Performance
Beispiel: Vorteil von statistischem Multiplexing
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
Anzahl Knoten
Ang e pass te über fe ste r Bandbr eit enz uw eisung
50% Zugriffswahrscheinlichkeit
70% Zugriffswahrscheinlichkeit
90% Zugriffswahrscheinlichkeit
Geschichte und Gegenwart
Internet, Mobiltelefonnetze, drahtlose LANs, RFID uns Sensornetze
Geschichte und Gegenwart
Entwicklung des Internet
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
(2)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‐das Department of Defense der USA.
(2)RAND Corporation (research and development) ‐nach Ende des Zweiten Weltkriegs gegründet, um die Streitkräfte der USA zu beraten.
Struktur des Telefonsystems
Barans verteiltes Switching‐System Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, „Computer Networks“, Fourth Edition, 2003
Das ARPANET
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, definiert die im Bereich Physik bzw. Technik geltenden nationalen Standards
Dez 1969 Jul 1970 Mär 1971
Apr 1972 Sep 1972
Der Zuwachs im ARPANET
Struktur des Packet‐Switched Subnets 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
Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, „Computer Networks“, Fourth Edition, 2003
(1)Die NSF ist die US National Science Foundation.
Kommerzialisierung des Internet
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.
Übersicht des heutigen Internet
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Übersicht des heutigen Internet
Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum and David J. Wetherall, „Computer Networks“, Fifth Edition, 2011.
• Telefonleitung(in der Regel Digital‐Subscriber‐Line; DSL) – digitale Datenübertragung über Telefonleitung, Computer ist an DSL‐Modem angeschlossen (konvertiert zwischen digitalen Paketen und analogen Signalen);
am anderen Ende konvertiert ein Gerät namens DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) zwischen Signalen und Paketen.
• Kabelfernsehsystem(wie auch bei DSL: Wiederverwendung vorhandener Infrastruktur);
Gerät zuhause = Kabelmodem; Gerät am anderen Ende = CMTS (Cable Modem Termination System)
• Glasfaserzu Wohngebäuden = FTTH (Fiber to the Home).
• Drahtlosz.B. 3G/4G/5G Mobilfunknetze
Zugang über Internet‐Dienstanbieter (Internet‐Service‐Provider; ISP)
Übersicht des heutigen Internet
Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum and David J. Wetherall, „Computer Networks“, Fifth Edition, 2011.
• In allen Fällen: Austausch von Nachrichtenpaketen zwischen Rechner zuhause und dem ISP
• POP (Point of Presence) des ISP
• Ort, an dem Kundenpakete in das ISP‐Netzwerk gelangen
• ab diesem Zeitpunkt ist das System vollständig digital und paketvermittelt Zugang über Internet‐Dienstanbieter
(Internet‐Service‐Provider; ISP)
Übersicht des heutigen Internet
Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum and David J. Wetherall, „Computer Networks“, Fifth Edition, 2011.
• ISP‐Netze sind regional, national oder international
• Verbindungen über lange Distanzen verbinden die Router an POPs in den verschiedenen Städten, die die ISPs bedienen
• Bezeichnet als Backbonedes ISP
• Paket an Host, der vom selben ISP bedient wird, kann über Backbone des ISP übermittelt werden
• Andernfalls muss es an einen anderen ISP übergeben werden Paketweiterleitung über
ISP‐Netz (Backbone)
Übersicht des heutigen Internet
Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum and David J. Wetherall, „Computer Networks“, Fifth Edition, 2011.
• Verbinden von ISPs and IXPs bezeichnet man als Peering
• Es gibt viele IXPs in Städten auf der ganzen Welt.
• Grundsätzlich ist ein IXP ein Raum voller Router, mindestens einer pro ISP
• Ein LAN im Raum verbindet alle Router, sodass Pakete von jedem ISP‐Backbone an jedes andere ISP‐Backbone weitergeleitet werden können
• IXPs können große und unabhängige Einrichtungen sein Austausch von Datenverkehr an
IXPs (Internet eXchange Points)
Übersicht des heutigen Internet
• Beispiel eines IXP: der Deutsche Commercial Internet Exchange (DE‐CIX)
• Internet‐Knoten in Frankfurt am Main: https://www.de‐cix.net
• gemessen am Datendurchsatz einer der größten der Welt
[IXPs, die einen Verkehrsknotenpunkt zwischen kommerziellen Internet‐
Anbietern darstellen, werden auch als Commercial Internet eXchange (CIX) bezeichnet]
9 Terabit
1 Tag
2‐Tages‐Statistik abgerufen am 29.10.2020, 15:35
Übersicht des heutigen Internet
• Beispiel eines IXP: der Deutsche Commercial Internet Exchange (DE‐CIX)
• Internet‐Knoten in Frankfurt am Main: https://www.de‐cix.net
• gemessen am Datendurchsatz einer der größten der Welt
[IXPs, die einen Verkehrsknotenpunkt zwischen kommerziellen Internet‐
Anbietern darstellen, werden auch als Commercial Internet eXchange (CIX) bezeichnet]
2016
9 Terabit
2017 2018 2019 2020
5‐Jahres‐Statistik abgerufen am 29.10.2020, 15:35
Übersicht des heutigen Internet
Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum and David J. Wetherall, „Computer Networks“, Fifth Edition, 2011.
• Peering bei IXPs hängt von den Geschäftsbeziehungen zwischen ISPs ab
• Z.B. kleiner ISP zahlt einen größeren ISP für den Transit einer Internetverbindung, um entfernte Hosts zu erreichen,
• Alternativ zwei große ISPs tauschen Datenverkehr ohne Transit‐Gebühren aus
• Weg, den ein Paket durch das Internet nimmt, hängt von den Peering‐Entscheidungen der ISPs ab. Oft ist der Weg, den ein Paket nimmt, nicht der kürzeste Weg durch das Internet.
Austausch von Datenverkehr an IXPs (Internet eXchange Points)
Ein wenig Praxis
Welchen Weg nimmt mein IP‐Paket von hier aus der Nähe zur Uni Koblenz?
[Linux: traceroute, mtr ; Windows: tracert ]
Welchen Knoten werden hierbei besucht?
[Linux: whois ; Windows: <extra installieren>
(1)>
(1) Windows Sysinternals toolkit oder stand‐alone Windows Whois utility
traceroute uni-koblenz.de
whois 62.155.246.184
… usw …
Ein wenig Praxis
Im Beispiel alle besuchten Knoten mit whoisabgefragt
whois 62.155.246.184 : DTAG‐DIAL10 [Deutsche Telekom AG]
62.155.128.0 bis 62.155.247.255
whois 217.239.51.22 : DTAG‐INT3 [Deutsche Telekom AG]
217.239.46.0 bis 217.239.63.255
whois 87.190.232.204 : DTAG‐TRANSIT [Deutsche Telekom AG]
87.190.232.0 bis 87.190.235.255
whois 82.195.78.6 : DE‐MANDA‐CUST‐TRANSFER‐V4‐01 [MANDA Customer Transfer Networks]
82.195.78.0 bis 82.195.78.255
www.man‐da.de Metropolitan Area Network GmbH Darmstadt Gesellschafter: TU Darmstadt und Hochschule Darmstadt
whois 217.198.246.237 : DE‐RLP‐NET‐20041119 [Johannes Gutenberg‐Universität Mainz]
217.198.240.0 bis 217.198.255.255 whois 217.198.240.10 : analog
whois 217.198.240.22 : analog whois 217.198.247.70 : analog whois 217.198.241.130 : analog
whois 141.26.64.18 : UKLA [Universität Koblenz‐Landau (Abt. Koblenz) GHRKO]
141.26.0.0 bis 141.26.255.255
Übersicht des heutigen Internet
Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum and David J. Wetherall, „Computer Networks“, Fifth Edition, 2011.
• An der Spitze stehen eine kleine Handvoll Unternehmen wie AT & T und Sprint, die große internationale Backbone‐Netzwerke mit Tausenden von Routern betreiben, die über Glasfaserverbindungen mit hoher Bandbreite verbunden sind.
• Diese ISPs zahlen nicht für den Transit. Sie werden normalerweise als Tier‐1‐ISPs bezeichnet und bilden das Rückgrat des Internets, da alle anderen eine Verbindung zu ihnen herstellen müssen, um das gesamte Internet erreichen zu können.
Austausch von Datenverkehr an IXPs (Internet eXchange Points)
Übersicht des heutigen Internet
Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum and David J. Wetherall, „Computer Networks“, Fifth Edition, 2011.
• Unternehmen mit viel Content (z.B. Google und Yahoo)! platzieren ihre Computer in Data‐
Centermit guten direkten Verbindungen zwischen den Servern und den ISP‐Backbones
• Data‐Center sind mit einer Reihe von Maschinen gefüllt werden, die als Server‐Farm bezeichnet werden (Zehntausende oder Hunderttausende von Maschinen)
• Es ist heute üblich eine virtuelle Maschine zu mieten, die auf einer Serverfarm ausgeführt wird, anstatt einen physischen Computer zu installieren.
Austausch von Datenverkehr an IXPs (Internet eXchange Points)
Geschichte und Gegenwart
Mobiltelefonnetze, LANs und Standardisierung
Mobiltelefonnetze
Architektur des Mobilfunknetzes hat sich in den letzten 40 Jahren zusammen mit seinem enormen Wachstum stark verändert
Steigende Anforderungen an mobiles Internet ist heutzutage ein wesentlicher Treiber Mobilfunkstandards wurden über Mobilfunkgenerationen stetig verbessert
(Bandbreite und Zuverlässigkeit)
Eine kurze Darstellung der Generationen (es gibt auch noch „Zwischengenerationen“)
• 1G: Analoges Telefonieren (bis Mitte 80er)
• analoge Telekommunikationsstandards bis Mitte der 80er
• 2G: Erstes digitales Mobilfunknetz (Anfang der 90er)
• Motivation: Kapazität, Sicherheit und einfache Datendienste wie z.B. SMS
• Das 2G‐System ist GSM (Global System for Mobile Communications); 1991 eingesetzt wurde, es schnell zum weltweit am häufigsten verwendeten Mobiltelefonsystem
• 3G: Beginn des mobilen Internets (Anfang der 2000er)
• Wichtiger Vertreter UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
• 4G: Noch schnelleres Internet und wesentlich höhere Datenraten (Verbreitung beginnt 2009)
• Wesentlich höhere Datenübertragungsraten, geringe Latenzzeiten, Ausführung von komplexen Anwendungen (Videotelefonie, Streaming‐Dienste), Möglicher Ersatz für einen DSL‐Anschluss
• Mobilfunkstandard der vierten Generation ist LTE (Long Term Evolution); basiert auf der UMTS‐
Infrastruktur
• Weitere Entwicklungsschritte: LTE‐Advancedund LTE‐Advanced Pro
• 5G: Gegenwart und Zukunft (Verbreitung beginnt 2019)
• Übertragungsraten bis zu 10 GBit/s
• Latenzzeiten unter einer Millisekunde
• Neue Themen: M2M‐Kommunikation (Maschine zu Maschine), „Internet der Dinge“
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.
Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, „Computer Networks“, Fourth Edition, 2003
Local‐Area‐Netze
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 einer Ethernet‐kompatiblen drahtlosen LAN‐Technik namens WiFi (Wireless LANs: 802.11 und viele Nachfolger
802.11a/b/c/…); Im Gegensatz zu beispielsweise Mobiltelefonnetzen werden unlizenzierte Frequenzbänder verwendet; z.B. ISM (Industrial, Scientific, and Medical) (z.B. 2.4‐2.5 GHz, 5.725‐5.825 GHz).
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
Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum and David J. Wetherall, „Computer Networks“, Fifth Edition, 2011
Internet‐Standards in RFCs
(mit Status Internet Standard) beschrieben
Ein wenig Praxis
Wo ist eigentlich das IP‐Protokoll spezifiziert?
[RFCs findet man offiziell hier: https://www.rfc-editor.org]
In welcher Beziehung steht das IP‐Protokoll zu anderen Protokollen?
Wie ist das Adressformat definiert?
Advanced search: https://www.rfc-editor.org/search/rfc_search.php
• Standards Track::Internet Standard
• Title/Keyword: ip
Ergibt RFC 791 (kann in verschiedenen Formaten betrachtet werden)
• Hat den Status Internet Standard
• Bemerkung: es gibt Updates und es gibt Errata
Betrachte „2.1 Relation to Other Protocols“
(Dies stimmt mit dem Architektur‐Bild aus der Vorlesung überein; Glück gehabt )
Betrachte „2.3 Function Description“ (und dort den Abschnitt Addressing)
• Zitat: „Addresses are fixed length of four octets (32 bits). An address begins with a network number, followed by local address (called the "rest" field)... “
Betrachte „3.1 Internet Header Format“ (und auf [Seite 14] Source Address)
• Verweis auf Section 3.2 Discussion
• Auf Seite 24 steht eine Tabelle mit den Klasse A, b und C Netz‐Definitionen (Dies stimmt auch mit dem überein, was wir hier in der Vorlesung gesagt haben )
Ein wenig Praxis
Wo ist eigentlich 802.11 (d.h. WLAN) spezifiziert?
[IEEE GET Program: https://ieeexplore.ieee.org/browse/standards/get‐program/page]
Welches Format haben MAC‐Adressen in 802.11?
GET 802(R) Standards
IEEE 802.11: Wireless LANs
802.11‐2016
(Erfordert Institutional Sign In: Universitat Koblenz‐Landau)
Das Ergebnis ist ein 36MB PDF mit 3534 Seiten!!! Das Inhaltsverzeichnis ist schon 80 Seiten lang!!!
Im Inhaltsverzeichnis finden wir [Seite 28] Kapitel 9. Frame Formats
und dort Kapitel 9.2.4.3 Address fields
[Seite 645] 9.2.4.3.2 Address representation
Zitat: „Each Address field contains a 48‐bit address as defined in Clause 8 of IEEE Std 802‐2014“
Ok also nächsten Standard runterladen:
GET 802(R) Standards
IEEE 802(R): Overview and Architecture
802‐2014 (ist die Übersicht zu den IEEE802‐Protokollspezifikationen und zum Glück nur 72 Seiten lang) Dort findet man Kapitel 8. MAC addresses (d.h. Clause 8 of IEEE Std 802‐2014)
[Seite 23] es gibt drei unterschiedliche Arten von eindeutigen 48‐Bit‐langen MAC‐Adressen!
MA‐L (24 Bit für Company‐ID und 24 Bit für Gerät), MA‐M (28 Bit für Company‐ID und 20 Bit für Gerät), sowie MA‐S (36 Bit für Company‐ID und 12 Bit für Gerät)
Folglich waren wir bei der Diskussion zu Ethernet‐MAC‐Adressen (Ethernet ist 802.3) etwas ungenau Fazit: Vorlesungen/Bücher/Internet‐Ressourcen dritter sind ok, aber am Ende zählt immer der Standard
(und der ist leider nicht immer leicht zu lesen)
