VIT 3-2014

Vernetzte IT-Systeme3. Vermittlung und Betrieb

Prof. Dr. Volkmar Langer

Florian Schimanke

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http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/


3.1 Multiplextechnik


Florian Schimanke

Multiplextechnik

Was ist Multiplexing?

Vermittlung und Betrieb Seite 3

Multiplexing


XX

X

X

Verbindung ohne Multiplexing

Verbindung mit Multiplexing

1 physischer Kanal1 logischer Kanal

1 physischer Kanal3 logische Kanäle

Multiplexer /Demultiplexer

Multiplexer /Demultiplexer

Verzweiger Verzweiger

Überblick Multiplexverfahren


Multiplex-Verfahren

Frequenz-Multiplexing

Wellenlängen-

Multiplexing

Zeit-

Multiplexing

Synchrones

Zeitmultiplexing

PDHSONET/

SDH

Asynchrones

Zeitmultiplexing

Packet Switching

(z.B. Frame Relay)

Cell Switching

(z.B. ATM)

Code-

Multiplexing

Kupfer

LWL

Funk

Grundlegende Multiplexverfahren


Bandbreite logischer Kanal 1





Frequenzmultiplexing

Ges

amtb

and

bre

ite

des

ph

ysis

chen

Kan

als

Zeit

Grundlegende Multiplexverfahren


Zeitmultiplexing

Ges

amtb

and

bre

ite

des

ph

ysis

chen

Kan

als

Zeit

TimeslotLogischer

Kanal 1

TimeslotLogischer

Kanal 2

TimeslotLogischer

Kanal 3

TimeslotLogischer

Kanal 1

TimeslotLogischer

Kanal 2

TimeslotLogischer

Kanal 3

TimeslotLogischer

Kanal 1

Multiplexing


Synchrones Zeitmultiplexing

Asynchrones Zeitmultiplexing

Multiplexer Demultiplexer

Multiplexer Demultiplexer

A

B

A A A A AB B B B B

Feste Zuteilung der Timeslots

Flexible Zuteilung der Timeslots

A

B


3.2 Paket-/Speicher-/Leitungsvermittlung


Florian Schimanke

Vermittlungssystem – Prinzip


Vermittlungs-einheit

Eingangsport

Eingangsport

Eingangsport

Ausgangsport

Ausgangsport

Ausgangsport

Steuereinheit

Vermittlungssystem (z.B. Switch oder Router)

Vermittlungsarten

• Leitungsvermittlung– Physische Punkt-zu-Punkt-Verbindung

• Speichervermittlung– Keine direkte Verbindung

– „Store and Forward“-Verbindung

• Paketvermittlung– Kombination aus Leitungs- und Speichervermittlung

– Aufteilung der Daten in

Fragmente, Pakete, Datagramme, ...


Vermittlungsarten (Switching)


Vermittlungsarten

Leitungs-vermittlung

Speicher-vermittlung

Paketvermittlung

Datagramme(z.B. iP)

Virtual Circuits

(z.B. ATM)

Nachrichten-vermittlung

Leitungsvermittlung (Circuit Switching)


A

B

Sender Empfänger

Nachrichten-/Speichervermittlung (Message Switching)


A

B

Sender Empfänger

Paketvermittlung

• Prinzip:

– Erzeugung von Frames: Fragmentierung der Daten in Pakete (Blöcke) gleicher Länge

– fortlaufende Nummerierung der Pakete– Übermittlung unabhängig von

Route

Zeit


Vergleich Nachrichten- und Paketvermittlung


Nachrichtenvermittlung Paketvermittlung

tt

Paketvermittlung

• Vorteile:

– Verbindung wird nur für die tatsächliche Übertragungszeit benötigt

– Gleichzeitige Nutzung einer Leitung

– Routing ist möglich

• Nachteile:

– höherer Protokollaufwand (Multiplexing, Nummerierung, Routinginformationen, Flusssteuerung)



3.3 Grundlagen Routing


Florian Schimanke

Grundlagen Routing

Was ist unter Routing zu verstehen?

Grundlagen Routing Seite 19

Was ist Routing?

Wie kommen die Daten unter optimaler Nutzung der zur Verfügung stehenden Ressourcen von A nach B (und wieder zurück)?

Seite 20Grundlagen Routing

A

B

Ziele von Routing-Strategien

• Erzielung eines möglichst großen Gesamtdurchsatzes

• Garantie einer relativ niedrigen mittleren Ende-zu-Ende-Verzögerung inkl. aller Lauf-, Zwischenspeicher- und Abfertigungszeiten

• Vermeidung von lokalen Netzüberlastungen durch Umleitung des Verkehrs bei Eintreten von Stausituationen


Routing-Prinzip

ankommendesDatenpaket

ankommendesDatenpaket

Zielknoten erreicht?Zielknoten erreicht?

RoutingtabelleRoutingtabelleWeiterleitungan nächsten

Router

Weiterleitungan nächsten

Router

Weiterleitungan

Endgerät (DEE)

Weiterleitungan

Endgerät (DEE)


ja

nein

//

Einfachste Routing-Tabelle

Routing-Tabelle

Schicht 3 Adressen

Entfernung in Hops

Next Hop

Jedes Durchlaufen eines Paketes durch einen Router auf dem Wegvom Sender zum Empfänger wird als Hop bezeichnet!


Beispiel für Routing-Tabellen

Netz Next Hop MetrikN1 A 2N2 E 3... ... ...

Netz Next Hop Hops

N1 A 1

N2 C 1

... ... ...

Netz Next Hop Hops

N1 B 2

N2 direkt 0

... ... ...

Netz Next Hop Hops

N1 A 1

N2 E 2

... ... ...

Netz Next Hop Hops

N1 B 2

N2 1

... ... ...

Netz Next Hop Hops

N1 direkt 0

N2 B 2

N2 D 2

N2 D 5

N3 B 8


A

CD

E

B

N1N2

N2 B 3

direkt

Beispiel: Routing im OSI Referenzmodell

ApplicationPresentation

SessionTransportNetwork

Data LinkPhysical

ApplicationPresentation

SessionTransportNetwork

Data LinkPhysical

ANetwork

Data LinkPhysical

BNetwork

Data LinkPhysical

CNetwork

Data LinkPhysical


A

CD

E

B

N1 N2

Optimierungskriterien

• hoher Datendurchsatz• gleichmäßige Lastverteilung• Kostenminimierung• Sicherheit

erfordert ständige Aktualisierung der Routingtabellen!Praxis: Kompromiss zwischen Routingeffizienz und Datenaktualität!

Routing-Tabelle: statt Hops dann Metrik!Routing-Verfahren vgl. Kap. 6.4



3.4 Flusssteuerung


Florian Schimanke

Flusskontrolle (flow control)

• Protokollelement, das die Kommunikation zwischen

…………………………… leistungsfähigen Systemen im Netz ermöglicht

……………………………………………….. zwischen Sender und Empfänger!

Seite 28Vermittlung und Betrieb

Puffer

unterschiedlich

Geschwindigkeitsanpassung

Problem bei Stop-and-Wait

Kapazität der Übertragungsleitung wird nicht ausgelastet!


Daten

ACK

Stop-and-Wait

Problem bei Stop-and-Wait

Kapazität der Übertragungsleitung wird optimal genutzt Keeping the pipe full


Daten

ACK

Packet-Pipeline

Sliding-Window-Verfahren

• jeder Frame erhält eine Sequenznummer• der Sender besitzt ein Schiebefenster (sliding window):

• jeder gesendete Frame erzeugt einen Eintrag im Schiebefenster– Jeder Eintrag steht für einen gesendeten Frame– LAR: Last Acknowledgement Received bis zu diesem Frame (incl.) wurden

alle quittiert– LFS: Last Frame Sent– SWS: Sender Window Size - max. SWS Frames werden ohne ACK

abgeschickt


5 6 7 8 9 10 11 12 13 14… …

SWS

LAR LFS

LFS – LAR ≤ SWS


• der Empfänger hat ebenfalls ein Sliding Window

• jedes empfangene Frame erzeugt einen Eintrag– LFR: Last Frame Received - alle n Frames mit n ≤ LFR wurden

korrekt empfangen und quittiert– LAF: Largest Acceptable Frame - Frame n wird nur akzeptiert,

wenn LFR < n ≤ LAF– RWS: Receiver Window Size - Anzahl der Pufferplätze beim

Empfänger


5 6 8 9 14… …

RWS

LFR LAF

LAF – LFR ≤ RWS


TCP/IP-Protokollfamilie Seite 34

Send 1

Send 2

Send 3

ACK 2

ACK 3

ACK 4

Send 1, 2, 3

ACK 3Window 2

Send 3, 4, 5

ACK 5Window 2

Send 5, 6

ACK 7Window 2

Sender Empfänger Sender Empfänger

Static window Sliding window

X

X

Funktionen/Aufgaben von Sliding Window

• Sicherung der Übertragung

– Neu-Übertragung bei Verlust

– Korrekte Frame-Reihenfolge

• Empfänger gibt nur die Frames mit

Sequenznummer ≤ LFR an die obere Schicht weiter

• Flusskontrolle (durch kleine Erweiterung)

Abstimmung über jeweils aktuelle Fenstergröße



3.5 Sicherheit und Zuverlässigkeit


Florian Schimanke

Sicherheit und Zuverlässigkeit

Sicherheit (security) in Netzwerken Betriebsmittelzuordnung

Berechtigungsschutz

Zugriffsschutz und Datenschutz

Speziell Abhörsicherheit in Netzwerken

Zuverlässigkeit (reliability) Verfügbarkeit (availability)

Mittlere Fehlerintervall (MTBF: mean time between failure)

Mittlere Reparaturdauer (MTTR: mean time to repair)


Sicherheit (security)

• Betriebsmittelzuordnung: Jeder angenommene Job (z.B. Anfrage,

Druckerjob, Datensicherung) muss in angemessener Zeit bearbeitet

werden.

• Berechtigungsschutz: Innerhalb eines Multiusersystems muss jeder

User vor allen anderen geschützt werden, insbesondere vor deren

Fehlern.

• Zugriffs- und Datenschutz: Die Daten der einzelnen User müssen vor

einem zufälligen oder gezieltem Zugriff anderer geschützt werden.

• Speziell Abhörsicherheit: Da die Informationen im Netzwerk häufig

lange Übertragungswege zurücklegen, ist der Einsatz von

Verschlüsselungsverfahren notwendig.


Zuverlässigkeit/Verfügbarkeit

Unter der Verfügbarkeit von x% eines Systems ist zu verstehen, dass das System während x% der zugesagten Funktionszeit seine Leistung störungsfrei erbringt!

wichtig für verbindliche Leistungszusagen (service level agreements – SLA´s)

Bsp: Ein Router hat eine Verfügbarkeit von 99,9%

24h x 30 x 12 = 8640h knapp 9 Stunden Ausfall/Jahr!!!


Parameter für Verfügbarkeit

Mittlere Fehlerintervall (MTBF: mean time between failure):

Angabe für das durchschnittliche Zeitintervall, während dessen

ein System fehlerfrei arbeitet.

Bsp.: Angaben bei Festplatten ca. 40 000 - 60 000h

Mittlere Reparaturdauer (MTTR: mean time to repair):

Angabe für die durchschnittliche Zeitspanne, in der ein

erkannter/gemeldeter Fehler behoben werden kann.

Bsp.: 24h-Service auf PC´s bis hin zu Sekunden-Service bei

Netzknoten


Qualität und Verfügbarkeit

Wie kann hohe Verfügbarkeit erreicht werden?Generell durch Redundanz: Komponenten, Subsystem und

Systeme werden mehrfach bereitgestellt um möglichst hohe

Verfügbarkeit zu erzielen

„Kalter Ersatzrechner“

„Heißer Ersatzrechner“

Intrinsische Überwachung via Netz

Konzept der „ausfallsicheren“ Systeme (Parallel/Einzelbetrieb)


Abschätzung/Berechnung der Verfügbarkeit

Wie kann die Verfügbarkeit eines Systems, das Redundanz enthält, bestimmt werden? Die resultierende Ausfallwahrscheinlichkeit bei

Zusammenschalten von Einzelkomponenten mit individueller Ausfallwahrscheinlichkeit wird wie folgt berechnet:

Die Ausfallwahrscheinlichkeiten der einzelnen Komponenten addieren sich, wenn

…………………………………...besteht.

Die Ausfallwahrscheinlichkeiten der einzelnen Komponenten müssen multipliziert werden, wenn

……………………………….. bestehen.


keine Alternative

Alternativen

Quellenhinweise

[1] J. Scherff: Grundkurs Computernetze. Eine kompakte Einführung in die Netzwerk- und Internet-Technologien, 2., überarbeitete und erweiterte Auflage 2010, Wiesbaden: Vieweg + Teubner Verlag.

[2] L.L. Peterson, B.S. Davie: Computernetze – Eine systemorientierte Einführung, dpunkt.verlag Heidelberg, 2008

[3] Tanenbaum, Andrew S.: Computernetzwerke. 4., überarb. Aufl., [4. Nachdr.]. München: Pearson-Studium (InformatikNetzwerke), 2007

[4] Cisco Networking Academy Program, 1. und 2. Semester CCNA, 3. Auflage, Markt und Technik Verlag, München, 2007

[5] Cisco Academy @ HSW:

https://www.hsw-elearning.de/cisco/, 2013

August 2014

https://www.hsw-elearning.de/cisco/

Education

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