Zu meiner Person

(1)

Roland Wism ¨uller Universit ¨at Siegen

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

Rechnernetze I

SoSe 2021

(2)

Rechnernetze I

SoSe 2021

0 Organisation

(3)

Zu meiner Person

➥ Studium der Informatik an der Techn. Univ. M ¨unchen

➥ dort 1994 promoviert, 2001 habilitiert

➥ Seit 2004 Prof. f ¨ur Betriebssysteme und verteilte Systeme

➥ Forschung: Beobachtung, Analyse und Steuerung paralleler und verteilter Systeme

➥ Mentor f ¨ur die Bachelor-Studieng ¨ange Informatik mit Vertiefung Mathematik

➥ e-mail: rolanda.dwismuellera@duni-siegena.dde

➥ Tel.: 0271/740-4050

(4)

Zur Fachgruppe

” Betriebssysteme / verteilte Systeme“

Andreas Hoffmann

andreas.hoffmann@uni-...

0271/740-4047 H-B 8405

➥ El. Pr ¨ufungs- und ¨Ubungssysteme

➥ IT-Sicherheit

➥ Web-Technologien

➥ Mobile Anwendungen

Damian Ludwig

damian.ludwig@uni-...

0271/740-2533 H-B 8407

➥ Capability-Systeme

➥ Compiler

➥ Programmiersprachen

Hawzhin Hozhabr Pour _➥ Machine Learning

(5)

Lehrangebot

Vorlesungen/Praktika

➥ Rechnernetze I, 5 LP (jedes SoSe)

➥ Rechnernetze Praktikum, 5 LP (jedes WiSe)

➥ Rechnernetze II, 5 LP (jedes SoSe)

➥ Betriebssysteme I, 5 LP (jedes WiSe)

➥ Parallelverarbeitung, 5 LP (jedes WiSe)

➥ Verteilte Systeme, 5 LP (jedes SoSe)

(6)

Lehrangebot ...

Projektgruppen

➥ z.B. Aufnahme und Analyse von Fahrzeugdaten

➥ z.B. Erkennung ungew ¨ohnlicher Ereignisse in Kfz-Sensordaten

Abschlussarbeiten (Bachelor, Master)

➥ Themengebiete: sichere virtuelle Maschine, Parallelverarbeitung, Mustererkennung in Sensordaten, eAssessment, ...

Seminare

➥ Themengebiete: IT-Sicherheit, Programmiersprachen,

(7)

Zur Vorlesung

➥ Vorlesung:

➥ digital: Screencasts in moodle

➥ Fragestunde: Do., 14:00 - 14:30 (ggf. l ¨anger) ¨uber zoom

➥ Ubungen:¨

➥ 2-st ¨undig

➥ 2 ¨Ubungsgruppen (digital)

➥ Di., 12:15-13:45, ¨uber zoom, ab 20.04.

➥ Fr., 10:15-11:45, ¨uber zoom, ab 23.04.

➥ diese ¨Ubung wird auch aufgezeichnet!

➥ zum Teil

”praktische“ Aufgaben

➥ mit Netzwerksimulator (PacketTracer)

(8)

Zur Vorlesung ...

Industriezertifikat CCNA

➥ CCNA: Cisco Certified Network Associate

➥ Grundstufe der Cisco-Zertifikate

➥ weltweit anerkannt, geh ¨oren zu den begehrtesten in der Netzwerkindustrie

➥ Vorlesungsbegleitend zu RN I und RN-Praktikum m ¨oglich

➥ RN I (SoSe’20): CCNAv7 Introduction to Networks

➥ RN-Praktikum (WiSe’20/21): CCNAv7 Switching, Routing, and Wireless Essentials & CCNAv7 Enterprise Networking,

Security, and Automation

(9)

Zur Vorlesung ...

Industriezertifikat CCNA ...

➥ Mehr Infos: http://www.bs.informatik.uni-siegen.de/cisco

➥ Anmeldung bitte ¨uber moodle!

(10)

Zur Vorlesung ...

Information, Folien und Ank ¨undigungen

➥ http://www.bs.informatik.uni-siegen.de/lehre/rn1

➥ Zum Ausdrucken: Druckservice des Fachschaftsrats!

➥ Ggf. Aktualisierungen/Erg ¨anzungen kurz vor der Vorlesung

➥ auf das Datum achten!

➥ Dort auch Links zu den CCNA-Materialien

➥ Zugangsdaten f ¨ur gesch ¨utzte Bereiche:

➥ werden in der Vorlesung bekanntgegeben!

(11)

Zur Vorlesung ...

Pr ¨ufung

➥ Alle Studieng ¨ange:

➥ 1-st ¨undige elektronische Klausur, ohne Hilfsmittel

➥ Termine jeweils zu Beginn der vorlesungsfreien Zeit

➥ voraussichtlich Ende Juli 2021

➥ n ¨achster Termin: voraussichtlich Februar 2022

➥ Zeit / Ort wird noch genau bekanntgegeben (unisono!)

(12)

Literatur

➥ Larry L. Peterson, Bruce S. Davie: Computernetze: Ein modernes Lehrbuch. 3. Auflage, dpunkt.verlag Heidelberg, 2004.

➥ Skript: derzeit keines, aber viele Anmerkungen zu den Folien (in der 2-auf-1 Version!)

➥ Zur Vertiefung:

➥ Online-Materialien Cisco CCNA

”Introdution to Networks“

(siehe Webseite)

➥ A. Tanenbaum. Computernetzwerke, 4. Auflage, Pearson

(13)

Gliederung der Vorlesung

➥ Einf ¨uhrung

➥ Protokolle, Protokollhierarchie

➥ Direktverbindungsnetze, Ethernet

➥ LAN Switching

➥ Internetworking, IP

➥ Routing

➥ UDP, TCP, Sicherung der ¨Ubertragung

➥ Datendarstellung

➥ Anwendungsprotokolle

(14)

Ziel der Vorlesung

➥ Grundwissen jedes Informatikers im Bereich Netzwerke

➥ Verst ¨andnis der Probleme und ihrer L ¨osungen

➥ Grundverst ¨andnis g ¨angiger Netzwerkprotokolle

➥ Grundlage f ¨ur weiterf ¨uhrende Lehrveranstaltungen

➥ Rechnernetze-Praktikum (WiSe’21/22)

➥ Rechnernetze II (Vertiefung der Themen, SoSe’22)

➥ Parallelverarbeitung (WiSe’21/22)

➥ ...

(15)

Rechnernetze I

SoSe 2021

1 Einf ¨uhrung

(16)

1 Einf ¨uhrung ...

Inhalt

➥ Motivation

➥ Verbindungsstrukturen

➥ Anforderungen an Netze

➥ Leistungsparameter

(17)

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

(18)

1.1 Motivation ...

Entwicklung des Internet

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

1G Anzahl der ans Internet angeschlossenen Rechner

(19)

1.1 Motivation ...

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

1969: Arpanet: 4 Rechner

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

Univ. of Utah

(20)

1.1 Motivation ...

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

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

(21)

1.1 Motivation ...

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

1984: Entwicklung des Domain Name Service

z.B. www.google.de

(22)

1.1 Motivation ...

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

(23)

1.1 Motivation ...

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

1991: Entwicklung des

(24)

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:

(25)

1.2 Strukturen von Rechnernetzen ...

Verbindungsstrukturen ...

➥ Vermitteltes Netzwerk

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

Switch Host

x

x x

x

(26)

1.2 Strukturen von Rechnernetzen ...

Verbindungsstrukturen ...

➥ Zusammenschluß mehrere Netze (Internetwork)

➥ Kopplung mehrerer Subnetze durch Knoten (Router)

R R

Host

Router

(27)

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

(28)

1.2 Strukturen von Rechnernetzen ...

Beispiel f ¨ur ein Netzwerk

LAN

WAN Internet Router (Gateway)

Endgerät (Host) Drucker ...

z.B. Rechner, (Token Ring)

LAN Ethernet)

(Switched

(29)

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

(30)

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

(31)

1.2 Strukturen von Rechnernetzen ...

LAN

(WLAN)

Ethernet) (Switched

Physische Adressen

3 6

4

2 12

17 19

11 16

15

7 20

8

13 14

9 21

22

(32)

1.2 Strukturen von Rechnernetzen ...

LAN

LAN Ethernet)

(Switched Logische Adressen

2.1 2.2

2.5

2.7

2.9

8.1

8.5

8.17 8.9 8.12

5.1

6.1 10.1 7.1

13.1

(33)

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-

(34)

1.3 Vermittlungsarten ...

Leitungsvermittlung

➥ Kommunikationspartner sind durch die geschaltete Leitung verbunden

➥ Beispiel: fr ¨uheres Telefonnetz

Leitung wird elektrisch

durchgeschaltet

(35)

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

(36)

1.3 Vermittlungsarten ...

Zeitablauf der Daten ¨ubertragung

2 3 1

2 3 1 Dat.

Dat.

Daten Dat.

anfrage

annahme Verbindungs−

Puffer−

verzögerung

Signal−

laufzeit

Pakete Verbindungs−

{

}

Zeit

(37)

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

(38)

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)

(39)

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

(40)

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

(41)

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

(42)

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

(43)

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

(44)

Rechnernetze I

SoSe 2021

2 Protokolle und Protokollhierharchie

(45)

2 Protokolle und Protokollhierharchie ...

Inhalt

➥ Einf ¨uhrung

➥ Protokolle und Dienste

➥ Die OSI-Architektur

➥ Die Internet-Architektur

(46)

2.1 Einf ¨uhrung

Teilaufgaben bei der Kommunikation in Rechnernetzen

➥ Bestimmung eines Weges vom Sender zum Empf ¨anger (Routing)

➥ Aufteilen der Daten in Pakete (wegen Multiplexing und Zwischenspeicherung), Zusammenbau beim Empf ¨anger (in der richtigen Reihenfolge)

➥ Fehlerbehandlung: was, wenn ein Paket verlorengeht?

➥ Quittierung der Pakete

➥ nach Ablauf bestimmter Zeit: Sendung wiederholen

(47)

2.1 Einf ¨uhrung ...

Teilaufgaben bei der Kommunikation in Rechnernetzen ...

➥ Behandlung verschiedener Datendarstellungen bei Sender und Empf ¨anger (Formate, Byte-Reihenfolge...)

➥ Verschl ¨usselung der Daten?

➥ Bei Mehrfachzugriffs-Verbindungen: Regelung des Zugriffs auf das ¨Ubertragungsmedium

➥ Festlegung des ¨Ubertragungsmediums: Kabel / Funk, Stecker, Frequenzen, ...

➥ Kodierung und Format der Daten bei der ¨Ubertragung ¨uber dieses Medium (z.B. wie wird eine 1 bzw. 0 dargestellt?)

(48)

2.1 Einf ¨uhrung ...

Ordnung ins Chaos: Schichten und Protokolle

➥ Beispiel: zwei Experten unterhalten sich

Die beiden Experten benutzen ihre gemeinsame Fachsprache

Experte Experte

Fachsprache

(49)

2.1 Einf ¨uhrung ...

Tatsächlich ist einer Österreicher und der andere Russe. Sie unterhalten

sich daher über zwei Simultandolmetscher, die miteinander Englisch reden

Übersetzer Übersetzer

Englisch

Experte Experte

Fachsprache

(50)

2.1 Einf ¨uhrung ...

tatsächliche Kommunikation

Englisch

Experte Experte

Fachsprache

(51)

2.1 Einf ¨uhrung ...

Die Experten befinden sich in U−Booten, zwischen denen nur Morsefunk möglich ist ...

Funker Funker

Morsezeichen

Englisch

Experte Experte

Fachsprache

(52)

2.1 Einf ¨uhrung ...

tatsächliche Kommunikation

Funker Funker

Morsezeichen

Englisch

Experte Experte

Fachsprache

(53)

2.1 Einf ¨uhrung ...

tatsächliche Kommunikation

Funkgerät Funkgerät

Elektromagnetische Wellen

Funker Funker

Morsezeichen

Englisch

Experte Experte

Fachsprache

(54)

2.1 Einf ¨uhrung ...

Englisch

(55)

2.1 Einf ¨uhrung ...

Schicht Protokoll

Dienst

Englisch

(56)

2.2 Protokolle und Dienste

➥ Netzwerksysteme werden in Schichten organisiert

Prozeß−zu−Prozeß−Kanäle Anwendungsprogramme

Host−zu−Host−Konnektivität Hardware

➥ Ziel der Schichtung:

➥ Jede Schicht definiert eine Abstraktionsebene

(57)

2.2 Protokolle und Dienste ...

Protokolle

➥ Objekte, aus denen sich die Schichten zusammensetzen

➥ Bieten Objekten der h ¨oheren Ebene Kommunikationsdienste an

➥ Ein Protokoll bietet zwei Schnittstellen:

➥ Dienst-Schnittstelle (Service interface)

➥ f ¨ur Nutzer der Dienste auf demselben Rechner

➥ Partner-Schnittstelle (Peer-to-Peer Interface)

➥ zu seinem Gegenst ¨uck auf dem anderen Rechner

➥ Achtung: Der Begriff Protokoll ist ¨uberladen:

Partner-Schnittstelle

(58)

2.2 Protokolle und Dienste ...

Dienst-und Partnerschnittstellen

Objekt Höheres

Host 1

Objekt Höheres

Host 2

Dienst−

Schnittstelle

(59)

2.2 Protokolle und Dienste ...

Protokollgraphen

➥ H ¨aufig unterschiedliche Abstraktionen / Dienste in einer Schicht

➥ Realisiert durch unterschiedliche Protokolle

Nachrichten−

wort−Kanal Anfrage/Ant−

stromkanal Anwendungsprogramme

Host−zu−Host−Konnektivität Hardware

(60)

2.2 Protokolle und Dienste ...

Protokollgraphen ...

➥ Protokollgraph stellt Abh ¨angigkeiten zwischen Protokollen dar:

Protokoll application library

Digital Video

RRP

HHP

MSP

application application File

Host 1

application library

Digital Video

RRP

HHP

MSP

application application File

Host 2

Host−zu−Host−

(61)

2.2 Protokolle und Dienste ...

Beispielhafter Informationsfluß zwischen den Schichten

M Schicht

4

3

2 7

(62)

2.2 Protokolle und Dienste ...

M M Schicht

4

3 7

(63)

2.2 Protokolle und Dienste ...

H₄ M M Schicht

4

3

2 7

(64)

2.2 Protokolle und Dienste ...

H₄ M M Schicht

4

3 7

(65)

2.2 Protokolle und Dienste ...

H₄ M₁ M₂ H₄ M

M Schicht

4

3

2 7

(66)

2.2 Protokolle und Dienste ...

H₃ H₄ M₁ M₂ H₄ M

M Schicht

4

3 7

(67)

2.2 Protokolle und Dienste ...

H₄ H₃ M₁

H₃ H₄ M₁ M₂ H₄ M

M Schicht

4

3

2 7

(68)

2.2 Protokolle und Dienste ...

H₃ H₄ M₁ M₂ H₄ M

M Schicht

4

3 7

(69)

2.2 Protokolle und Dienste ...

H₃ H₄

H₂ M₁ T₂ H₂ H₃ H₄ M₁ T₂

H₃ H₄ M₁ M₂ H₄ M

M Schicht

4

3

2 7

(70)

2.2 Protokolle und Dienste ...

H₃ H₄ M₁ H₃ H₄ M₁ M₂

H₄ M M Schicht

4

3 7

(71)

2.2 Protokolle und Dienste ...

H₃ H₃ H₄ M₁

H₃ H₄

H₂ M₁ T₂ H₂ H₃ H₄ M₁ T₂

H₃ H₄ M₁ M₂ H₄ M

M Schicht

4

3

2 7

(72)

2.2 Protokolle und Dienste ...

H₃ H₃ H₄ M₁

H₃ H₄ M₁ M₂ H₄ M

M Schicht

4

3 7

(73)

2.2 Protokolle und Dienste ...

T₂ H₂ H₃ M₂

H₃ H₃ H₄ M₁

H₃ H₄

H₂ M₁ T₂ H₂ H₃ H₄ M₁ T₂

H₃ H₄ M₁ M₂ H₄ M

M Schicht

4

3

2 7

(74)

2.2 Protokolle und Dienste ...

H₃ H₃ H₄ M₁

H₃ H₄ M₁ M₂ H₄ M

M Schicht

4

3 7

(75)

2.2 Protokolle und Dienste ...

H₃ M₂

T₂ H₂ H₃ M₂

H₃ H₃ H₄ M₁

H₃ H₄

H₂ M₁ T₂ H₂ H₃ H₄ M₁ T₂

H₃ H₄ M₁ M₂ H₄ M

M Schicht

4

3

2 7

(76)

2.2 Protokolle und Dienste ...

H₃ M₂ H₃

H₄ M

H₃ H₄ M₁ H₃ H₄ M₁ M₂

H₄ M M Schicht

4

3 7

(77)

2.2 Protokolle und Dienste ...

H₃ M₂

T₂ H₂ H₃ M₂

H₃

M

H₄ M

H₃ H₄ M₁

H₃ H₄

H₂ M₁ T₂ H₂ H₃ H₄ M₁ T₂

H₃ H₄ M₁ M₂ H₄ M

M Schicht

4

3

2 7

(78)

2.2 Protokolle und Dienste ...

Schicht 4 Protokoll

Schicht 3 Protokoll

Schicht 2

Schicht 7 Protokoll

H₃ M₂ H₃

M

H₄ M

H₃ H₄ M₁ H₃ H₄ M₁ M₂

H₄ M M Schicht

4

3 7

(79)

2.3 Die OSI-Architektur

Das ISO/OSI Referenzmodell

➥ OSI: Open Systems Interconnection

Bitübertragungsprotokoll Sicherungsprotokoll Vermittlungsprotokoll

2 3 4 5 6 7 Darstellung

Sicherung Vermittlung

Transport Sitzung Anwendung

Darstellung

Sitzungsprotokoll Transportprotokoll Darstellungsprotokoll Anwendungsprotokoll

2 3 4 5 6 7

(80)

2.3 Die OSI-Architektur ...

Vorbemerkung: Begriffe

➥ PDU (Protocol Data Unit)

➥ Dateneinheit, die ein Protokoll ¨ubertr ¨agt

➥ Segment: PDU der Transportschicht

➥ Paket: PDU der Vermittlungsschicht

➥ Frame: PDU der Sicherungsschicht

(81)

2.3 Die OSI-Architektur ...

Schicht 1: Bit ¨ubertragungsschicht (Physical Layer)

➥ Ubertragung einzelner¨

”roher“ Bits

➥ Elektrische Spezifikation

➥ Medium: Kabel, Glasfaser, Funk, Infrarot, ...

➥ Spannungspegel, Frequenzen, Lichtwellenl ¨ange, ...

➥ Zeitverhalten

➥ Codierung und Modulationsverfahren

➥ Ubertragung in nur eine oder beide Richtungen?¨

➥ Mechanische Spezifikation

➥ Form / Art der Stecker und Kabel

(82)

2.3 Die OSI-Architektur ...

Schicht 2: Sicherungsschicht (Data Link Layer)

➥ Zugriffskontrolle (MAC, Media Access Control)

➥ physische Adressierung der Kommunikationspartner

➥ regelt Zugriff auf das gemeinsam genutzte Medium

➥ nur bei Mehrfachzugriffs-Verbindungen

➥ LLC (Logical Link Control)

➥ sichert Daten ¨ubertragung auf einer Verbindung

➥ Fehlerbehandlung, Flußkontrolle

➥ Daten sind in Frames aufgeteilt (typ. ∼ 100-1000 Byte)

(83)

2.3 Die OSI-Architektur ...

Schicht 3: Vermittlungsschicht (Network Layer)

➥ Unterste Schicht, die Kommunikation zwischen nicht direkt verbundenen Netzwerk-Knoten erm ¨oglicht

➥ Host-zu-Host-Kommunikation

➥ Oberste Schicht der Netzwerk-Zwischenknoten

➥ definiert Schnittstelle der Subnetze

➥ Definiert einheitliches Adressierungsschema (logische Adressen)

➥ Hauptaufgabe: Routing = Bestimmung eines Weges zwischen Sender und Empf ¨anger

➥ statisch, nur aufgrund der Verbindungstopologie

(84)

2.3 Die OSI-Architektur ...

Netzwerk-Zwischenknoten (Router) im OSI-Modell

3

2 2 2

3 4 5 6 7 Darstellung

Darstellung

Sitzungsprotokoll Transportprotokoll Darstellungsprotokoll Anwendungsprotokoll

2 3 4 5 6 7

(85)

2.3 Die OSI-Architektur ...

Schicht 4: Transportschicht (Transport Layer)

➥ Erm ¨oglicht Kommunikation zwischen Endpunkten (Prozessen) auf verschiedenen Rechnern

➥ Ende-zu-Ende-Kommunikation

➥ Stellt i.a. auch verbindungsorientierte Dienste bereit

➥ Kommunikationspartner erhalten den Eindruck einer Leitungsvermittlung

➥ selbst wenn untere Schichten paketorientiert arbeiten

➥ Aufgaben:

➥ Adressierung der zu kontaktierenden Prozesse

➥ Multiplexing von Kommunikationen

(86)

2.3 Die OSI-Architektur ...

Schicht 4: Transportschicht (Transport Layer) ...

➥ Sichert ggf. auch Datentransport zwischen Endpunkten

➥ u.a. Fehlerbehandlung, Flußkontrolle

➥ Abgrenzung der Schichten:

Router Subnetz

Transportschicht

Router

Sicherungsschicht

(87)

2.3 Die OSI-Architektur ...

Schicht 5: Sitzungsschicht (Session Layer)

➥ Dienste zur Verwaltung von Sitzungen, z.B.

➥ Dialogsteuerung (

”wer darf wann senden?“)

➥ atomare Aktionen (

”alles oder gar nichts“)

➥ Synchronisierung (z.B. Weiterf ¨uhrung eines unterbrochenen Transfers)

Schicht 6: Darstellungsschicht (Presentation Layer)

➥ Unterste Schicht, die die Semantik der Daten kennt

➥ Konvertiert Datenformate und –darstellung

➥ Auch: Kompression, Verschl ¨usselung

(88)

2.3 Die OSI-Architektur ...

Schicht 7: Anwendungsschicht (Application Layer)

➥ Spezialisierte Dienste und Protokolle f ¨ur verschiedene Anwen- dungsbereiche

➥ Beispiele:

➥ HTTP (Hypertext Transport Protocol)

➥ zur ¨Ubertragung von Web-Seiten

➥ SMTP (Simple Mail Transport Protocol)

➥ zum Austausch von Email

➥ SMB (Server Message Block) / NFS (Network File System)

(89)

2.4 Die Internet-Architektur

Die Internet-Architektur im Vergleich mit OSI

2 3 4 5 6 7

Im Modell

nicht vorhanden

OSI TCP/IP

TCP, UDP IP

Application Presentation

Session Transport

Network Data link

Application

Transport Internet

Network access

(90)

2.4 Die Internet-Architektur ...

Schichten der Internet-Architektur

➥ Netzwerk-Zugriffsschicht (Network access)

➥ wird nicht von der Internet-Architektur spezifiziert

➥ d.h. das IP-Protokoll kann auf beliebige Netzwerke aufgesetzt werden

➥ Internet-Schicht

➥ ein zentrales Protokoll: IP (Internet Protocol)

➥ verbindungslos, paketvermittelt, unzuverl ¨assig

➥ Transportschicht

(91)

2.4 Die Internet-Architektur ...

Protokollgraph der Internet-Architekur

...

HTTP

TCP UDP

IP

NET₁ NET₂ NET_n

FTP RTP DNS

...

Internet−Schicht Transportschicht

Anwendungsschicht

Netzwerkzugriffs−

Schicht

➥ Sanduhr-Modell: IP als zentrale Verbindung der h ¨oheren

(92)

2.4 Die Internet-Architektur ...

Adressierung von Hosts im Internet

➥ Anwendungsschicht: Hostname

➥ z.B. www.bs.informatik.uni-siegen.de

➥ Vermittlungsschicht: IP-Adresse (logische Adresse)

➥ z.B. 141.99.179.6

➥ Sicherungsschicht: MAC-Adresse (physische Adresse)

➥ z.B. 1a:68:25:f0:a3:d9

(93)

2.5 Zusammenfassung

➥ Schichten, Protokolle und Dienste

➥ ISO-OSI Referenzmodell

➥ 7 Schichten: Bit ¨ubertragung, Sicherung, Vermittlung, Transport, Sitzung, Darstellung, Anwendung

➥ Internet Protokollarchitektur

➥ Netzwerk-Zugriff, IP, TCP/UDP, Anwendung

N ¨achste Lektion:

➥ Direktverbindungsnetze

➥ Codierung, Framing, Fehlererkennung und -korrektur

(94)

Rechnernetze I

SoSe 2021

3 Direktverbindungsnetze

(95)

3 Direktverbindungsnetze ...

Inhalt

➥ Hardware-Bausteine: Knoten und Verbindungsleitungen

➥ Modulation

➥ Codierung

➥ Framing

➥ Fehlererkennung und Fehlerkorrektur

➥ Medienzugriffssteuerung (MAC)

➥ Ethernet (CSMA-CD)

➥ Token-Ring

(96)

3.1 Hardwarebausteine

_{OSI: 1}

Aufbau eines Knotens

zum Netzwerk CPU

Cache Netzwerk−

adapter

➥ Netzwerkadapter: Bindeglied zwichen

CPU/Speicher und Netzwerk-Schnittstelle

➥ NIC: Network Interface Controller

(97)

3.1 Hardwarebausteine ...

Verbindungs

”leitungen“

➥ Ubertragen Signale als elektromagnetische Wellen¨

➥ Typische Attribute:

➥ Frequenz- bzw. Wellenl ¨angenbereich (Bandbreite)

➥ D ¨ampfung (max. Kabell ¨ange)

➥ Richtung des Datenflusses

➥ Simplex: nur in eine Richtung

➥ Vollduplex: in beide Richtungen, gleichzeitig

➥ Halbduplex: in beide Richtungen, abwechselnd

➥ Grundlegende Arten:

➥ Kupferkabel

(98)

3.1 Hardwarebausteine ...

Kupferkabel: Koaxialkabel

➥ Aufbau:

aus Kupfer Innenleiter

Isolation Kupfergeflecht

Außenleiter aus Schutzhülle aus Kunststoff

➥ Hohe Bandbreite, geringe D ¨ampfung, teuer

➥ Basisband-Kabel (direkte ¨Ubertragung, 1 Kanal, <500m)

(99)

3.1 Hardwarebausteine ...

Kupferkabel: Twisted-Pair (verdrilltes) Kabel

➥ Aufbau:

ungeschirmt (UTP) geschirmt (S/FTP, F/FTP, ...)

Kabelschirm Adernpaarschirm

Adern

Kabelmantel

Adernpaar

➥ Geringe Kosten, relativ gute Bandbreite

(100)

3.1 Hardwarebausteine ...

Glasfaserkabel

Glas−

kern

Glas−

kern Glas−

mantel

Kunststoff−

mantel

mantel Kunststoff−

mantel

Glas−

➥ F ¨uhrung von Lichtwellen durch Totalreflexion

➥ Bandbreite im Bereich Gb/s, L ¨ange im Bereich km Varianten:

(101)

3.1 Hardwarebausteine ...

Glasfaserkabel

Glas−

kern

Glas−

kern Glas−

mantel

Kunststoff−

mantel

Glas−

➥ Bandbreite im Bereich Gb/s, L ¨ange im Bereich km

➥ Varianten:

➥ Multimode-Faser

(102)

3.1 Hardwarebausteine ...

Glasfaserkabel

Glas−

kern

Glas−

kern Glas−

mantel

Kunststoff−

mantel

Glas−

(103)

3.1 Hardwarebausteine ...

Glasfaserkabel

Glas−

kern

Glas−

kern Glas−

mantel

Kunststoff−

mantel

Glas−

➥ Varianten:

➥ Multimode-Faser

(104)

3.1 Hardwarebausteine ...

Glasfaserkabel

Glas−

kern

Glas−

kern Glas−

mantel

Kunststoff−

mantel

Glas−

(105)

3.1 Hardwarebausteine ...

Glasfaserkabel

Glas−

kern

Glas−

kern Glas−

mantel

Kunststoff−

mantel

Glas−

➥ Varianten:

➥ Multimode-Faser

(106)

3.2 Modulation

_{OSI: 1}

➥ Zur Übertragung m üssen Bin ärdaten (digitale Signale) in analoge elektrische Signale (elektromagnetische Wellen) umgesetzt

werden

➥ Umsetzung in zwei Schritten:

Codierung Binär−

daten

Binär−

daten Modulation

elektro−

magnetische Welle

➥ Modulation:

➥ Variation von Frequenz, Amplitude und/oder Phase einer Welle

(107)

3.2 Modulation ...

Amplituden−

modulation (AM)

Frequenz−

modulation (FM)

Phasen−

modulation (PM)

0 1

0 1 1 0 0 1 0 0 1

Digitalsignal

(108)

3.3 Codierung

OSI: 1

➥ Ubertragung eines Bitstroms zwischen zwei Knoten:¨

Bitstrom Signal

(Codierung/Decodierung) Signalisierungskomponente

Knoten A Knoten B

Adapter Adapter

➥ Einfachste Codierung:

➥ Non-Return to Zero (NRZ): 1 =ˆ high, 0 =ˆ low

(109)

3.3 Codierung ...

➥ Abhilfe: Codierungen mit Taktwiederherstellung

Bits Takt

0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0

NRZ

NRZI Manchester

(110)

3.3 Codierung ...

Manchester-Codierung

➥ Bitstrom wird mit Taktsignal EXOR-verkn ¨upft

➥ Anwendung z.B. bei 10 Mb/s Ethernet

➥ Problem:

➥ Baudrate (Rate, mit der das Signal abgetastet werden muß) ist doppelt so hoch wie die Bitrate

➥ verschwendet Bandbreite NRZI

(111)

3.3 Codierung ...

4B/5B-Codierung

➥ 4 Datenbits werden auf 5-Bit Codeworte so abgebildet, daß nie mehr als 3 aufeinanderfolgende Nullen ¨ubertragen werden

m ¨ussen

➥ jedes der 5-Bit Codeworte hat

➥ h ¨ochstens eine Null am Anfang

➥ h ¨ochstens zwei Nullen am Ende

➥ Ubertragung der Codeworte z.B. mit NRZI¨

➥ Overhead nur noch 25%

➥ Bei schnellen Netzen (z.B. Fast Ethernet, GBit-Ethernet) oder

(112)

3.4 Framing

OSI: 2

➥ Wir betrachten nun die ¨Ubertragung von Datenbl ¨ocken (Frames) zwischen Rechnern:

Frames Bitstrom

Adapter Adapter

Knoten A Knoten B

➥ Gr ¨unde f ¨ur die Aufteilung von Daten in Frames:

➥ einfaches Multiplexing verschiedener Kommunikationen

➥ bei Fehler muss nur betroffener Frame neu ¨ubertragen werden

(113)

3.4 Framing ...

Byte-Count Methode

➥ Frame-Header enth ¨alt L ¨ange des Datenteils

➥ Beispiel: Frame im DDCMP-Protokoll, DECNET:

8 8 8 14 42 16

Count

SYN SYN Class Header CRCBody

➥ Problem: was passiert, wenn die L ¨ange fehlerhaft ¨ubertragen wird?

➥ Frame-Ende wird nicht korrekt erkannt

➥ SYN-Zeichen am Beginn jedes Frames, um (wahrschein-

(114)

3.4 Framing ...

Sentinel-Methode

➥ Frame-Ende wird durch spezielles Zeichen markiert

➥ Beispiel: Frame im BISYNC-Protokoll (IBM):

16

8 8 8 8 8

CRC SYN SYN Header Body

SOH STX ETX

➥ Problem: Das Endezeichen kann auch im Datenteil (Body) vorkommen

➥ L ¨osung: Byte-Stuffing

(115)

3.4 Framing ...

Sentinel-Methode ...

➥ L ¨osung: Bit-Stuffing

➥ Eindeutigkeit durch Einf ¨ugen von Bits in den Bitstrom erreicht

➥ Beispiel (HDLC-Protokoll):

➥ Anfangs- und Endemarkierung ist 01111110²

➥ nach 5 aufeinanderfolgenden 1-Bits wird vom Sender ein 0-Bit in den Bitstrom eingeschoben

➥ wenn Empf ¨anger 5 aufeinanderfolgende 1-Bits gelesen hat:

➥ n ¨achstes Bit = 0: ignorieren, da eingeschoben

➥ n ¨achstes Bit = 1: sollte Endemarkierung sein (pr ¨ufe, ob die 0 folgt; falls nicht: Fehler)

➥ L ¨osung: Nutzung ung ¨ultiger“ Codeworte

(116)

3.5 Fehlererkennung

OSI: 2

➥ Ziel: ¨Ubertragungsfehler in Frames erkennen (und behandeln)

➥ M ¨oglichkeiten zur Fehlerbehandlung:

➥ Korrektur des Fehlers beim Empf ¨anger

➥ Verwerfen der fehlerhaften Frames,

Neu ¨ubertragung durch das Sicherungsprotokoll (☞ 7.4)

➥ Vorgehensweise: Hinzuf ¨ugen von Redundanzbits (Pr ¨ufbits) zu jedem Frame

➥ Theoretischer Hintergrund: Hamming-Distanz

➥ Hamming-Distanz d = Minimale Anzahl von Bits, in denen sich zwei Worte eines Codes unterscheiden

(117)

3.5 Fehlererkennung ...

Zweidimensionale Parit ¨at

➥ Erweiterung der einfachen Parit ¨at

➥ Beispiel: 6 Worte ´a 7 Bit

➥ Erkennt alle 1, 2, 3 sowie die meisten 4-Bit-Fehler

➥ Erlaubt auch die Korrektur von 1-Bit-Fehlern

0 0

0 1 1

1

0 0 1 1 1 1 Paritäts−

Daten

Paritäts−

bits

0 0 0

0

0 0

0 0 0

0

1 1 1

1

1 1 1

1 1 1 1 1 1

1

1 1 1

1 1

1 0 0

0 0

(118)

3.5 Fehlererkennung ...

0 0 1 1

1

0 0 1 1 1 Daten

Paritäts−

bits

0 0 0

0

0 0

0 0 0

0

1 1 1

1

1 1 1

1 1 1 1 1 1

1

1 0 0

0 1

(119)

3.5 Fehlererkennung ...

0 0

0 1 1

1

0 0 1 1 1 1 Paritäts−

Daten

Paritäts−

bits

0 0 0

0

0 0

0 0 0

0

1 1 1

1

1 1 1

1 1 1 1 1 1

1

1 1 1

1 1

1 0 0

1 1