1 Einf ¨uhrung

(1)

Roland Wism ¨uller Universit ¨at Siegen

rolanda.dwismuellera@duni-siegena.dde Tel.: 0271/740-4050, B ¨uro: H-B 8404

Stand: 29. M ¨arz 2021

Rechnernetze I

SoSe 2021

(2)

Rechnernetze I

SoSe 2021

1 Einf ¨uhrung

(3)

1 Einf ¨uhrung ...

Inhalt

➥ Motivation

➥ Verbindungsstrukturen

➥ Anforderungen an Netze

➥ Leistungsparameter

➥ Peterson, Kap. 1.2

➥ CCNA, Kap. 1

(4)

1.1 Motivation

The Network is the Computer

➥ Vernetzungsaspekt wird zunehmend wichtiger als lokale Datenverarbeitung

➥ Boom im Bereich der Vernetzung / Netzwerktechnik

➥ ausgel ¨ost durch WWW / Internet

(5)

1.1 Motivation ...

Entwicklung des Internet

10 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

Anzahl der ans Internet angeschlossenen Rechner

(6)

1.1 Motivation ...

10 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

1969: Arpanet: 4 Rechner

Univ. of California, Santa Barbara Univ. of California, Los Angeles Stanford Research Institute

Univ. of Utah

(7)

1.1 Motivation ...

10 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

1973: Idee des Ethernet (LAN) 1974: TCP/IP Protokoll

(8)

1.1 Motivation ...

10 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

1984: Entwicklung des Domain Name Service

z.B. www.google.de

(9)

1.1 Motivation ...

10 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

1988: erster Internet−Wurm legt

6000 der 60000 Rechner lahm

(10)

1.1 Motivation ...

10 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

1991: Entwicklung des

World Wide Web (CERN)

(11)

1.2 Strukturen von Rechnernetzen

Grundelemente eines Rechnernetzes

➥ Knoten: Endger ¨ate (Rechner, Host), Vermittlungsknoten (Switch, Router, ...)

➥ Verbindungen (

”Leitung“): Kabel, Glasfaser, Funk, ...

Verbindungsstrukturen

➥ Punkt-zu-Punkt Verbindung:

➥ Mehrfachzugriffsverbindung (Bus):

...

(12)

1.2 Strukturen von Rechnernetzen ...

Verbindungsstrukturen ...

➥ Vermitteltes Netzwerk

➥ Punkt-zu-Punkt Verbindungen mit Vermittlungsknoten (Switch)

Switch Host

x

x x

x

(13)

1.2 Strukturen von Rechnernetzen ...

Verbindungsstrukturen ...

➥ Zusammenschluß mehrere Netze (Internetwork)

➥ Kopplung mehrerer Subnetze durch Knoten (Router)

R

R R

Subnetz

Host

Router

(14)

1.2 Strukturen von Rechnernetzen ...

Allgemeine Struktur eines Netzwerks

➥ Ein Netzwerk besteht aus

➥ mehreren Knoten, verbunden durch eine Leitung oder

➥ mehreren Netzwerken, verbunden durch ein oder mehrere Knoten

x

x x

x

x ^R

R R

(15)

1.2 Strukturen von Rechnernetzen ...

Beispiel f ¨ur ein Netzwerk

LAN

WAN Internet Router (Gateway)

(Router)

Vermittlungsknoten

Endgerät (Host) Drucker ...

z.B. Rechner, (Token Ring)

LAN

(WLAN)

Ethernet) (Switched

(16)

1.2 Strukturen von Rechnernetzen ...

Klassifikation nach geographischer Ausdehnung

➥ SAN: System Area Network

➥ Hochgeschwindigkeitsnetz, innerhalb eines Raums

➥ LAN: Local Area Network

➥ ≤ 1 km, innerhalb eines Geb ¨audekomplexes, z.B. Ethernet

➥ MAN: Metropolitan Area Network

➥ ≤ 10 km, innerhalb einer Stadt

➥ WAN: Wide Area Network

➥ l ¨ander-bzw. weltumspannend, z.B. Internet

➥ Einsatz jeweils unterschiedlicher Technologien

(17)

1.2 Strukturen von Rechnernetzen ...

Wichtige Begriffe / Aufgaben

➥ Adressierung

➥ physische Adresse: identifiziert Host weltweit eindeutig, keine Information ¨uber das Netz des Hosts

➥ logische Adresse: identifiziert Netz und Host in diesem Netz

➥ Verwendung numerischer Adressen

➥ Anzahl der Empf ¨anger

➥ Unicast: genau einer

➥ Broadcast: alle

➥ Multicast: mehrere bestimmte

➥ Routing / Forwarding (Vermittlung / Weiterleitung)

➥ Weiterleitung der Daten zum Empf ¨anger durch Zwischen- knoten

(18)

1.2 Strukturen von Rechnernetzen ...

LAN

(Router)

Vermittlungsknoten

LAN

(WLAN)

Ethernet) (Switched

Physische Adressen

1 5 10 18

3 6

4

2 12

17 19

11 16

15

7 20

8

13 14

9 21

22

(19)

1.2 Strukturen von Rechnernetzen ...

LAN

(Router)

Vermittlungsknoten

LAN

(WLAN)

Ethernet) (Switched

Logische Adressen

1.1 1.2 1.3 1.4

2.1 2.2

2.5

2.7

2.9

8.1

8.5

8.17 8.9 8.12

3.1 4.1

5.1

6.1

9.1 10.1 7.1

13.1

(20)

1.3 Vermittlungsarten

➥ Leitungsvermittlung (circuit switching)

➥ f ¨ur die Kommunikationspartner wird eine dedizierte Verbindung hergestellt

➥ Speichervermittlung (store and forward routing)

➥ Daten werden von einer Vermittlungsstelle zur n ¨achsten weitergegeben und vollst ¨andig gepuffert

➥ Paketvermittlung (packet switching)

➥ Daten werden in Pakete zerteilt, Pakete werden unabh ¨angig voneinander bef ¨ordert

➥ typisch f ¨ur Rechnernetze

➥ Varianten: Datagrammvermittlung, virtuelle Leitungsvermitt- lung (☞ 4.1)

(21)

1.3 Vermittlungsarten ...

Leitungsvermittlung

➥ Kommunikationspartner sind durch die geschaltete Leitung verbunden

➥ Beispiel: fr ¨uheres Telefonnetz

Leitung wird elektrisch

durchgeschaltet

Vermittlung

(22)

1.3 Vermittlungsarten ...

Paketvermittlung

➥ Jeder Switch kann eine Anzahl von Paketen puffern

➥ F ür jedes Paket kann der Weg unabh ängig gew ählt werden

ankommendes Paket

Switch

ausgehende Puffer für

Pakete

(23)

1.3 Vermittlungsarten ...

Zeitablauf der Daten ¨ubertragung

A B C D A B C D A B C D

Leitungsvermittlung Speichervermittlung Paketvermittlung 2

3 1

2 3 1

2 3 1 Dat.

Dat.

Daten Dat.

anfrage

annahme Verbindungs−

Puffer−

verzögerung

Signal−

laufzeit

Pakete Verbindungs−

{

}

Zeit

(24)

1.4 Anforderungen an Netze

➥ Unterst ¨utzung gemeinsamer Dienste

➥ Netzwerk stellt Kan ¨ale zwischen Anwendungen bereit

➥ Zuverl ¨assigkeit

➥ Bitfehler (z.B. durch elektrische St ¨orungen)

➥ Paketverlust (z.B. bei Puffer ¨uberlauf)

➥ Ausfall von Leitungen bzw. Vermittlungsknoten

➥ Garantierte Paketreihenfolge?

➥ Sicherheit

➥ Abh ¨oren von Daten, Manipluation von Daten, ...

➥ Leistung

➥ Bandbreite, Latenz, Jitter

(25)

1.5 Leistungsparameter

➥ Bandbreite ( ¨Ubertragungsrate)

➥ Ubertragbares Datenvolumen pro Zeiteinheit¨

➥ Maßeinheit: Bits pro Sekunde (b/s bzw. bps)

➥ Vorsicht bei den Maßeinheiten:

➥ 1 kb/s = 1000 Bits/Sekunde, 1 Mb/s = 1000 kb/s

➥ 1 KB = 1024 Bytes, 1 MB = 1024 KB (nach NIST: KiB statt KB, MiB statt MB)

➥ Unterscheidung:

➥ Bandbreite der Leitung

➥ Ende-zu-Ende Bandbreite (zw. Anwendungen)

➥ Durchsatz: tats ¨achlich erreichte Bandbreite

➥ Durchsatz = Transfergr ¨oße / Transferzeit

(26)

1.5 Leistungsparameter ...

➥ Transferzeit

➥ Zeit vom Beginn des Absendens einer Nachricht bis zu ihrem vollst ¨andigen Empfang

➥ Round-Trip-Time (RTT)

➥ Zeit, um eine (leere) Nachricht von A nach B und wieder zur ¨uck zu schicken

➥ Latenz

➥ Achtung: der Begriff Latenz wird mehrdeutig verwendet!

➥ als synonym f ¨ur Transferzeit

➥ oder oft auch f ¨ur die Transferzeit einer leeren Nachricht

(27)

1.5 Leistungsparameter ...

➥ Bestandteile der Transferzeit:

➥ Transferzeit = Signallaufzeit + ¨Ubertragungsdauer + Zeit f ¨ur Pufferung in (Zwischen-)Knoten

➥ Signallaufzeit = Entfernung / Lichtgeschwindigkeit

➥ Lichtgeschwindigkeit im Kupferkabel ≈ 2 · 10⁸ m/s

➥ Ubertragungsdauer¨ = Nachrichtengr ¨oße / Bandbreite

A

B

Zeit Signal−

laufzeit

Übertragungs−

dauer Transferzeit

(leere Nachricht) Round−Trip−Time

(28)

1.5 Leistungsparameter ...

➥ Bandbreite vs. Signallaufzeit

➥ Kurze Nachrichten: Signallaufzeit dominiert

➥ Lange Nachrichten: Bandbreite dominiert

➥ Verz ¨ogerungs-Bandbreiten-Produkt

➥ Gibt an, wieviele Bits sich in ¨Ubertragung (

”in der Leitung“) befinden

Bandbreite Leitung

Verzögerung (Signallaufzeit)

➥ Z.B. Transatlantik-Kabel (3,2 Tb/s, Signallaufzeit 50 ms):

1,6 · 10¹¹ Bit ≈ 18,6 GB

(29)

1.5 Leistungsparameter ...

➥ Jitter

➥ Varianz der Latenz einer Verbindung

➥ Verursacht durch Pufferung und Konkurrenz um eine Verbindung

➥ Folge: Datenpakete treffen in unregelm ¨aßigen Abst ¨anden ein

➥ Problem z.B. bei Audio-/Video ¨ubertragung

(30)

1.6 Zusammenfassung

➥ Netz besteht aus Knoten und Verbindungen

➥ Rekursiver Aufbau: Knoten verbinden Subnetze

➥ Paketweise ¨Ubertragung der Daten

➥ Jede Anwendung stellt andere Anforderungen an ein Netzwerk

➥ Leistungsparameter: Bandbreite und Latenz N ¨achste Lektion:

➥ Netzwerkarchitektur: Schichten und Protokolle