenannten packets Teile von Nachrichten kontrolliert die Operationen des subnet routing der packets vom Sender zum Empfänger, d.h. Bestimmung welche physikalischen Verbindungen benutzt werden routing Tabellen statische, dynamisch bestimmt am Anfang jeder Nachricht congestion control Verbindung von heterogenen Netzen z.b. bezgl. Adressierung, Länge der Pakete, etc. 34 Transport Layer - (layer 4) Transport Layer - (layer 4) akzeptiert Nachrichten von layer 5, zerteilt diese in Pakete und gibt die Pakete an layer 3 überprüft, daß alle Pakete ankommen oberhalb dieser Schicht wird von der Hardware abstrahiert die häufigste Verbindung ist eine fehler-freie, point-to-point eine Verbindung kann für mehrere Nachrichten verwendet werden (multiplexing, Kostenreduktion) mehrere Verbindungen können für eine Nachricht verwendet werden (höhere Übertragungskapazität) 35 Der transport-layer ist die erste Schicht die wirklich end-to-end ist, also Sender und Empfänger direkt verbindet In layer 1-3 sind die Protokolle zwischen einzelnen Maschinen und der direkten Nachbarn In layer 4-7 sind diese zwischen Sender und Empfänger 36
ISO-OSI Referenz Modell TCP/IP Referenz Modell (1) layer 5 - Session Synchronisation - management von unterbrochenen Sendungen layer 6 - Presentation z.b. Kodierung in Standardsprache layer 7 - Application Beispiele: ftp (file transfer protrocol), telnet, remote login, DNS (domain name service), email, ARPANET - Forschungsprojekt des U.S.Departement of Defense (DoD) TCP/IP Referenz Modell ist daraus entstanden - benannt nach den beiden wichtigsten Protokollen Zielsetzungen (des DoD) Netzwerk sollte Verlust von subnet Hardware kompensieren können Verbindungen zwischen zwei hosts sollten solange bestehen bleiben, wie die beiden hosts existieren flexible Architektur benötigt für verschiedene Anwendungen (Datentransfer, Sprache,...) HTTP (hyper text transfer protocol) 37 38 TCP/IP Referenz Modell (2) ISO-OSI versus TCP/IP Internet Layer packet-switching network, basierend auf einem connectionless Protokoll diese Schicht definiert ein offizielles Packet Format und ein Protokoll: das Internet Protocol (IP) diese Schicht ist dem network layer des ISO-OSI Modells sehr ähnlich Transport Layer das transmission control protocol (TCP) ist ein zuverlässiges connection-oriented Protokoll vergleichbar dem transport layer im ISO-OSI Modell 39 presentation und session layer: TCP/IP: nicht vorhanden ISO-OSI: vorhanden, aber kaum genutzt 40
ISO-OSI versus TCP/IP ISO-OSI-Model (ohne presentation und session layer) ist heute DAS Model um Computer Netzwerke zu diskutieren, zu entwerfen die Protokolle werden kaum verwendet TCP/IP - Model das MODEL wird praktisch nicht verwendet aber die Protokolle sind sehr weit verbreitet Das hybride Schichtenmodell der Vorlesung layer 1 - Physical Übertragung von Bits über physikalisches Medium layer 2 - Data Link verläßliche Übertragung von frames, Flusskontrolle layer 3 - Network packet switching, routing, congestion control layer 4 - Transport process-to-process channel, node-to-node connection, provides user services, flow control, multiplexing layer 5 - Application 41 42 Wichtige Funktionen der Schichten Wichtige Funktionen der Schichten fast jede Schicht benötigt Methoden um Sender und Empfänger zu identifizieren Regeln für den Datentransfer simplex, half-duplex, und full-duplex communication Fehlerkontrolle Fehlerdetektion, Fehlerkorrektur Vereinbarung, welcher Algorithmus verwendet wird Mechanismen, die vermeiden, dass ein schneller Sender einen langsamen Empfänger überschwemmt häufig Rückmeldung vom Empfänger 43 fast jede Schicht benötigt die Möglichkeit, beliebig lange Nachrichten zu versenden Zerteilung, Übertragen, Zusammensetzen von Nachrichten (Pakete) Mechanismen der Sequenzierung Reihenfolge der Nachrichten und Pakete multiplexing Verwendung eines Übertragungskanals für mehrere parallele Übertragungen von Nachrichten routing Auswahl eines geeigneten Pfades durch Netzwerk 44
connection-oriented vs. connectionless services connection-oriented services modelliert nach dem Telefonsystem Nummer wählen - Sprechen - Telefonhörer aufhängen Verbindung aufbauen - Verbindung nutzen - Verbindung beenden die Nachrichten kommen in der gleichen Reihenfolge an, wie sie abgeschickt wurden connectionless services modelliert nach dem Postsystem jede Nachricht (Brief) trägt volle Adresse und wird unabhängig von allen anderen Nachrichten transportiert - hier ist insbesondere die Reihenfolge der Ankunft der quality of service reliabilty (Zuverlässigkeit) unter Verwendung von Empfangsbestätigungen lässt sich garantieren, dass keine Nachrichten verloren gehen (vgl. Einschreiben) Frage: wann sinnvoll? Transfer von wichtigen Daten (Bankauszügen, Dateien,...) es ist aber hinderlich (Zeitverzögerung) bei der Übermittlung von Sprache oder Videos Nachrichten nicht garantiert 45 46 service primitives Telefonanruf Eine Dienstleistung ist spezifiziert durch eine Anzahl von service primitives (Operationen) Typische Klassen von Operationen: Request Indication Response Confirm Request/Indication gehören zusammen Response/Confirm gehören zusammen 47 connect.request - A wählt die Nummer von B connect.indication - Tel B läutet connect.response - B hebt ab connect.confirm - A hört, dass das Klingeln aufhört data.request - A sagt etwas data.request - A sagt etwas data.indication - A hört, was B sagt data.indication - B hört, was A sagt data.indication - B hört, was A sagt data.request - B sagt etwas disconnect.request - B hängt auf disconnect.indication - A hört dass B aufgehängt hat 48
confirmed - unconfirmed services Computer Netzwerke In dem Beispiel Telefonanruf: connect ist ein confirmed service mit request/indication und reponse/confirm d.h. Verbindungsaufbau wird bestätigt (quittiert) data und disconnect sind unconfirmed services nur mit request und indication d.h. die Datenübermittlung und der Verbindungsabbau werden nicht bestätigt (quittiert) ISO-OSI Referenz Modell Physical Layer (layer 1) Relevante Literatur: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks. 4th ed., Prentice Hall Aus Kap. 2: 2.2 + 2.3 + 2.4 + 2.5.4 (S.137-143) + 2.5.5 (S. 146-151) + 2.8 49 50 Physical Layer - (layer 1) Leistungsmerkmale der Übertragung Übertragung von Bits (0 en und 1 en) Übertragung praktisch ausschließlich im elektromagnetischen Spektrum Übertragungsmedien: leitungsgebunden: Kupferkabel (twisted pair), Koxialkabel, Glasfaserkabel drahtlos: Funk, Richtfunk, Satellit, Laser Übertragungskapazität (Bandbreite) auch Durchsatz, Bitrate,... genannt wieviel Bits können pro Sekunde übertragen werden gemessen in bps (bits per second) Mbps (megabit), Gbps (gigabit) Unterschied zwischen Baud und bps Baud: Anzahl der Veränderung des Signals pro Sekunde ein Signal kann u.u. mehr als ein Bit kodieren (Beispiel: Tonwahlverfahren beim Telefon) 51 52
Leistungsmerkmale der Übertragung Übertragungsmedium: Magnetbänder per Post... Transferzeit der Übertragung Zeitbedarf, um Nachricht von A nach B zu schicken zusammengesetzt aus Übertragungszeit + Signallaufzeit Magnetbänder per Post: 1 Videoband (Magnetband) kann ca. 7 Gigabyte (GB) Daten speichern 1000 Videobänder entsprechen 7000 GB - (50x50x50cm Karton) Übertragungszeit Signallaufszeit Postlieferung der 1000 Bänder - in 24h - entspricht 7000GB/24h = 648Mbps (megabit per second) - was ca. highspeed ATM (622 Mbps) entspricht 53 54 Magnetbänder per Post... Magnetband per Post vergleichsweise grosse Übertragungskapazität (Bandbreite) aber auch grosse Transferzeit der Übertragung Hinzu kommt: relativ billig (Tanenbaum: 10cents pro Gigabyte) deshalb Konkurrent für Computer Netzwerke Never underestimate the bandwidth of a station wagon full of tapes hurtling down the highway.. ;-) 55