1 of 6 15.11.2005 14:06 Computer und Physik, version dated 2005-11-15 13:49:18 1.4 Input - Output - Transfer Input/Output verknüpft den Prozessor mit dem Rest der Welt. Das kann sich auf lokalen Geräte (eingebaut oder etern) beziehen, aber auch auf Netzverbindungen. 1.4.1 Lokale Geräte 1.4.2 Transfer und Netz 1.4.3 TCP und Internet 1.4.1 Lokale Geräte Die CPU ist dabei über den Datenbus (parallele Leitungen) mit diversen "Schnittstellen" verbunden. Durch "Interrupts", das sind Kontrollleitungen, wird der CPU mitgeteilt, wenn Daten auf Übertragung warten, damit die entsprechenden Übertragungsbefehle aktiviert werden. Gerät Input Output Kommentar Lochkartenleser langsam (5 Karten/Sek) Lochstreifenleser langsam Belegleser langsam Digitalisierbrett (Tablet) Graphikdesign? Joystick grob Maus,Scratchpad Trackball Lichtgriffel (Lightpen) grob Touch Screen sehr grob, nur Menüführung Scanner Videokamera (Webcam, DigiCam) Bilderkennung? Mikrofon Spracherkennung? Valuator Sensoren (Eperiment, auch Musikinstrumente! Für Spiele auch: Lenkrad, Pedale etc.) GPS-Adapter Global Positioning System A/D Wandler Analog-Digital Wandler (Interface) Keyboard TV Apparat vergleichbar geringe Auflösung (Zeilen, Spalten analog aufgebaut), auch über Video-Karte Monitor, LCD Display und "Beamer" (LCD Projektor) zuerst low resolution z.b. 80(40) 25 Zeilen (Zeichen) VC64: 320 200 Piel Heute meist high resolution: 1024768 Piel (notwendig für 3D-Darstellungen) (bis zu 4000 4000) 3D-Brille Auflösung?
2 of 6 15.11.2005 14:06 Datenhandschuh ("Cyberglove") Lautsprecher/Kopfhörer siehe Soundkarte elektr. Schreibmaschine (Teletype) Typenraddrucker Mehrfach-Typenraddrucker veraltet Thermodrucker f. Fotografik (Thermosublimationsdrucker) Laserdrucker B/W oder Farbe Inkjet preisgünstiger Farbdrucker, auch große Formate (Poster) Plotter veraltet (ersetzt durch Inkjet) Dia-Plotter (Mikrofilmplotter) Floppy (="Diskettenlaufwerk"), "Zip-Drive" 2Mb, 100/200 Mb Hardisk (auch removable HD) 1-100 Gb USB disk/stick, Memory Card 64, 128, 256, 512 MB und mehr Magnetband, "Streamer" einige Gb, sequenzieller Zugriff! (Archivierung) CD, DVD, CD-RW (Compact Disc, Digital Versatile Disc) Permanentspeicher, > 650 Mb /4.7 Gb Modem Modulator/Demodulator, zur Datenübertragung über serielle Leitungen (Telefon, ISDN, lokal...) Diverse Schnittstellen parallel, seriell (inkl. USB), SCSI (small computer systems interface), Bluetooth, Firewire Netzkarte, z.b. Ethernet zum Anschluss an ein Netz mit TCP/IP Protokoll, Geschwindigkeiten 10Mbit/sec - 100Mbit/sec -... Soundkarte Eingänge (Mikrofon, Tuner, CD-Player, andere Quellen) und Ausgang (zum Lautsprecher, Verstärker etc.) Daneben gibt es noch weitere gerätespezifische Standards und interne Fühler/Regler (zum Beispiel ein Prozessor-Thermofühler usw.). Ein wichtiger (ANSI)-Standard ist der SCSI Standard (Small Computer Systems Interface): Geräte haben dabei eigene Logik zur Hardware-Behandlung. Damit wird der Zugriff universeller und einfacher. Ein weiterer Begriff ist RAID: Redundant Arrays of Inepensive Disks. Kurz: Ein Standard um mehrere Disks zu kombinieren, entweder zu einer großen "Pseudodisk", oder aber um Datenspiegelung (Ausfallsicherheit) zu erreichen. Hier ein Link mit mehr Informationen Aufgabe 1.4.1.A1 1.4.2 Transfer und Netz Heute ist (zumindest im professionellen Bereich) fast kein Computer mehr eine Insel, sondern Teil zumindest eines lokalen Netzes (LAN - local area network) oder sogar eines nationalen und damit meist internationalen Netzes. Wir wollen zuerst kurz auf die Grundlagen eingehen. Oft werden Hardware- und "Software"-Eigenschaften des Netzes und seiner Komponenten vermengt und es tritt - zusammen mit Problemen - eine allgemeine Verwirrung auf. Das "Netz" besteht aus einer Kombination von Hardware, Software und Standards. Es gibt nach dem ISO (International Standards Organization) ein OSI (Open Systems Interconnect) Modell, in dem mehrere "Schichten" der Kommunikation unterschieden werden: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Physical Data Link Network Transport Session Presentation Application Die ersten vier Schichten sind für die fehlerfreie Datenkommunikation zwischen den Computer verantwortlich, die anderen drei Schichten erfassen Betriebssystem bis hin zum Anwendungsprogramm. Nach dieser Einteilung gehört "IP" zu den unteren Schichten und "TCP" (mit den ftp, telnet und SMTP-Mail Protokollen) zu den oberen. Der einzelne Computer verfügt über mehrere Hardware-Möglichkeiten der Kommunikation.
3 of 6 15.11.2005 14:06 Paralleler Ausgang: Das ist im Normalfall die Verbindung zum Drucker (oder anderen Einheiten wie etwa einem ZIP-Drive) oder vielleicht über ein "laplink"-kabel zu einem anderen Computer. Bei diesem Ausgang werden die Bits (wie der Name sagt) auf parallelen Drähten gleichzeitig übertragen. Er wird allerdings üblicherweise nicht zur Kommunikation mit anderen Computern verwendet. Serieller Ein/Ausgang: Dieser dient bei direkt per Kabel miteinander verbundenen Komponenten zur direkten Datenübertragung (z.b. im Rahmen des Apple-Talk) oder bei Anschluss an ein Modem (weiter per Telefon) oder an einen Terminalserver (weiter meist per Ethernet) zur Verbindung mit anderen Netzen oder Computern. Die Übertragungsgeschwindigkeit ist standardisiert und liegt zwischen 300 und 57600 Bd (1 Bd = 1 Baud (nach Baudot) = 1 Bit/sec= 1 Bps). Das ist auch die (im Moment) größte Übertragungsrate, die eine (analoge oder digitale) Telefonleitung schafft. Die Bits werden dabei durch Ton-Modulation übertragen, z.b. für einen 300 Bd Akkustikkopper: 980/1650 Hz für "1" Sender/Empfänger 1180/1850 Hz für "0" Sender/Empfänger Bei einem Modem (Modulator-Demodulator) werden die Bits in akustische Signale übertragen (du hast dieses rasselnd-piepsende Geräusch sicher schon gehört). Bei so genannten ISDN-Anschlüssen wird direkt digital übertragen und die Transferrate ist daher etwas höher. Ein für PCs standardisierter Ein/Ausgang ist auch der USB (Universal Serial Bus) mit dem Raten bis zu 12 MBd erreichbar sein sollen. Neueste Version des Standards ist USB 2.0, der mit einer Übertragungsrate von 480 Mbit/s arbeitet. Link zu USB Ethernet: Über Einschubkarten realisiert, Anschluss an Thinwire- oder Thickwire-Ethernet (Spezielle Koaialkabel); Baum- oder Stern-Topologie (direkt geschlossene Loops sind verboten), Abzweigungen durch so genannte Transceiver, Verteiler durch Multiport-Repeater; Verbindung zwischen Netzteilen durch Router und Bridges. Teilstrecken können durch Lichtleiter realisiert sein. Die Übertragungsgeschwindigkeiten liegen bei 10 MBit/sec oder 100 MBit/sec (die meisten modernen Netzwerkkarten können beides). (Ein sehr ähnlicher Typ ist IEEE 802.3). Tokenring: Firmenspezifisches Netz mit Ringtopologie, meist mit Koaialkabeln ähnlich wie Ethernet, daher ähnliche Übertragungsgeschwindigkeiten. FDDI: (Fiber Distributed Data Interface) Ähnlich wie Tokenring, nur modernere und schnellere Implementation, maimale Geschwindigkeiten bis 100 MBit/sec. ISDN: (Integrated Services Digital Network) wird von den PTT Diensten dem Endverbraucher als günstiger Anschluss angeboten und erreicht 64 KBit/sec Übertragungsgeschwindigkeit. PTT Netzwerke: Dienen der Kommunikation zwischen Teilnetzen; die verwendeten Protokolle (z.b. X25) sind für uns nicht weiter interessant, da transparent Datenpakete vom Ein/Ausgang eines Netzes zum Ein/Ausgang des anderen Netzes transportiert werden. Der verbreitetste Netztyp ist zur Zeit Ethernet, wir wollen uns daher noch kurz damit befassen. Am Ethernetstrang (zumindest bis zur nächsten Bridge oder zum Router) schwingt immer das gesamte Netz. Wenn sich ein Computer also mit einer Datenportion "anmeldet", wird die gerade aktive Übertragung gestört, es kommt zu einer Datenkollision. In die Hardware sind daher "Collision Detect" Mechanismen (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect: CSMA/CD) eingebaut, sowie Fehlererkennungsverfahren (Parity). Die diversen Teilübertragungen werden solange wiederholt, bis die Pakete bei den jeweiligen Adressaten fehlerfrei angekommen sind. Da viele Computer an einem Netzteilbereich hängen, kann im Prinzip jeder von ihnen passiv "zuhören" (sofern der Betreiber die entsprechende Hardware modifiziert), und so ist die Datengeheimhaltung nicht gewährleistet, wenn nicht zusätzliche Verschlüsselungsmechanismen eingebaut sind. Diese sind aber noch nicht Standardausstattung. Auf einem Hardwarenetz können verschiedene Übertragungsprotokolle verwendet werden, die von den Softwareprogrammen definiert werden. Wieder gibt es firmenspezifische (closed) und allgemein verfügbare (open) Protokolltypen. AppleTalk, (Fa. Apple), SNA (Fa. IBM) oder DECNet (Fa. DEC) sind "closed protocols", TCP/IP ist ein offenes Protokoll. Offene Protokolle erlauben die Kommunikation zwischen Geräten verschiedener Hersteller, sofern diese sich an die Definitionen halten. In zunehmendem Ausmaß gewinnt (vor allem im Bildungsbereich) TCP/IP an Verbreitung.
4 of 6 15.11.2005 14:06 Abb.: Beispiel für Netzwerktopologie 1.4.3 TCP und Internet Das TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) wurde in den 70-er Jahren innerhalb des US DARPA-Projektes entwickelt und Anfang der 80-er Jahre in BSD-UNIX integriert. 1983 wurden die meisten bis dahin im Internet verwendeten Protokolle auf TCP/IP umgestellt. Inzwischen wurde es fester Bestandteil aller UNIX Implementationen. Nachdem anfangs noch verschiedene firmenspezifische Netze auch international in Betrieb waren (das bekannteste wohl BITNET von IBM) ging der Trend zu einem umfassenden Netz: Internet. Dieses ist auf dem Netzwerkprotokoll TCP/IP aufgebaut und damit ideal in die UNIX-Welt eingebunden. Mit Internet bezeichnet man die Gesamtheit der miteinander verbundenen Teilnetze. Es ist ein lebendes und schnell wachsendes Netzwerk mit vielen Millionen verbundenen Computern. Für die eigentliche Übertragung der Daten ist der IP- (und Ethernet-)Anteil zuständig. Technisch gesehen passiert beim Übertragen eines Datenpaketes folgendes: Die Internet-Adresse (Zahlencode, entsprechend einer vollständigen Hostadresse, siehe weiter unten) wird festgestellt. Die Adresse des ersten Computers (1."Hop") wird festgestellt. Das Datenpaket wird in geeignet große Portionen zerteilt und mit Header und Trailer versehen, die Informationen über Absenderadresse, Empfängeradresse und das Paket selbst enthalten. Diese Paket wird an den 1.Computer (Gateway, Bridge oder Router) abgesandt. Dieser schickt das Paket an den nächsten, usw. Alle Teilportionen werden so abgeschickt. Beim Empfänger wird die Ankunft aller Pakete abgewartet und das eigentliche Datenpaket rekonstruiert und an den dortigen Empfänger (z.b. wieder ein Betriebssystem) weitergeleitet. Dabei gibt es verschiedene "Data Models", auf die wir nicht näher eingehen wollen. Wir müssen noch einige Begriffe klären: Gateway Bridge verbindet Netze verschiedener Netzwerk-Protokolle miteinander (z:b. AppleTalk und TCP/IP), oft wird der Begriff aber weiter gefasst und auch bei Verbindung zweier verschiedener Teilnetze gebraucht (eigentlich: Router). verbindet verschiedene physikalische Arten von Netzwerken (z.b. firmenspezifischer Tokenring mit Ethernet ). Switch, Hub, Repeater, Transceiver sind analog zu Stromverteilern: mehrere Geräte sind mit individuellen Kabels mit z.b. dem Switch verbunden; dieser "hängt" am Netz. Dabei ist der Switch intelligent genug, um etwa Kommunikationen zwischen den angeschlossenen Geräten direkt (ohne "Belästigung der anderen angeschlossenen Komponenten) zu vermitteln. Der Hub verbindet die Geräte, ist aber nicht "intelligent". Der Repeater verstärkt das Signal. Transceiver dienen dem Anschluss des Endgerätes (z.b. der Ethernetkarte) an das Ethernet. Die Ausführung hängt von der Art des Netzwerkkabels (thin Ethernet, thick Ethernet, Twisted Pair etc.) ab.
5 of 6 15.11.2005 14:06 Router verbindet mehrere Netzwerkteile miteinander. Router haben mehr Aufgaben als Bridges oder Gateways. Sie verknüpfen oft mehrere LANs (Local Area Networks), die auch verschiedene Übertragungsprotokolle (TCP/IP, AppleTalk etc.) verwenden können. Um von einem Netzteil (oder Unternetzteil) mit einem Computer in einem anderen Netz Kontakt aufzunehmen, muss die Verbindung zumindest über einen Router (oder ein Gateway) laufen. Daher ist es notwendig, dass der entsprechende Router den eigenen Computer "erkennt". Im Normalfall muss er also im selben Subnetz sein (und damit die ersten drei Teile der IP-Adressen von Computer und Router-Eingang übereinstimmen). Kabel und Stecker Es gibt verschiedene Normen. Gebräuchliche Kabel sind die Koaial-Kabel (Thinwire Ethernet: RG58), die mittels der runden "BNC"-Stecker an die Ethernetkarte angeschlossen werden. Alternativ gibt es die so genannten "twisted-pair" Kabel, die meist zu einem Switch oder Hub gehen und die an der Ethernetkarten am "RJ45"-Stecker (ähnlich einem Telefonstecker) angeschlossen werden Ethernet Adresse ist eine numerische Adresse, die eindeutig für jede produzierte Ethernet-Karte herstellerseitig vorgegeben ist; diese Adresse ist für den Normalverbraucher uninteressant, sie dient nur der Hardwareseite der Kommunikation. Internet Adresse domain ist der offizielle, vollständige Name des Computers (auch: Hostname). Er kann in zwei Formen angegeben werden, entweder als numerische Adresse der Form aaa.bbb.ccc.ddd (jede der Zahlen liegt im Bereich zwischen 0 und 255); von links nach rechts geben die Zahlen eine Hierarchie von Teilnetzen an. Die Internetadresse eines der Computer im Bereich der Physik ist z.b. 143.50.77.11, ein anderer hat die Adresse 143.50.77.12 etc. Dabei steht der Anteil "143" für Aconet (das österreichische Forschungsnetz), "50" für Uni-Graz (die Karl-Franzens-Universität Graz), "77" für den Bereich der Theoretischen Physik, "11" für die spezielle Maschine. Da man sich Tet-Strings leichter merkt, gibt es auch eine zweite Variante dieser Adresse: cleopatra.uni-graz.at, hier ist die Hierarchie von rechts nach links abfallend (cleopatra für "77.11", uni-graz für "50", at entspricht "143"): ist die Bezeichnung für ein Teilnetz; so ist zum Beispiel uni-graz.at die Domainbezeichnung des lokalen Uni-Netzes. Wird ein Computer innerhalb der gleichen Domain angesprochen, braucht man den Domain-Anteil des Hostnamens nicht anzugeben. Nameserver Mailserver Webserver (auch: "Domain Nameserver" DNS) ist ein Computer, der eine Datenbank aller offiziell bekannten Internetadresse hat, oder weiß, wie er auf so eine Datenbank (nächsthöherer Nameserver in einer Hierarchie) zugreifen kann; er dient auch als Telefonbuch in beide Richtung: numerische Adresse zu Tetadresse und umgekehrt! ist ein Computer, der Internet Mail an die angegebenen Internetadressaten senden, zwischenspeichern und weiterleiten kann. Oft sendet ein Mailserver die Mail an einen andren Mailserver weiter, wenn das sinnvoll ist. ist ein Computer (besser: ein Programm auf einem Computer), der Webseiten des Benutzerkreises verwaltet und bei Bedarf "liefert", wenn sie von einem Browser irgendwo auf der Welt angefordert werden. Der oder das URL (Uniform Resource Locator) gibt die Art der Resource (http, https, file, ftp) an, sowie im ersten Teil die Web-Adresse des Webservers und danach die Bezeichnung des angeforderten Files, also zum Beispiel http://physik.uni-graz.at/~cbl/c+p/ wobei hier physik.uni-graz.at der Webservername ist. Im Gegensatz zu einem Mailserver werden hier die Files also nicht relaisartig weitergeleitet sondern nur am Webserver abgelegte Files weitergegeben! Achtung: Die vom Webserver verwaltete Sammlung von Web-Pages ("Web-Seiten") nennt man auch "Web-Site". Man sollte also nicht das englische Web-Site mit dem deutschen Web-Seite verwechseln, obwohl beide ähnlich klingen! Fileserver, FTP-Server, Printserver, NIS-Server,... Damit bezeichnet man Computer (oder auch darauf laufende Programme), die innerhalb eines lokalen Netzes bestimmte Aufgaben wahrnehmen. Der Fileserver speichert meist große oder zentrale Datenmengen, der FTP-Server dient als Speicher f&uer; Files, die dort zur Weiterverteilung mittels "FTP" abgelegt sind, der Printserver ist ein Knoten zur Weiterleitung und Verteilung von Druckaufträgen an diverse Printer im Netz, der NIS-Server verwaltet die Passwords der Benutzer und so weiter. Das Internet ist hierarchisch organisiert, jedes Teilnetz ist für seinen Bereich voll verantwortlich. Nur die Landesnetznummern werden international koordiniert. Jeder Knoten am Internet muss bestimmte Funktionen gewährleisten (dazu gehört auch die Reaktion auf einlaufende "pings", ) Wenn du die Abbildung in 1.4.2 Transfer und Netz betrachtest, findest du viele dieser Begriffe realisiert. Unsere Workstations (143.50.77.*) sind über einen Switch mit dem allgemeinen Physiknetz (143.50.23.*) verbunden. In der Prais können also auf einem physikalischen Netz verschiedene logische Netze (hier: 143.50.23 und 143.50.77) koeistieren. Aufgabe 1.4.3.A1 Aufgabe 1.4.3.A2 Aufgabe 1.4.3.A3
6 of 6 15.11.2005 14:06 Aufgabe 1.4.3.A4 Aufgabe 1.4.3.A5 Aufgabe 1.4.3.A6 (Hinweis eines Studenten aus dem WS 2002:..ich hab auch noch einen sehr interessanten Link zum Thema Internet beizusteuern. Warriors of the net: The movie sollte man sich mal anschauen. hat zwischen 73mb und 121mb (je nach Qualität). es beschreibt den weg eines Datenpakets vom Sender zum Empfänger und ist visuell sehr gut dargestellt. Find es sehr hilfreich für Leute, die sich unter den begriffen Router, Firewall, packet, switch, etc. nicht sehr viel vorstellen können) IMHO, wenn du viel im Internet herumschwirrst, solltest du die wichtigsten "Abkürzungen" kennen: Netspeak.