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 Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 72
Das Medium als Diensterbringer Sender Empfänger Zugangspunkt Zugangspunkt Übertragungskanal Medium Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 73
Bsp. Briefkommunikation I Information (Sender) Nachricht Information (Empfänger) Zugriff auf den Dienst, den das Medium anbietet Text bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla Verteilzentrum Verteilzentrum Text bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla bla abstraktes Medium Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 74
Allgemeines Prinzip der Schichtung Dienstnehmer 1 Dienstnehmer 2 Dienst Dienst Diensterbringer 1 Protokoll Diensterbringer 2 Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 75
vertikale Kommunikation Geschichtetes Kommunikationssystem Anwendung horizontale Kommunikation Schnittstelle Anwendung horizontale Kommunikation... Zugangspunkt Schicht N... vertikale Kommunikation abstraktes Medium für Schicht N physikalisches Medium Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 76
Bsp. Briefkommunikation II Information (Sender) horizontale Kommunikation Schnittstelle Information (Empfänger) horizontale Kommunikation... Zugangspunkt... Schicht N abstraktes Medium für Schicht N physikalisches Medium Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 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 7498-1, 1994 (http://standards.iso.org/ittf/publiclyavailable 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 Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 78
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. Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 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 Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 80
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. Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 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 Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 82
Die OSI - Schichten im Überblick Anwendungsschicht Darstellungsschicht Kommunikationssteuerungsschicht Transportschicht Vermittlungsschicht Sicherungsschicht 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 Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 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: Sicherungsschicht (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. Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 84
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 Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 85
Bitübertragungsschicht und Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht (Schicht 1) ungesicherte Verbindung zwischen direkt benachbarten Systemen Übertragung unstrukturierter Bitfolgen über physikalisches Medium umfasst u.a. physikalische Anschlüsse, Umsetzung Daten Signale Sicherungsschicht (Schicht 2) gesicherter Datentransfer Zerlegung des Bitstroms (Schicht 1) in Rahmen (Frames) Fehlererkennung und -behandlung Protokollmechanismen: Quittierung, Zeit-/Sequenzüberwachung, Wiederholen/Rücksetzen Schicht 2 Schicht 1 Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 86
Daten und Signale ungesicherte Daten gesicherte Daten Signale fehlerbereinigte Daten u.u. fehlerbehaftete Daten Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht u.u. gestörte Signale Störanfälliges Medium Übertragungskanal Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 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 Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 88
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 Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 89
OSI: Die 7 Schichten Schicht 7 Endsystem Vermittlungsnetz Anwendungsschicht Endsystem Schicht 7 Schicht 6 Darstellungsschicht Schicht 6 Schicht 5 Komm.-steuerungsschicht Schicht 5 Schicht 4 Transportschicht Schicht 4 Schicht 3 Vermittlungsschicht Schicht 3 Schicht 3 Vermittlungsschicht Schicht 3 Schicht 2 Sicherungsschicht Schicht 2 Schicht 2 Sicherungsschicht Schicht 2 Schicht 1 Bitübertragungsschicht Schicht 1 Schicht 1 Bitübertragungsschicht Schicht 1 Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 90
Senden Empfangen Einkapselung von Daten AH Application Header PH Presentation Header SH Session Header TH Transport Header NH Network Header DLH Data Link Header DLT Data Link Trailer Daten AH Daten Anwendungsschicht Anwendungsschicht PH Dateneinheit Darstellungsschicht Darstellungsschicht Kommunikationssteuerungsschicht SH Dateneinheit Kommunikationssteuerungsschicht Transportschicht TH Dateneinheit Transportschicht Vermittlungsschicht NH Dateneinheit Vermittlungsschicht Sicherungsschicht DLH Dateneinheit DLT Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Bits Bitübertragungsschicht Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 91
OSI: Implementierungsbeispiel Telefax Gr.4 T.563, T.521, T.503, T.400-Serie 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, T.6 T.62 T.70 I.450, I451 I.440, I.441 I.430, I.431 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 Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 92
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 Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 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.) Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 94
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 Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 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 Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 96
TCP/IP: Implementierungsbeispiel Webdienst HTTP TCP IP IEEE 802.3 Hypertext Transfer Protocol Transmission Control Protocol Internet Protocol Ethernet Application Layer Transport Layer Network Layer Network-to-Host Layer Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 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 Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 98
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 IPv4 IPv4 IPv4 IPv6 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 Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 99
Bsp. Dateizugriff über VPN (Virtual Private Network) - Anwendersicht Arbeitsplatz in der Firma Heimarbeitsplatz Firmennetzwerk Application Transport Network Client für Dateizugriff TCP F IP F 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 TCP F IP F Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 100
Bsp. Dateizugriff über VPN (Virtual Private Network) - Technik Arbeitsplatz in der Firma Heimarbeitsplatz Internet VPN-Gateway Router Router VPN-Gateway Application Client für Dateizugriff TCP F IP F SSH Tunneln von TCP F und IP F gemeinsame Nutzung der Infrastruktur mit Fremden TCP F IP F SSH Client für Dateizugriff Transport TCP F TCP F TCP I TCP I TCP F TCP F Network IP F IP F IP I IP I IP I IP I IP F IP F Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 101
Bsp. Dateizugriff über VPN (Virtual Private Network) - Gesamtansicht Firmennetzwerk Arbeitsplatz in der Firma Heimarbeitsplatz Internet VPN-Gateway Router Router VPN-Gateway Application Client für Dateizugriff TCP F IP F SSH TCP F IP F SSH Client für Dateizugriff Transport TCP F TCP F TCP I TCP I TCP F TCP F Network IP F IP F IP I IP I IP I IP I IP F IP F Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 102
Literatur KRÜGER, G.; RESCHKE, D. (Hrsg.): Lehr- und Übungsbuch Telematik: Netze Dienste Protokolle. 3. aktualisierte Auflage. München, Wien : Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 2004. ISBN 3-446-22862-4. SEITZ, J.; DEBES, M.; HEUBACH, M.; TOSSE, R.: Digitale Sprach- und Datenkommunikation. Netze - Protokolle Vermittlung. München, Wien : Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 2007. ISBN 3-446-22979-5. TANENBAUM, A.S.: Computernetzwerke. 4. überarbeitete Auflage. München; San Francisco; Harlow (England) : Pearson Studium / Prentice Hall, 2003. ISBN 3-8273-7046-9. ABECK, SEBASTIAN; LOCKEMANN, PETER C.; SCHILLER, JOCHEN; SEITZ, JOCHEN: Verteilte Informationssysteme. Integration von Datenübertragungstechnik und Datenbanktechnik. Heidelberg: dpunkt Verlag, 2003. ISBN 3-89864-188-0. 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, 1997. ISBN 3-540-57431-X. BOCKER, PETER: ISDN Das diensteintegrierende digitale Nachrichtennetz: Konzept, Verfahren, Systeme. Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo : Springer- Verlag, 1986. ISBN 3-540-15727-1 Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2016/17) 103