Zeit x zur Übertragung von n Bits bei Distanz d, Signalausbreitungs‐
geschwindigkeit l, Bandbreite b und Queuing‐Zeit q:
Delay einer Multi‐Hop‐Übertragung
Grundlagen der Rechnernetze ‐Einführung 59
H2 H1
d
Delay‐Bandbreiten‐Produkt
Bandbreite
Delay
Beispiel: Anzahl Bits n die ein Kanal mit 100ms Latenz und 50Mbps
Bandbreite speichert
Transferzeit und Effektiver Durchsatz
Grundlagen der Rechnernetze ‐Einführung 61
H2 H1
Beispiel: Überschlagsrechnung zu Transferzeit z und effektivem Durchsatz d und bei
Abrufen einer 1MB Datei über einen Kanal mit 1Gbps Bandbreite und 92ms RTT:
Bitfehlerrate und Paketverlustrate
010100010111100010011101110010110001101
Bitfehler
Paketfehler
Paket 1 Paket 2 Paket 3 Paket 4
Einfacher Zusammenhang zwischen BER und PER, für n Bit
Nachrichten ohne Fehlerkorrektur
Additive und Bottleneck‐Kosten
Grundlagen der Rechnernetze ‐Einführung 63
H1 H2
R1
R2
R3
10ms 5ms 10ms
20ms
1Mbps 1Gbps 1Gbps
1Mbps
Beispiel: Delay d und Bandbreite b zwischen zwischen H1 und H2
e
1e
2e
3e
4Multiplikative Kosten
Beispiel: Gesamtpaketerfolgsrate bei gegebenen Paketverlustraten pro Link
H1 H2
R1
R2
R3 p
1=2/3 p
2=1/3 p
3=1/2
p
4=1/2
e
1e
2e
3e
4Performance
Beispiel: Effektiver Durchsatz von Packet‐Switching
Grundlagen der Rechnernetze ‐Einführung 65
Delay‐Einsparungen
H1 H2
Circuit‐Switching
R1 R2 H1 H2
Message‐Switching
R1 R2 H1 H2
Packet‐Switching
R1 R2
Einfluss der Paketgröße
Grundlagen der Rechnernetze ‐Einführung 67
H1
H2
R1 R2
Nachrichtenlänge n Bits Paket‐Payload k Bits Paket‐Header c Bits Bandbreite b bps
Delay pro Hop d Sekunden Anzahl Hops h
Effektiver Durchsatz x
Beispiel‐Plot
Paketgröße in KB
Ef fe kt iv e r Dur chsa tz in Gbp s
Nachrichtengröße 1 GB Bandbreite 1 Gbps Header‐Größe 64 Byte
Anzahl Hops 10
Delay pro Hop 10 ms
Performance
Beispiel: Vorteil von statistischem Multiplexing
Grundlagen der Rechnernetze ‐Einführung 69
Statisches versus Statistisches Multiplexing
Verhältnis x der mittleren Bandbreite pro Knoten von statistischem über statischem Multiplexing bei n Knoten, Zugriffswahrschein‐
lichkeit p und Bandbreite b
H
1H
n… b bps
p
p
Beispiel‐Plot
Grundlagen der Rechnernetze ‐Einführung 71
Anzahl Knoten
Ang e pass te über fe ste r Bandbr eit enz uw eisung
50% Zugriffwahrscheinlichkeit
70% Zugriffwahrscheinlichkeit
90% Zugriffwahrscheinlichkeit
Geschichte und Gegenwart
Geschichte und Gegenwart
Entwicklung des Internet
Grundlagen der Rechnernetze ‐Einführung 73
Packet‐Switching der ersten Stunde
Ende der 1950er Auf Höhe des kalten Krieges möchte das DoD
(1)eine Lösung für ein Command und
Kontrollzentrumsnetz, welches einen nuklearen Angriff überlebt.
Gegen 1960 Das DoD beschließt einen Vertrag mit RAND Corporation, eine
Lösung zu finden. Mitarbeiter Paul Baran entwickelte ein stark verteiltes und fehlertolerantes System auf Basis von digitalem Packet‐Switching. Der zu dieser Zeit amerikanische
Telefonmonopolist AT&T findet dieses System jedoch nicht realisierbar.
(1)Das DoD ist das Department of Defense der USA.
Struktur des Telefonsystems
Barans verteiltes Switching‐System
Das ARPANET
Grundlagen der Rechnernetze ‐Einführung 75
1967 Die ARPA(1)wechselt ihren Schwerpunkt unter der Leitung von Larry Roberts auf die
Erforschung von Netzen. Einer der damals kontaktierten Experten, Wesley Clark,
entwickelt ein Packet‐Switched Subnetz, in dem jeder Host an einen Router angebunden ist.
Unabhängig davon wurde unter Leitung von Donald Davies am NPL(2) ein ähnliches Packet‐
Switching‐System entworfen und sogar als Campus‐Netz schon implementiert. Das NPL referenziert hierbei die ursprünglich abgelehnte Arbeit von Paul Baran.
1969 Die ARPA beauftragt die Consulting‐Firma BBN in Cambridge ein solches Netz und die dazu notwendige Netzsoftware zu entwickeln. Des Weiteren werden Graduate‐Studenten der Universität Utah damit beauftragt die Host‐
Software zu entwickeln. Das Ergebnis ist das ARPANET welches schnell größer wurde und bald die ganze USA abdeckte.
(1)Die ARPA, Advanced Research Projects Agency, ist ein staatlicher, amerikanischer, militärischer Forschungsförderer für Universitäten und Industrie.
(2)Das NPL ist das National Physical Laboratory in England.
Dez 1969 Jul 1970 Mär 1971
Apr 1972 Sep 1972
Der Zuwachs im ARPANET
Struktur des Packet‐Switched Subets nach Clark
Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, „Computer Networks“, Fourth Edition, 2003
Das ARPANET und NSFNET
1974 Die ersten ARPANET‐Protokolle erlaubten keine transparente End‐to‐End‐
Kommunikation über verschiedene Netze. Dies wurde mit wachsen des ARPANET immer wichtiger und führte schließlich zur Entwicklung von TCP/IP von Vinton Cerf und Robert Kahn.
Die ARPA forcierte die Verwendung von TCP/IP durch Verträge mit BBN und der University of California Berkeley, die neuen Protokolle in Berkeley Unix zu integrieren. Hierbei wurde auch die Socket‐Schnittstelle entwickelt.
Späte 1970 bis Ende 1980er
Die Teilnahme am ARPANET erforderte einen Vertrag mit dem DoD. Daher beschloss man im NSF(1) einen für alle US Universitäten freien Nachfolger des ARPANETs zu bauen. Der Anfang war ein USA umspannender Backbone, der sechs Super‐Computer‐Center
verband. An den Backbone wurden etwa 20 regionale von der NSF geförderte Netze angebunden. Das Ergebnis war das NSFNET. Das ARPANET und das NSFNET wurden erstmals an der Universität Carnegie‐
Mellon verbunden.
Das NSF‐Backbone 1988
Kommerzialisierung des Internet
Grundlagen der Rechnernetze ‐Einführung 77
Während der 1980er Mit dem immer größer werden der Netze wurde das Auffinden von Hosts anhand von IP‐Adressen immer aufwendiger. Als Lösung wurde eine
hierarchische Namensstruktur, das DNS (Domain Name System), entwickelt.
Das NSFNET verband Nutzer an tausenden von US Universitäten,
Forschungslaboren, Bibliotheken und Museen. Es war damit permanent überladen. Die NSF beschloss einen Vertrag mit MERIT, einem Konsortium in Michigan, das Netz weiter zu betreiben. Damit erfuhr der Backbone des NSFNET einen Upgrade (zunächst von 56kbps auf 448kbps (Fiber‐Channels von MCI) und dann noch mal auf 1.5Mbps Lines)
Mit dem Zusammenschluss von ARPANET und NSFNET schlossen sich viele weitere regionale Netze und Netze in Kanada, Europa, und Pazifik an.
1990 Als ersten Schritt in Richtung Kommerzialisierung gibt die NSF das NSFNET an die nonprofit Corporation ANS (Advanced Networks and Services) von MERIT, MCI und IBM ab. Das ANS machte einen Upgrade des NSFNET Backbones auf das ANSNET, von 1.5Mbps auf 45Mbps Lines.
Des Weiteren schloss das NSF Verträge mit den Netzbettreibern PacBell, Ameritech, MFS und Sprint ab, die einen fairen Wettbewerb der
Netzanbieter sicher stellten.
1995 Das ANSNET wurde an American Online verkauft. Damit begann die Kommerzialisierung von IP‐Diensten.
WWW
Während der 1990er In vielen anderen Ländern entstehen nationale Forschungsnetze,
häufig ähnlich gestaltet wie das ARPANET und NSFNET. Beispiele sind in Europa EuropaNET und EBONE, die mit 2Mbps starteten, einen
Upgrade auf 34Mbps erfuhren und dann irgendwann ebenfalls an die Industrie abgegeben wurden.
Bis in die frühen 1990er waren Akademiker die Anwender des Internet.
Die Hauptanwendungen waren Email, News, Remote‐Login und File‐
Transfer. Dies änderte sich schlagartig mit der Erfindung des WWW des CERN Physikers Tim Berners‐Lee und des Mosaik‐Browsers von Marc Andreesen am National Center for Supercomputer Applications in Urbana, Illinois.
Es entstanden viele Internet‐Service‐Provider (ISP), die es einer immer größer werdenden Zahl von Endnutzern ermöglichten sich von
Zuhause ins Internet einzuwählen.
Vereinfachte Übersicht des heutigen Internets
Grundlagen der Rechnernetze ‐Einführung 79
Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, „Computer Networks“, Fourth Edition, 2003
Geschichte und Gegenwart
Telefonnetze, LANs und Standardisierung
Wide‐Area Datennetze
Grundlagen der Rechnernetze ‐Einführung 81
1970er Das verbindungsorientierte Wide‐Area Datennetz der ersten Stunde ist das in den 1970er entwickelte X.25 System. Das System wurde etwa ein Jahrzehnt verwendet.
1980er In den 1980ern wird X.25 im wesentlichen durch ein neues System, Frame‐Relay, ersetzt. Es diente (zum Teil sogar bis heute)
hauptsächlich zum verbinden von LANs.
1990er In den 1990er wurde ATM (Asynchronous Transfer Mode)
entwickelt. Das Ziel war der Zusammenschluss von Sprache, Daten, Kabelfernsehn, Telex, Telegraph in einem einzigen Datennetz (ATM
= Internet versus Telcos). ATM hatte zwar nicht den ursprünglich erhofften Erfolg, wird aber häufig von Carriern für internen
Datentransport von Internet‐Traffic verwendet.
Local‐Area‐Netze
Frühe 1970er Norman Abrahamson und Kollegen der Universität Hawaii entwickeln das drahtlose (Short‐Range‐Radio) ALOHANET mit dem Computer der anliegenden Inseln mit dem Hauptcomputer auf Honolulu
kommunizieren können.
1976 Auf der Basis der Arbeit von Norman Abrahamson entwickeln Bob
Metcalfe und David Boggs bei Xerox PARC das erste LAN mit dem Namen Ethernet (ursprüngliche Datenrate: 2.94Mbps).
1978 Das Xerox Ethernet wurde 1978 von DEC, Intel und Xerox als 10Mbps
Ethernet unter dem Namen DIX standardisiert.
Local‐Area‐Netze
Grundlagen der Rechnernetze ‐Einführung 83
Ab 1978 Bob Metcalfe gründet die Firma 3Com und verkauft über 100 Millionen Ethernet‐Adapter.
Ethernet wurde über die Jahre immer weiter entwickelt: 100Mbps und 1000Mbps, Switching, Cabling etc.
Neben dem Ethernet‐Standard wurden auch ein Token‐Bus und ein Token‐Ring‐LAN‐Standard etabliert. Der Ethernet‐Standard hat sich jedoch weitestgehend hier gegenüber durchgesetzt.
Mitte der 1990er Standardisierung eine Ethernet‐kompatiblen drahtlosen LAN‐Technik namens WiFi.
Drahtloses Netz mit Access‐Point Ad‐hoc Netz Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, „Computer Networks“, Fourth Edition, 2003
Standardisierungsgremien
Telekommunikation
ITU International Telecommunicaiton Union
Internationale Standards
ISO International Standards Organization
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineering
Internet‐Standards ISOC Internet Society
IAB Internet Architecture Board IRTF Internet Research Task Force IETF Internet Engineering Task Force
IEEE 802 Working‐Groups
Zusammenfassung und Literatur
Grundlagen der Rechnernetze ‐Einführung 85
Zusammenfassung
• Rekursive Definition eines Netzes
• Skalierbarkeit durch hierarchische Aggregation
• Adressierung, Routing, Forwarding
• Statistisches Multiplexing
• Layering, Protokolle
• Separation‐of‐Concerns
• OSI‐Modell, Internet‐Hour‐Glass‐Modell
• Latenz und Bandbreite
• Standardisierungen
Literatur
[PetersonDavie2007] Larry L. Peterson and Bruce S. Davie, „Computer Networks: A Systems Approach“, Edition 4, 2007.
1.2 Requirements
1.3 Network Architecture
1.4.1 Application Programming Interface (Sockets) 1.5 Performance
4.1.1 What is an Internetwork?
4.1.3 Global Addresses
4.1.4 Datagramm Forwarding in IP 4.3.1 Subnetting
4.3.2 Classless Routing (CIDR)
[Tanenbaum2003] Andrew S. Tanenbaum, „Computer Networks“, Fourth Edition, 2003.
1.5 Example Networks
1.6 Network Standardization
Grundlagen der Rechnernetze ‐Einführung 87
