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Datenkommunikation II
Lehrstuhl für Informatik IVRWTH Aachen
Prof. Dr. Otto Spaniol
Dipl.-Inform. Dirk Thißen
• Alle 14 Tage• Mittwoch 13.45 - 15.15 Uhr• Hörsaal AH V, RWTH Aachen• Frontalübung
Vorlesungsbegleitende Übungen
Dipl.-Inform. Dirk ThißenLehrstuhl für Informatik IV, Raum 6006 (Gebäude E2)Telefon: 0241 / 80 - 21413eMail: [email protected]
Ansprechpartner
7. November 200121. November 20015. Dezember 200119. Dezember 200115. Januar 200229. Januar 2002
Im Netz unter http://www-i4.informatik.rwth-aachen.de/teaching/lectures/datkom2Unterlagen (Folienkopien)
Am Ende des SemestersKlausur
Organisatorisches
Einordnung der Vorlesung
Folgeveranstaltungen:
→ Seminar “Datenkommunikation und Verteilte Systeme”
→ “Spezial”vorlesungen des Lehrstuhls• Multimedia-Kommunikation• Sicherheit in Kommunikationsnetzen (Security Engineering)• Lokale Netze• Telekommunikationssysteme• Verteilte Systeme
→ Praktika im Bereich Kommunikationssysteme
→ Diplomarbeiten am Lehrstuhl
Voraussetzungen:
→ Datenkommunikation I (kurze Wiederholung)
Datenkommunikation I• Überblick über Netze• Das OSI-Schichtenmodell• Kommunikationsprotokolle (TCP/IP)
Struktur der Vorlesung
Diese Vorlesung• Überblick über Netze• OSI-Schichtenmodell (inkl.
Anwendungsprotokolle)• Beispiele für Netze• Kommunikationsprotokolle für
spezielle Anwendungsbereiche• Kommunikation in
Verteilten Systemen
Datenkommunikation II• Anwendungsprotokolle• Beispiele für Netze (Lokale Netze,
ISDN, B-ISDN, ATM)
Inhalte der Datenkommunikation
Als Datenkommunikation bezeichnet man den (weltweiten) Austauschvon Daten zwischen Rechnern.
Folglich müssen bei der Datenkommunikation zwei Aspekte betrachtet werden:
• Rechnernetze
→ Wie werden Rechner miteinander verbunden?
→ Welche Medien können zur Übertragung verwendet werden?
• Kommunikationsprotokolle
→ Wie lässt sich der Datenaustausch einheitlich regeln?
→ Wie erreicht man eine zuverlässige, effiziente Übertragung?
DatenkommunikationSprachkommunikation• Kommunikation vorwiegend zwischen Rechnern• Viele unterschiedliche Datenarten
(Dateien, Software, Videos,...) • Unterschiedliche Dienstgüteanforderungen • Stark schwankende Datenraten (“bursty traffic”)• z.T. extrem hohe Sicherheitsanforderungen.
• Niedrige Dienstgüte-anforderungen
• Geringe Bandbreite (64kBit/s)
• Vergleichsweise geringeAnforderungen bzgl. Sicherheit
Frühe Kommunikationsnetze wurden überwiegend oder ausschließlichfür Sprache eingesetzt (Telefon)
Im Lauf der Zeit kamen zunehmend Anwendungen der Datenkommunikation hinzu. Die Charakteristika von Sprach- und Datenkommunikation sind aber sehr unterschiedlich (was gerade bei der Integration beider Verkehrsarten Probleme bereitet)
Kommunikationsnetze
Die “treibende Kraft” für die enorm wachsende Bedeutung derDatenkommunikation:
• Ständig sinkende Kosten für Hardware...• .. bei gleichzeitig steigender Rechnerleistung
Beispiel und Vergleich:• Ein PC kostet heute weniger als DM 2.000,--• Er ist leistungsstärker als ein zehn Jahre alter Großrechner• Er enthält mehr als 100 Millionen Transistoren• Eine vergleichbar große Zahl anderer Bauteile wäre
unbezahlbar, z.B. würden 100 Millionen Blatt Papier über DM 100,000,-- kosten.
Rechenleistungist fast zum
Nulltarif erhältlich
Datenkommunikation
• Dateiübertragung• Sprache• Bildverarbeitung• Multimedia-Authoring• Videokonferenzen• Hochleistungsrechnen (sogen. “grand challenge”-Probleme)• ......
Steigende Systemvielfalt
Steigende Zahl von Anwendungen und von Anwendern
Überall im Einsatz: in Büros, inFabriken, zuhause,...
Anwendungen
Gemeinsame Nutzung von Betriebsmitteln spart Kosten:
• Durch Kommunikation kann man auf fremde Ressourcen zurückgreifen und diese insgesamt kostengünstiger nutzen
• Erforderlich dazu:Effiziente Methoden zum Datenaustausch zwischen Komponenteneines verteilten Systems
• Verfahren zur effizienten Zusammenarbeit(CSCW = Computer Supported Cooperative Work)
• Absprachen zur gemeinsamen Nutzung von Geräten, die von einer einzelne Institution nicht ausgelastet werden können und zu teuer sind.
Beispiel für ein Zusammenspiel mehrerer Partner: Client/Server-Prinzip
Kostenaspekt
Anfrage
Antwort
Client BClient A Server
Clientprozess Serverprozess
Rechnernetz
Vorteile→ Kostenersparnis→ bessere Ressourcenauslastung→ stufenweise Ausbaubarkeit→ Zuverlässigkeit durch Redundanz→ Daten: mehrere Kopien
Das Client/Server-Prinzip
•Eventuell fragwürdige oder unzulässige Inhalte•Verantwortlichkeit•Juristische Aspekte (Gesetzgebung)
•Mögliche Zensur?•Kontrolle der Arbeitsleistung von Beschäftigten,des Aufenthaltsorts von Bürgern,...
•Belästigung durch anonyme Nachrichten•......
Kommunikationsnetze machen Informationsaustausch und -verteilungerheblich schneller und preiswerter. Sie haben aber auch eine Vielzahl von sozialen, ethischen, kulturellen, juristischen,... Seiteneffekten.
Nicht-technische Aspekte
Rechnernetze
Klassifikation von Netzen
Klassifikation nach Ausdehnung...
10 m100 m1 km10 km100 km
1000 km10000 km
Lokal Area Network (LAN)
Metropolitan Area Network (MAN)
Wide Area Network (WAN)
... und leider auch nach Kapazität.
Generell haben kleine Netze eine höhere Übertragungskapazität als große.Allerdings findet eine ständige Erhöhung statt.
Anbindung über Router
• Verkehrstrennung
• Wegwahl erforderlich (“Intelligenz“ in den Routern)
• Nachrichten, deren Empfänger im eigenen lokalen Netz liegt,werden nicht über den Backbone weitergeleitet
• Nachrichten, deren Empfänger in einem anderen Netz liegt,werden über den Backbone gezielt an das andere Netz weitergeleitet
• höhere Sicherheit
Begriffe: Routing
Je nach Netztyp ist eine Wegwahl erforderlich. Diese erfolgt durch sogenannte Router.
?
Backbone
Router
Point-to-Point (Punkt-zu-Punkt)• ein Paar von Rechnern kommuniziert(oft verschiedene Wege und daher Wegwahl durchführen/Routing)
• Adressierung des Kommunikationspartners
Broadcast-Netz• einer-an-alle (Bsp.: Rundfunk, Fernsehen)• Daten in Pakete mit Zieladresse verpacken• nur die gewünschten Empfänger extrahieren die Daten und verarbeiten sie
Multicast-Netz• Vergabe von Gruppenadressen
Eigenschaften der ÜbertragungEigenschaften der Übertragung: unidirektional/bidirektional
Punkt-zu-Punkt/Multicast/Broadcast
• Kommunikationsinfrastruktur für einen begrenzten geographischen Bereich (10m - wenige km)
• Üblicherweise im Besitz einer einzigen Organisation• Im Vergleich zu Wide Area Networks hohe Kapazität (z.Zt. bis 1,000 Mbit/s)• Einfache Verbindungsstruktur (“Simple is beautiful”)
LAN
Wichtigste Topologien:
• Bus• Stern• Baum• Ring• Vermaschtes Netz
Local Area Networks
Ω
Knoten Knoten Knoten
Knoten KnotenAbschluss-widerstand
B
A
LANs: Der Bus
Bus
• Broadcast-Netz
- (+) Passive Ankopplung der Stationen
- Begrenzung der Ausdehnung und der Zahl anzuschließender Stationen
+ Einfach, preiswert, einfacher Anschluß neuer Knoten
+ Kein Routing notwendig
+ Der Ausfall eines Knotens ist kein Problem
Beispiel: Ethernet
LANs: Der Stern
ZentralerRechner
Knoten
Knoten
Knoten
Knoten
Stern
• Ausgezeichneter Rechner alszentrale Station
– aufwendiger zentraler Knoten(Switch)
– Verwundbarkeit durch zentralenKnoten (Redundanz möglich)
+ Eindeutiger Pfad, kein Routing
+ N Verbindungen bei N Knoten(Komplexität O(N))
+ Einfacher Anschluß neuer Knoten
Abteilung 1 Abteilung 2
Backbone
Knoten
Knoten
Knoten Knoten
Knoten
Knoten
KnotenRepeater
A
B
C
Router
LANs: Der Baum
Baum
• Verzweigungselemente können aktiv (Router) oder passiv (Repeater) sein
• Topologie: Zusammenschluß mehrerer Busse (oder Sterne)
+ Überbrückung größerer Strecken
+ gute Anpassung an vorgegebene geographische Gegebenheiten
+ Minimierung der erforderlichen Kabellänge
KnotenKnoten
Knoten
KnotenKnoten
LANs: Der Ring
Ring
• Broadcast-Netz
• Aktive Knoten: Nachrichten werdenin den Konten regeneriert
– Ausfall bei Unterbrechung einer Verbindung
– Ausfall eines Knotens (Bypass als Abhilfe)
+ große Ausdehnung möglich
+ einfaches Einfügen neuer Knoten
+ Bei N Knoten nur N Verbindungen (Komplexität O(N))
KnotenKnoten
KnotenKnoten
Knoten
LANs: Vollvermaschung
Vollvermaschtes Netz
• Point-to-Point-Verbindungenzwischen allen Knoten
– Für N Verbindungen sindKnoten nötig (Komplexität O(N²))
– Der Anschluss eines neuenKnotens ist sehr aufwendig
+ Keine Wegwahl (Routing)
+ Redundante Pfade
+ Maximale Verbindungssicherheitbei Integration eines Routings
Teilvermaschung: kostengünstiger, aber Routing, Flow Controlund Congestion Control werden nötig (Weitverkehrsnetze)
2
)1( −NN
Arcnet (4 Mbit/s)- Koaxkabel- stern- oder busförmig, bis 50m
Ethernet (IEEE 802.3, 10 MBit/s)- das mit Abstand weitverbreitetste Netz - erhältlich in einer “Unzahl” von Varianten
Token Ring (IEEE 802.5, 4/16 Mbit/s)- lange Zeit der Konkurrent von Ethernet- erweitert zu FDDI (Fiber distributed Data Interface)
Fast-Ethernet (IEEE 802.3a, 100 Mbit/s)- Erweiterung von Ethernet für kleinere Distanzen
Gigabit-Ethernet (IEEE 802.3ab, 1,000 Mbit/s)- das zur Zeit meistdiskutierte Konzept;
(dürfte den Kampf gegen ATM im Nahbereich gewinnen!)
LANs: Beispiele
Metropolitan Area Networks
• Überbrücken größere Distanzen als ein LAN, Einsatz z.B. im Stadtbereich.
Bus A
Bus B
. . .1 2 3 NHead-End(erzeugt Sende-Berechtigungs-slots)
AngeschlosseneStation (mehrereBusinterfacessind notwendig)
Beispiel: Distributed Queue Dual Bus (DQDB, IEEE 802.6)• Ausdehnung bis 100 km durchaus zulässig.
Fließbandprinzip; Slots fester Länge für Übertragungen “von links nach rechts”
Sendeberechtigungs-Slots für Übertragungen “von rechts nach links”
Metropolitan Area Network (MAN)
MAN
Wide Area Networks
•Überbrückung beliebig großer Distanzen. •Topologie fast immer irregulär, weil bedarfsorientiert.•Meist recht komplexe Zusammenschaltung von Teilnetzen, die im Besitz von unterschiedlichen Betreiber sind.
•Geringere Datenraten als bei LAN, aber deutliche Steigerung (Beispiel ATM: 622 Mbit/s).
Subnet
Router
HostLAN
Wide Area Network (WAN)
Infrastruktur
Kupferdoppelader
Koaxialkabel
Glasfaser
Innenleiter
innere Isolierungäußere Isolierung
Abschirmung
Kern
Glas KunststoffFunkstrecken
Satellitenverbindung
Kommunikationsprotokolle
Verbindungslose Kommunikation (z.B. Local Area Network):Daten werden durch den Transport von Paketen fester Länge übertragen, Senden erfolgt spontan ohne Reservierungen, dabei werden Absender-und Zieladresse angegeben
Verbindungsorientierte Kommunikation (z.B. Telefon) -sog. Vermittlungsnetze:• Verbindungsaufbau:
- Auswahl des Kommunikationspartners bzw. des Endgeräts, - Überprüfen der Kommunikationsbereitschaft, - Herstellen der Verbindung
• Nachrichtenübertragung: Informationsaustausch zwischen den Partnern• Verbindungsabbau: Freigabe der Endgeräte und Übertragungskanäle
Kommunikationsmodi
Verbindungslose KommunikationRechner A
Rechner C
Rechner B
• Nachricht wird in Pakete zerlegt
• Zugriff ist immer möglich, Geringe Störanfälligkeit• Es existieren alternative Pfade für die Pakete• zusätzlicher Aufwand in den Zwischenknoten
Stichwort: Paketvermittlung
Nachrichtenvermittlung:keine Zerlegung der Nachricht
Verbindungsorientierte Kommunikation
Rechner A
Rechner C
Rechner B
• Einfache Kommunikationsmethode• Fester Weg zwischen den Teilnehmern• Vermittlungsknoten schalten die Leitungen durch• Exklusive Nutzung der Leitung (Telefon) oder virtuelle Verbindung
Stichwort: Leitungsvermittlung
Paketvermittlung
Um eine Kommunikation durchzuführen, müssen die Kommunikationspartnerdie gleiche „Sprache“ sprechen.
→ Übertragungsrichtung→ Prioritäten→ Fehlerüberwachung→ Reihenfolgeüberwachung→ Flußkontrollmechanismen→ Segmentierung und Zusammensetzen von Nachrichten→ Multiplexing→ Routing
Warum Protokolle?
Ein Protokoll ist definiert als die Gesamtheit aller Vereinbarungen zwischen Anwendungsprozessen zum Zweck einer gemeinsamenKommunikation
Unabdingbar für den flächendeckenden praktischen Einsatz vonKommunikationssystemen:
• Konsequenz: Standardisierung erfolgt sehr langsam (aus vielen, meist nicht-technischen, Gründen).
• Auf nationaler ebenso wie auf internationaler Ebene!
• komplizierte technische Probleme zu lösen sind • die beteiligten Partner, z.B. Firmen, z.T. eher gegeneinander als miteinander arbeiten • der Meinungsaustausch durch Vertraulichkeitsrestriktionen erschwert wird
• Erfolgreiche Standardisierung ist sehr schwierig, weil:
Standardisierung
International Telecommunication Union - ITU
• Sitz in Genf• hat bisher mehr als 1,000 Standards verabschiedet• ITU-R: Radio Communication Sector
(ex: International Consultative Committee for Radio - CCIR)• ITU-T: Telecommunications Sector
(ex: International Consultative Committee for Telephone and Telegraph - CCITT)
European Telecommunication Standardization Institute - ETSI
• Z.B. verantwortlich für den GSM-Standard;GSM = Groupe Spéciale Mobile. Heutiger Standard für Mobilfunksysteme
www.itu.org
www.etsi.org
Standardisierungsgremien -Auswahl
Internet Engineering Task Force
Institute of Electrical and Electronic Engineers - IEEE• Verantwortlich z.B. für die
IEEE 802.X-Standards für Lokale Netze
American National StandardsInstitute - ANSI
www.ieee.org
www.ansi.org
www.ietf.org
Freiwillige Industriekonsortien• Solche Konsortien arbeiten meist schneller und sind häufig erfolgreicher als
“bürokratische” Organisationen • (siehe schnelle Verbreitung von Fast Ethernet, JAVA etc.)
Standardisierungsgremien -Auswahl
Standardisierungsgremien -Auswahl
International Standards Organization - ISO• Organisation, die auf freiwilliger Basis arbeitet (seit 1946).• Mitglieder: Standardisierungsorganisationen von ca. 90 Ländern.
• Beschäftigt sich mit einem sehr weiten Spektrum von Standards• Hat 200 Technical Committees (TC) mit spezifischen Aufgaben
(z.B. TC97 für Computer und Informationsverarbeitung).• TC haben Subkomitees, die wiederum in Arbeitsgruppen
unterteilt sind.
• Zusammenarbeit mit ITU-T bzgl. Telekommunikationsstandards, (ISO ist Mitglied von ITU-T).
• Bahnbrechende Leistung von ISO bzgl. Datenkommunikation: Das ISO-OSI-Referenzmodell.
• Bahnbrechend bzgl. des Konzepts, nicht wegen der daraus entstandenen Produkte!
www.iso.ch
Die Ebenen 5 und 6 sind nur selten implementiertworden.
Anwendung7
Darstellung6
Sitzung5
Transport4
Vermittlung3
Sicherung2
1
AnwendungsbezogeneProtokolle
Weitgehend netz-unabhängigerEnde-zu-Ende-Transport
Adressierung undRouting von Paketen
Sicherung von “Frames”;Flusskontrolle
Bit Signaldarstellung; Zeichenübertragung
Hauptkritikpunkte:7 Schichten (Ebenen, Layer)
Übertragungsmedium (”Ebene 0”)
Generell zuviel Aufwand. Manches ist überflüssig, anderes ist überladen.
Das ISO-OSI-Referenzmodell
Bewältigung der Komplexität einer Kommunikation (also derEinzelheiten, auf die man achten muß) durch Schichten.
OSI: Open Systems Interconnection
Application
Presentation
S es s ion
T rans port
N etwor k
D ata link
P h ysical
A nwendung
D arstellung
Sitzung
Transport
Vermitt lung
Sicherung
Bitüber-tragung
Anwendungsprotokoll
Darstellungsprotokoll
Sitzungsprotokoll
Transportprotokoll
Layer
Interface
Schicht
Schnittstelle
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
Host A Host B
VermittlungVermittlung
Sicherung Sicherung
Bitüber-tragung
Bitüber-tragung
Internes Subnet-Protokoll
Grenze des Kommunikations-Subnets
Anwendungsprogramm Anwendungsprogramm
anwendungs-orientiert
netzorientiert
„Schicht 0“
Zwischen-knoten
SDUPDU
Das ISO-OSI-Referenzmodell
Wechselspiel zwischen den Schichten
• Eine Schicht zerlegt eine Nachricht in Protocol Data Units (PDU).
• Eine Schicht bietet der über ihr liegenden Schicht Dienste an.
• Zwei Kommunikationspartner tauschen PDUs aus und nutzen dazudie Dienste der nächsttieferen Schicht.
• Die Schichten tauschen dabei Service Data Units (SDU) aus.
Schicht (n-1) Schicht (n-1)
Schicht n Schicht nn-PDU
n-SDUH
(n-1)-PDU H: Header, d.h. Kontroll-informationen der Schicht
Der Kommunikationsprozess
Bitübertragungs-schicht
Sicherungs-schicht
Vermittlungs-schicht
Transport-schicht
Sitzungs-schicht
Darstellungs-schicht
Anwendungs-schicht
Anwendungs-prozess
Bitübertragungs-schicht
Sicherungs-schicht
Vermittlungs-schicht
Transport-schicht
Sitzungs-schicht
Darstellungs-schicht
Anwendungs-schicht
Anwendungs-prozess
Daten
DatenH
A-PDUH
D-PDUH
S-PDUH
T-PDUH
V-PDUH
Übertragungsmedium
Bitstrom
T
1. Zeitaspekte
Das Terrain war schon weitgehend besetzt; TCP/IP-Protokolle waren bereits weit verbreitet, als OSI die fertige Spezifikation vorlegte.
3. Umständlichkeit
Sehr hoher und z.T. überflüssiger Aufwand (Tausende von Seiten anSpezifikationsbeschreibungen)Der Wunsch, alle Sonderfälle befriedigen zu können, führte zu einer Unzahl von Optionen, welche die Produkte aufwendig, unhandlich und unbezahlbar machten. “The option is the enemy of the standard”!
2. UnverbindlichkeitEin „Referenzmodell“ ist allzu unverbindlich. Es sagt allenfalls, was gemacht werden soll, nicht aber wie es gemacht werden soll.
Probleme des Referenzmodells
5. Überhastete Produktankündigungen
Erste OSI-Produkte wurden (aus Zeit-, Aufwands- und Kostengründen) zu schnell implementiert, enthielten Fehler und hatten ein insgesamt wenig überzeugendes Leistungsverhalten. Im Gegensatz dazu wurden die “eigentlich viel unmoderneren” TCP/IP-Protokolle ständig modifiziert und verbessert; sie waren qualitativ hochwertig und wegen der hohen Stückzahlen konkurrenzlos preiswert.
4. Politisches Umfeld
OSI war zu sehr von Europa dominiert - vor allem von den damals nochmit nationalen Monopolen ausgestattenen Telefongesellschaften.Die wirkliche Marktmacht saß und sitzt aber in den USA; dort interessierteman sich für OSI vergleichsweise wenig.
Probleme des Referenzmodells