Vorlesung „Telekommunikationsdienste und -protokolle“
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Inhalt der Vorlesung S Wiederholung (ISO/OSI-Basisreferenzmodell) Vorlesung „Telekommunikationsdienste und -protokolle“ S Internet-Protokollsuite Auch IP over ATM S Intelligente Netze S Aktive Netze S Mobilkommunikation • Bluetooth • LMDS • IrDA • WaveLAN • Hiperlan • Mobilität und Internet • Wireless Application Protocol • Sommersemester 2001 Prof. Dr. Jochen Seitz Fachgebiet Kommunikationsnetze Institut für Kommunikations- und Messtechnik Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik [email protected] http://ikmcip1.e-technik.tu-ilmenau.de/~webkn/ TKDP-SS01-1-1 TKDP-SS01-1-2 Kommunikations- und Informationssysteme Umbruch in der IuK-Technik Informationstechnologie Sicherheit Informationssystem • • • • • Verarbeitungsaufgabe • • • • • • • • Kommunikationsaufgabe S Informationssystem: ist auf den Austausch von und den Umgang mit Festnetzbetreiber Mobilfunknetzbetreiber Kabelfernseh-Netzbetreiber Rundfunknetzbetreiber Satellitenbetreiber Anlagen-Hersteller IP, ATM, ISDN, DSL Vermittlungstechnik, Router Informationen ausgerichtet. Medien, Inhalteanbieter, Unterhaltungsindustrie I Telekommunikation Kommunikationssystem Sicherheit Mainframes Server PC LAN/WAN Software TIMES T E M • • • • • • • • • Autoren, Rechtehändler Filmstudios Rundfunk- u. Fernsehkanäle Musikindustrie Verlage Spiele-Industrie Datenbankanbieter Nachrichtendienste Telekommerz Erlebnis S Kommunikationssystem: konzentriert sich auf die ordnungsgemäße Abwicklung der Kommunikationsfunktionen innerhalb eines Informationssystems. Sicherheit TKDP-SS01-1-3 • • • • • • Fernseher Videorecorder Video- u. Digitalkameras HiFi Spielekonsolen Internetdienste Sicherheit TKDP-SS01-1-4 Entwicklungstrend: Mobile Kommunikation Entwicklungstrend: Technische Kommunikation „Jedermann (-frau), zu jeder Zeit, an jedem Ort (mit jeder Kommunikationsform)“ Heute: S Telekommunikation zwischen Menschen im Vordergrund Zukünftig: S Technische Geräte / technische Systeme kommunikationsfähig anybody, anytime, anywhere Beispiele: S Produktionseinrichtungen Tele-Diagnose, Tele-Wartung, Tele-Betrieb S Kommunikation in/mit Fahrzeugen u.a. Verkehrstelematik S Hausnetze Sicherheit, Haushaltsgeräte-Kommunikation, Heizungssteuerung, usw. Schrittmacherrolle: Mobiltelefonie S geschätzte 800 Mio Nutzer im Jahr 2005 S wird Festnetztelefonie übertreffen Weltweite Abdeckung auch durch Satellitensysteme Alle Kommunikationsformen, mobiler Internetzugang, usw. TKDP-SS01-1-5 Entwicklungstrend: Ubiquitäre Informationstechnologien TKDP-SS01-1-6 Entwicklungstrends in der Übersicht Ubiquität: S Nichtgebundensein an einen Standort S Überall erhältliches Gut Schlagwort S Information Technology (IT) beyond the PC Persönliche Technologien S Zugang zu IT-Diensten mit sich herumtragen S Beispiele: Persönliche Digitale Assistenten (PDAs), Wearable Devices ad c ho Informationsumgebungen S Zugang zu IT-Diensten überall vorhanden S Beispiele: Intelligente, kommunikationsfähige Geräte/Systeme, Aktive Gebäude (cooperative buildings) Ubiquitäre Unterstützung wirkt im Hintergrund, wird selbst aktiv, (teil-)autonom von Menschen. TKDP-SS01-1-7 TKDP-SS01-1-8 Beispiel eines realen Kommunikationssystems: Das Internet Grundlage: vernetztes System Distanz zwischen Rechner im Rechensystemen selben 10 m 100 m 1km 10 km 100 km 1.000 km mobile Teilnehmer Internet Raum Gebäude Gelände MAN Stadt Land Kontinent LAN LAN 1 WAN Backbone ➜ Kopplung von unterschiedlichen Netzen auf der Basis gewisser Kommunikationsprotokolle LAN 2 S Internet gehört zu den heute und in absehbarer Zukunft größten und (drahtloses) LAN 3 bedeutendsten weltweiten Kommunikationssystemen TKDP-SS01-1-9 Das Internet TKDP-SS01-1-10 Historie: Entwicklung des Internet 1962 Das Internet besteht aus S einer Menge von Computern, die • dasselbe Netzwerkprotokoll TCP/IP verwenden; • irgendwie (direkt oder indirekt) miteinander verbunden sind; • gewisse Dienste anbieten oder benutzen, S einer Menge von (menschlichen oder technischen) Nutzern, die vom Arbeitsplatz direkten Zugriff auf die angebotenen Dienste haben, S einer Menge von weiteren, über Gateways erreichbaren Netzen. 1967 1969 1971 1974 1988 1991 1995 Institut für Telematik Baden-Württemberg Deutschland Welt TKDP-SS01-1-11 1996 1999 DoD (Department of Defense, „Pentagon“): Verteidigung hängt von der Kommunikation ab. ARPA (Advanced Research Project Agency) des DoD: Auftrag „Projektstudie ausfalltolerantes Paketnetz“ an SRI (Stanford Research Institute) Erstes „Internet“: 4 Hosts Betriebsaufnahme ARPAnet, das erste Internet-Backbone Neue Protokollsuite: TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) IP-Verbindung zum Internet aus Deutschland über EUnet-IRB Dortmund und XLink (eXtended Lokales Informatik-Netz Karlsruhe) EBONE: Europäisches Backbone Sun führt den HotJava Web-Browser und die fünf Jahre zuvor entwickelte Programmiersprache Java ein University Corporation for Advanced Internet Development — Internet2 Zweites Internet2-Backbone: Abilene TKDP-SS01-1-12 Dienste im Internet Euphorie: Geschätzte Anzahl der Internet- Benutzer Im Internet häufig genutzte Dienste: S World Wide Web — • weltumspannendes Nachschlagewerk • Basis „Hypertext Transfer Protocol“ HTTP S Elektronische Post (E-Mail) — • Austausch von digitalen (multimedialen) Nachrichten • Basis „Simple Mail Transfer Protocol“ SMTP S Dateitransfer — • Abrufen oder Übermitteln von Dateien • Basis „File Transfer Protocol“ FTP S Netzwerkverwaltung — • Überwachung und Kontrolle von vernetzten Systemen • Basis „Simple Network Management Protocol“ SNMP Internetbenutzer (in Tausend) 10000000 Wachstum der Weltbevölkerung 1000000 100000 10000 1000 100 10 2001 99 2000 98 97 96 95 94 93 92 91 90 89 88 87 86 85 84 83 1 Jahr Quelle: Tapscott „The Digital Economy“, McGraw Hill,1996 TKDP-SS01-1-13 Schnelligkeit der Durchsetzung des Internet TKDP-SS01-1-14 Grundmodell der Telekommunikation 110 100 Sender Zahl der angeschlossenen Haushalte in den Vereinigten Staaten (in Millionen) Empfänger Dienstschnittstelle 90 Dienstzugangspunkt 80 70 Nachricht 60 Medium 50 Radio 40 Kabelfernsehen räumliche Distanz 30 20 0 S Teilnehmer agieren als Sender oder Empfänger. Fernsehen Internet/Online 10 1922 1950 1982 S Die Dienstnutzung durch Teilnehmer erfolgt an einer speziellen 1994 Dienstschnittstelle unter Nutzung eines Dienstzugangspunkts. S Durch das Medium wird die räumliche Distanz überbrückt. (Quelle: Bertelsmann) TKDP-SS01-1-15 TKDP-SS01-1-16 Überblick über Dienste und Protokolle Charakterisierung Charakterisierung von Diensten Dienstnehmer Diensterbringer Dienstleistung Ein Dienstnehmer nimmt einen Dienst in Anspruch. Der Dienst wird von einem Verfeinerung Dienst Arten Qualität Dienstfunktion Dienstprozedur Dienstprimitiv Diensterbringer angeboten. Ein Dienst wird im Rahmen Kommunikationsdienste Telekommunikationsdienste Datenhaltungsdienste Charakterisierung Ablauffestlegung Formatfestlegung Arten Dienstnehmer-Dienstgeber Gleichgestellte Protokoll einer Dienstleistung erbracht, die ihrerseits unterschiedliche Eigenschaften (z.B. bestätigt, unbestätigt) aufweist. Eine Dienstleistung umfasst somit die Abwicklung eines Auftrags, welcher im Rahmen des Dienstes spezifiziert ist. DienstDienstnehmer nehmer Dienstleistung DienstDiensterbringer erbringer TKDP-SS01-1-17 TKDP-SS01-1-18 Verfeinerung Dienstqualität S Innerhalb eines Dienstes können einzelne Funktionen unabhängig S Nicht nur Funktionalität, sondern auch Qualitätsparameter sind voneinander in Anspruch genommen werden: Dienstfunktion. Beispiel World Wide Web: Dienstfunktionen sind Abrufen von HTMLSeiten, das Herunterladen von Dateien, das Ausfüllen von Formularen, das Suchen nach Begriffen, etc. S Eine Dienstfunktion setzt sich aus einer Reihe von Einzelvorgängen zusammen: Dienstprimitiv. Beispiel World Wide Web: Für das Ausfüllen eines Formulars im WWW muss mittels HTTP-Get die entsprechende HTML-Seite geladen, die Formularfelder ausgefüllt und die ausgefüllte Seite mittels HTTP-Post abgeschickt werden, worauf der Erfolg mittels HTTP-Response bestätigt wird. S Die Zusammensetzung einer Dienstfunktion aus ihren Dienstprimitiven wird Dienstprozedur genannt. S Dienste können in einer Dienstehierarchie angeordnet werden, so dass ein Dienst auf anderen Diensten aufbaut. TKDP-SS01-1-19 maßgeblich für Kommunikationsdienste S Qualitätsparameter lassen sich grob fünf Hauptaspekten zuordnen: • • • • • Angemessenheit Eignung des Dienstes für das vorgesehene Einsatzgebiet Technische Leistung z.B. Laufzeit, Antwortzeit, Sende- und Empfangsrate, Durchsatz Kosten Investitions- und Betriebskosten zur Erbringung des Dienstes Zuverlässigkeit Verhinderung von störenden Einflüssen Schutz Verhinderung von bewußten Eingriffen TKDP-SS01-1-20 Charakterisierung eines Protokolls Dienst und Protokoll - Übersicht Ein Kommunikationsprotokoll beschreibt einen Satz von Regeln, nach denen die Kommunikation zwischen zwei oder mehreren Beteiligten abgewickelt werden muß. Dienstnehmer 1 Dienstnehmer 2 Kommunikationsprotokolle Dienst Dienst z.B. Diskussionsrunde, Gespräch Rechnerkommunikationsprotokolle z.B. Dateitransfer, elektronische Post Protokoll Diensterbringer 1 Diensterbringer 2 OSI - Protokolle TCP/IP - Protokolle TKDP-SS01-1-21 Beispiel: Suche im WWW TKDP-SS01-1-22 Horizontale und vertikale Kommunikation WWW-Benutzer Altavista WWW-Server WWW-Benutzer Altavista WWW-Server Stelle Anfrage Starte Suche; Erzeuge Antwortseite Vertikale Kommunikation Vertikale Kommunikation Stelle Anfrage Schicke Antwort Übertrage Daten Internet Horizontale Kommunikation TKDP-SS01-1-23 TKDP-SS01-1-24 Das Telekommunikationssystem: Ein verteiltes geschichtetes System Sender Logische Architektur: OSI-Basisreferenzmodell Empfänger Anwendungsprozesse [7] Anwendungskommunikation Telekommunikationssystem [6] Darstellung Schicht n Instanz nn Instanz n-1 n-1 Schicht n-1 Instanz n-1 n-1 Instanz 11 Schicht 1 Anwendungsbezug [5] Kommunikationssteuerung ... ... Instanz nn [4] Transport Instanz 11 [3] Vermittlung Protokollinstanz Physikalisches Medium [2] Sicherung S Eine Schicht bietet der darüberliegenden einen Dienst an. Transportsystem (technische Aspekte) Dienstzugangspunkt S Der Dienst wird durch das Zusammenwirken der Schichtinstanzen gemäß [1] Bitübertragung einem spezifizierten Protokoll erbracht. TKDP-SS01-1-25 TKDP-SS01-1-26 Teilsysteme des OSI-Modells Die transportorientierten Schichten S Transportorientierte Schichten: Bitübertragungschicht (Physical Layer, Schicht 1): S mögliche Störungen der Übertragung S feste Übertragungsqualitäten/Nachrichtenlänge S keine Pufferung Sicherungsschicht (Data Link Layer, Schicht 2): S gesicherte Kanäle zwischen direkt verbundenen Dienstnehmern S verringerte Übertragungsfehlerwahrscheinlichkeit S FIFO-Pufferung von Paketen Vermittlungsschicht (Network Layer, Netzwerkschicht, Schicht 3): S multiple Konnektivität S Adressierung: nicht nur direkt durch ein physikalisches Medium verbundene Rechner S Qualität u.U. wählbar, wenn Alternativen bei der Wegwahl bestehen Transportschicht (Transport Layer, Schicht 4): S flexibel wählbare Qualitäten S variable Nachrichtenpaketlänge S Mehrfachnutzung von Verbindungen S Pufferung von Paketen Technische Realisierung einer Bitstrom-Übertragung • Elementare Nachrichtenübertragung: nur Bedürfnis des Nachrichtenaustausches unterstellt • Kein Bezug zur Kooperationsbeziehung der Dienstnehmer • Inhalt der Nachricht transparent (d.h. ohne Bedeutung für transportorientierte Schichten) S Anwendungsorientierte Schichten: Anwendungsbezogene Kommunikationsdienstleistungen • Kooperation der Teilnehmer unter formalen Gesichtspunkten (Strukturierung, Präsentation) berücksichtigt, wie z.B. ✖ Steuerung des Ablaufs ✖ Informationsdarstellung ✖ Kompensation von Fehlverhalten durch verteilte Transaktionen TKDP-SS01-1-27 TKDP-SS01-1-28 Die anwendungsorientierten Schichten Zusammenspiel der Schichten Im ISO/OSI-Basisreferenzmodell wird das Zusammenspiel von zwei Instanzen an der Dienstschnittstelle in einem Dienstmodell genau festgelegt. Die Zusammenarbeit erfolgt in den folgenden Schritten: (N+1)-Instanz übergibt an der Dienstschnittstelle eine (N)-Interface Data Unit (N)-IDU. Die (N)-Instanz teilt die (N)-IDU in zwei Teile auf: • transparent zu übertragende Nutzdaten: (N)-Service Data Unit (N)-SDU; • Steuerinformation: (N)-Interface Control Information (N)-ICI. Zur Übertragung der (N)-SDU ist gemäß dem vereinbarten Telekommunikationsprotokoll eine (N)-Protocol Control Information (N)-PCI zu erzeugen, die gemeinsam mit der (N)-SDU die (N)-Protocol Data Unit (N)-PDU bildet. Diese (N)-PDU wird transparent zwischen den N-Instanzen übertragen. Zur Übertragung der (N)-PDU durch die darunterliegende Schicht ist entsprechende Kontrollinformation (N-1)-Interface Control Information für die untere Schnittstelle zu erzeugen; die (N)-PDU und diese (N-1)-ICI bilden somit die (N-1)-IDU. Gemeinsamkeiten: S Verbindungen werden 1:1 abgebildet. S Dienstleistungen werden durchgereicht. Kommunikationssteuerungsschicht (Session Layer, Schicht 5): S Austausch von Bitmuster-Nachrichten. S Steuerung des Nachrichtenaustauschs zweier Kommunikationspartner: • Rechteübergabe • Strukturierung der Übertragung • Rücksetzvereinbarung Darstellungsschicht (Presentation Layer, Schicht 6): S Nachrichten setzen sich aus typisierten Daten zusammen. Anwendungsschicht (Application Layer, Schicht 7): S Austausch von Nachrichten anwendungsabhängigen Aufbaus und Zwecks. TKDP-SS01-1-29 Einkapselung von Daten (N+1)-Schicht (N)-IDU (N)-IDU Anwendungsschicht (N)-Schicht (N)-PCI (N)-SDU (N)-ICI (N-1)-Schicht (N)-SDU (N-1)-ICI SH TH Vermittlungsschicht Sicherungsschicht (N-1)-SDU PH Transportschicht (N-1)-IDU (N-1)-IDU (N-1)-ICI Bitübertragungsschicht TKDP-SS01-1-31 Daten AH Kommunikationssteuerungsschicht (N)-PDU (N )-PCI Darstellungsschicht NH Network Header DLH Data Link Header DLT Data Link Trailer NH DLH Daten Dateneinheit Empfangen AH AH Application Application Header Header PH PH Presentation Presentation Header Header SH SH Session Session Header Header TH TH Transport Transport Header Header Senden Zusammenspiel der Schichten im Bild TKDP-SS01-1-30 Dateneinheit Kommunikationssteuerungsschicht Vermittlungsschicht Dateneinheit Bits Darstellungsschicht Transportschicht Dateneinheit Dateneinheit Anwendungsschicht DLT Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht TKDP-SS01-1-32 Beispiel: Übermitteln einer E-Mail (I) Beispiel: Übermitteln einer E-Mail (II) S Dienstnehmer: Benutzer am Mailprogrammm Verschicken einer E-Mail Senden von MHS-PDUs Darstellungsformat Dialogsteuerung Ende-zu-Ende Datentransport Wegewahl Sicherung Physikalische Übertragung TKDP-SS01-1-33 OSI und Internet OSI-Referenzmodell Internet-Referenzmodell 6 5 Anwendung Darstellung Komm.-steuerung Anwendung 4 3 Transport Vermittlung Transport Internet 2 1 Sicherung Bitübertragung Rechner-Netzanschluss 7 Benutzer mit Mailprogramm, sog. Mail-Client • Mail-Server des in der E-Mail adressierten Teilnehmers (dadurch zeitliche Entkopplung!) S Die Übermittlung einer E-Mail ist nach festen Regeln als anwendungsorientierter Dienst realisiert: • durch Austausch von MHS (Message Handling System)Protokolldateneinheiten (PDUs) bei ISO/OSI bzw. SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)-Protokolldateneinheiten im Internet. S Schrittweise Abbildung auf transportorientierte Dienste; für diese stellen PDUs transparente Nutzdaten dar. S Transportorientierte Dienste kümmern sich nur um den einzelnen Nachrichtenaustausch, lassen also z.B. beliebige Reihenfolge der Nachrichten zu. • MailServer S Wesentliche Abwandlungen: Aufgaben der OSI-Schichten 5 und 6 werden im InternetReferenzmodell vollständig in die Anwendung verlagert. • Die OSI-Schichten 1 und 2 werden zu einer den Anschluss des Rechensystems an das Kommunikationsnetz beschreibenden Schicht zusammengefasst. • TKDP-SS01-1-35 TKDP-SS01-1-34