Inhalt der Vorlesung „Rechnerkommunikation“

Inhalt der Vorlesung „Rechnerkommunikation“







Einführung
Anwendungsschicht
Transportschicht
Netzwerkschicht
Sicherungsschicht
Physikalische Schicht
Netzwerksicherheit
Rechnerkommunikation, Einführung
1
Einführung






Beispiele für Rechnerkommunikation
Konzept der Lehrveranstaltung
Klassifikation von Kommunikationssystemen
Protokolle
Geschichte
Literatur
Rechnerkommunikation, Einführung
2
Beispiele für Rechnerkommunikation
 IP-Netz (Internet)
 Kommunikation zwischen
Anwendungen auf
Endsystemen (Host, Server)
 Verwendung von InternetProtokollen (u.a. TCP, UDP, IP)
und weiteren (z.B. Ethernet,
WLAN)
 Infrastruktur besteht u.a. aus
Vermittlungseinheiten
(Switches, Router), Funkbasisstationen, Modems
 kabelgebundene und drahtlose
Verbindungen
 Unterscheidung von
Zugangsnetz und Kernbereich
 Internet Service Provider (ISP)
lokaler ISP
Unternehmensnetz
Host
Rechnerkommunikation, Einführung
regionaler ISP
Server
Router
Switch
Modem
3
Beispiele für Rechnerkommunikation
 Universal Serial Bus (USB)





verbreitete serielle Anbindung von Peripheriegeräten an PC
Sterntopologie aus Blättern (Nodes) und Verteilern (Hubs)
Adressierung: 8 Bits für Node, 3 Bits für Endpunkt (Function) in Node
Aufbau von Kanälen (Pipes) zwischen PC und Functions
Protokoll für Übertragung basierend auf Sendeberechtigungen (Token)
Rechnerkommunikation, Einführung
4
Beispiele für Rechnerkommunikation
RNS
UE1
Node B
Iub
Iu
RNC
 Universal Mobile Telecommunications System
(UMTS)
CN
UE2
Node B
UE3
Node B
Node B
Iur
Iub
RNC
Node B
RNS
Rechnerkommunikation, Einführung
 mobile Telekommunikation der
3. Generation: Sprache + Daten
 Mobilstation (User Equipment)
 Radio Network Subsystem für
funkorientierte Funktionen mit
Funkzellen und Basisstationen
(Node B)
 Zugangsnetz (gegenwärtig
Einsatz der ATM-Technologie),
Kernnetz für Signalisierung,
Transport, Übergang zu
anderen Netzen
 geplanter Übergang zu IP
5
Beispiele für Rechnerkommunikation
 Bluetooth
 Bsp. für Wireless Personal Area Network
(WPAN)
 verbreitete drahtlose Anbindung von
Peripheriegeräten an PC
 Pikonetz: Ansammlung von Geräten die
sich spontan (ad-hoc) vernetzen
 ein Gerät wird zum Master, die anderen
verhalten sich als Slaves
 Master bestimmt Frequenzsprungfolge,
Slaves müssen dieser folgen
 Kommunikation immer Master ↔ Slave
 Verbindungen für Daten und Sprache,
diverse Konfigurationsmöglichkeiten
Rechnerkommunikation, Einführung
P
S
S
M
P
SB
S
P
SB
M=Master P=Parked
S=Slave
SB=Standby
6
Beispiele für Rechnerkommunikation
 Ad-Hoc-Netze, Sensornetze
 Ad-Hoc-Netze: ohne Infrastruktur, Nutzung von Endgeräten der
Netzteilnehmer für die Vernetzung, selbstorganisierend
 z.B. drahtlose Sensornetze (Wireless Sensor Networks, WSN)
- einzelne Komponenten
• klein (z. Zt. cm2, mm2 in Vorbereitung), billig
• Energieversorgung (Batterie oder aus Umgebung)
• Prozessor, Funkkommunikation
• Sensoren: Licht, Feuchtigkeit, Druck, Erschütterung,
Beschleunigung, Position, Magnetismus, Schall, …
- Einsatzszenarien z.B.: Logistik, Sicherheit, Umwelt, Landwirtschaft,
Gesundheitswesen, Heimautomatisierung, …
Rechnerkommunikation, Einführung
7
Beispiele für Rechnerkommunikation
 Ein typisches drahtloses Sensornetz
SN
SN
GW
SN
GW
SN
Bluetooth
SN
SN
SN
SN
SN
SN
GW
GW
SN
SN
GW: gateway
SN: sensor node
Rechnerkommunikation, Einführung
8
Beispiele für Rechnerkommunikation
 Vernetzung im Fahrzeug
 heutige Mittelklasse- und Oberklasse-Fahrzeuge besitzen ca. 60 bis 100
elektronische Steuergeräte (Electronic Control Units, ECUs) für
Antriebsstrang, Fahrerassistenz, Komfort, Infotainment
 Controller Area Network (CAN) verbreitetes Bussystem zur
Kommunikation
 besondere Anforderungen an
Zuverlässigkeit, Echtzeit
Rechnerkommunikation, Einführung
9
Beispiele für Rechnerkommunikation
 Beispielhafte Vernetzungsarchitektur im Fahrzeug
 zentrales Gateway
 Anschluss der ECUs über mehrere CAN-Busse und weitere Bussysteme
(z.B. FlexRay mit höheren Raten, MOST mit noch höheren Raten für
Infotainment)
 an ECUs weitere Busse, z.B. Local Interconnect Network (LIN)
Rechnerkommunikation, Einführung
10
Beispiele für Rechnerkommunikation
 Vernetzung mit anderen Fahrzeugen oder Infrastruktur
 Steigerung von Sicherheit, Effizienz und Komfort im Straßenverkehr
 Kommunikation über WLAN oder Mobilfunk
 Szenario des CoCar-BMBF-Verbundprojekts mit Nutzung von UMTS:
Rechnerkommunikation, Einführung
11
Beispiele für Rechnerkommunikation
 Vielfalt von Kommunikationstechnologien
 paketvermittelte IP-Netze in Kombination mit Ethernet und WLAN
 leitungsvermittelte Netze wie das Telefonsystem (ISDN) und darunterliegende
Transportnetze (SONET/SDH)
 Netze mit virtueller Leitungsvermittlung (ATM, MPLS)
 mobile Telekommunikation (GSM, UMTS, …), schnurlose Telefonie (DECT)
 Next Generation Networks (NGN): Konvergenz von Telekommunikationsnetzen (fest
und mobil) und Datennetzen auf IP-Basis
 drahtlose Netze (WLAN, Bluetooth, (mobile) Ad-Hoc-Netze, Sensornetze, ZigBee,
Wimax, Meshnets, UWB, …)
 Schnittstellen (seriell: RS-232, parallel: Centronics, …)
 Peripheriebusse (SCSI, Firewire, USB, IEC-Bus, Wireless USB, …)
 Systembusse (ISA, PCI, …)
 industrielle Automatisierung (Feldbusse, Industrial Ethernet)
 Fahrzeugkommunikation (CAN, LIN, FlexRay, MOST)
 Gebäudeautomatisierung (LON, EIB, …)
 …
Rechnerkommunikation, Einführung
12
Beispiele für Rechnerkommunikation
 Gemeinsame Aspekte trotz Technologievielfalt
 Netztopologie: Anordnung der Kommunikationsgeräte
 Hierarchisierung in Protokollschichten, Beschreibung von
Nachrichtenformaten und Protokollverhalten
 Adressierung, Wegesuche und Weiterleitung von Nachrichten
 Flußkontrolle: Optimierung der Senderate ohne Empfänger zu
überlasten
 Überlastkontrolle: Verschonung des Netzes vor Überlast
 Fehlersicherung: Ausgleich von Bitfehlern und Verlusten
 Medienzugriff: Koordination des Zugriffs mehrerer Sender auf
gemeinsames Medium
 Bitübertragung: Kodierung und Modulation
 Netzwerksicherheit: Verschlüsselung, Authentifizierung etc.
 Leistung: erreichbare Durchsätze und Verzögerungszeiten
 Zuverlässigkeit: Wahrscheinlichkeit von Ausfällen
Rechnerkommunikation, Einführung
13
Einführung






Beispiele von Rechnernetzen
Konzept der Lehrveranstaltung
Klassifikation von Kommunikationssystemen
Protokolle
Geschichte
Literatur
Rechnerkommunikation, Einführung
14
Konzept der Lehrveranstaltung
 Nutzen von Rechnernetzen





Zugriff auf entfernte Informationen
Informationsaustausch
Steuerung entfernter Geräte
gemeinsame Nutzung von Betriebsmitteln
Leistungssteigerung und Fehlertoleranz
 Bedeutung von Rechnernetzen
 starkes Wachstum von Anzahl und Nutzung in den letzten 20 Jahren
 Basistechnologie, Infrastruktur für alle Lebensbereiche:
Büro, Verwaltung, Bildung, Unterhaltung, E-Commerce, Telearbeit,
Fertigung, Straßenverkehr, eingebettete Geräte, „allgegenwärtiges“
Rechnen, …
 Netzwerk- und andere Industrie: Entwerfen, Entwickeln, Installieren,
Betreiben, Verwalten der HW und SW von Rechnernetzen
 viele Produkte benötigen Kommunikation
 viele (alle?) SW-Programme benötigen Kommunikation
Rechnerkommunikation, Einführung
15
Konzept der Lehrveranstaltung
 Bedeutung des Internets
 globales Netz von Rechnernetzen
 größtes und wichtigstes Rechnernetz
 Inhalt von Rechnerkommunikation
 Netzwerke werden hauptsächlich am Beispiel des Internets untersucht
 die Schichten werden dabei von oben nach unten durchlaufen
(Anwendungsschicht, Transportschicht, Netzwerkschicht,
Sicherungsschicht, physikalische Schicht)
 dabei werden die wichtigsten grundlegenden Mechanismen von
Rechnernetzen behandelt, die oft auch in anderen Netzen von
Bedeutung sind
 an einigen Stellen werden auch analytische Ansätze zur Auslegung
vorgestellt
 danach Netzwerksicherheit als übergreifender Aspekt
 Vertiefung durch Programmierübungen und theoretische Übungen
Rechnerkommunikation, Einführung
16
Einführung






Beispiele von Rechnernetzen
Konzept der Lehrveranstaltung
Klassifikation von Kommunikationssystemen
Protokolle
Geschichte
Literatur
Rechnerkommunikation, Einführung
17
Klassifikation von Kommunikationssystemen
 Einige Unterscheidungsmerkmale …
 Kommunikationsart
 Unicast (Punkt-zu-Punkt): ein Sender, ein Empfänger
 Multicast (Punkt-zu-Mehrpunkt, Gruppenruf): ein Sender, ein Gruppe
von Empfängern
 Broadcast (Rundruf): an alle Teilnehmer des Netzes
 Anycast: ein Empfänger aus einer Gruppe möglicher Ziele
 Übertragungsart
 Übertragungsrichtung
- simplex: unidirektionale Verbindung
- halbduplex: bidirektionale Verbindung mit Umschalten, also nicht
gleichzeitig in beide Richtungen
- (voll-)duplex: gleichzeitig in beide Richtungen
Rechnerkommunikation, Einführung
18
Klassifikation von Kommunikationssystemen
 Multiplexverfahren: Verwendung eines physikalischen Mediums durch
mehrere Geräte
- Frequenzmultiplex (Frequency Divsion Multiplex, FDM): Geräte
verwenden verschiedene Teile des Frequenzspektrums
- Zeitmultiplex (Time Divsion Multiplex, TDM): Geräte wechseln sich
zeitlich ab
FDM
4 KHz
Kanal
Frequenzspektrum
4 KHz
TDM
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
Zeitschlitz
Rechnerkommunikation, Einführung
Rahmen
Zeit
19
Klassifikation von Kommunikationssystemen
 Vermittlungsart
- Leitungsvermittlung
• zwischen Sender und Empfänger wird mittels Signalisierung ein
Kanal zur Übertragung aufgebaut (z.B. durch Zeit- oder
Frequenzmultiplex)
• die zur Verfügung stehende Bitrate muß fest auf die Kanäle
aufgeteilt werden
• Standardverfahren in der Telefonie, bei schwankenden
Datenaufkommen mit vielen Pausen ineffizient
- Paketvermittlung
• Sender schickt Daten in Paketen, die einzeln zum Sender
gelangen
• die Bitrate wird effizienter aufgeteilt
• kurzfristiges höheres Datenaufkommen kann über Puffer
abgefangen werden
• dies kann zu Verzögerungen und Pufferüberläufen führen
Rechnerkommunikation, Einführung
20
Klassifikation von Kommunikationssystemen
 Statistisches Multiplexen
 vergleicht man Paketvermittlung mit den bei der Leitungsvermittlung
bekannten Multiplexverfahren, so erscheint diese wie statistisches
Multiplexen
10 Mbps
Ethernet
A
C
1.5 Mbps
B
Puffer mit Paketen,
die auf Weiterleitung warten
D
Rechnerkommunikation, Einführung
E
21
Klassifikation von Kommunikationssystemen
 Übertragungsmedium
 leitungsgebunden
- z.B. verdrillte Kupferdrähte, Glasfaser
- Bitraten von Kbps bis viele Gbps
- Signalausbreitungsgeschwindigkeit Teil der Lichtgeschwindigkeit,
c ≈ 2⋅108 m/s = 200 m/µs
- kleine Bitfehlerraten, bei Glasfaser z.B. 10-10
 drahtlos
- z.B. Funk (terrestrisch, Satellit), Infrarot
- Bitfehlerraten hoch wegen verschiedener Probleme bei der
Ausbreitung von Funkwellen: 10-5 bis 10-2
- außerdem treten Bitfehler oft in Schüben (Bursts) auf
Rechnerkommunikation, Einführung
22
Klassifikation von Kommunikationssystemen
 Entfernung
 Systembusse (z.B. PCI), Peripheriekommunikation (z.B. USB, Bluetooth)
 lokale Netze (LANs)
- einige Kilometer, Ausbreitungsverzögerung z.B. 2,5 km/c = 12,5 µs
 Metropolitan Area Networks (MANs)
- urbane Region, 50-100 km
 Wide Area Networks (WANs)
- weltweit, Ausbreitungsverzögerung z.B. 10.000 km/c = 50 ms
 Bitrate
 56 Kbps für Modem bis viele Gbps (Glasfaser, Satellit)
 Produkt von Bitrate und Ausbreitungsverzögerung gibt Daten auf Leitung
- B = 10 Mbps, d = 2,5 km: B⋅d/c = 125 Bits
- B = 1 Gbps, d = 10.000 km: B⋅d/c ≈ 500 MB
Rechnerkommunikation, Einführung
23
Klassifikation von Kommunikationssystemen
 Topologie
Ring
Bus (linear)
Baum
Rechnerkommunikation, Einführung
2D-Torus
Stern
vollständig vermascht
24
Einführung






Beispiele von Rechnernetzen
Konzept der Lehrveranstaltung
Klassifikation von Kommunikationssystemen
Protokolle
Geschichte
Literatur
Rechnerkommunikation, Einführung
25
Protokolle
 Rechnernetze sind „ziemlich“ komplex
 Endgeräte, Switches, Router, Schnittstellenkarten, Verbindungen
 Nachrichten
 Mechanismen zur Fehlersicherung, Fluß- und Überlastkontrolle,
Adressierung, Wegsuche, Weiterleitung, Medienzugriff, …
 Protokolle
 wesentliches Strukturierungsprinzip
 legen Nachrichtenformat und Verhalten der Kommunikationspartner
fest
 Beispiel: Hypertext Transfer Protocol (HTTP)
- HTTP-Client erfragt Inhalte von HTTP-Server
- 2 Arten von Nachrichten: Anfrage und Antwort
- festgelegte Formate beider Nachrichten
- festgelegtes Verhalten von HTTP-Client und HTTP-Server
Rechnerkommunikation, Einführung
26
Protokolle
 ISO Open Systems Interconnection (OSI)
 verbreitete Terminologie
 Kommunikation wird durch Instanzen durchgeführt
 Dienst
- was eine Instanz anbietet
- ähnlich zu der öffentlichen Schnittstelle einer Softwarekomponente
 Protokoll
- wie die Instanzen interagieren, um Dienst zu realisieren
- Nachrichtenformat, Verhaltensregeln
- eine Beschreibung der Implementierung, aber noch nicht die
Implementierung
 Schicht
- Zusammenfassung von Instanzen
 Schichtenarchitektur
- System von Schichten, bei denen die Funktion der einzelnen Schichten und
das Prinzip der Interaktion untereinander festgelegt ist
Rechnerkommunikation, Einführung
27
Protokolle
 Strukturierung in Schichten
 Instanzen der Schicht n+1 nutzen die Dienste der Schicht n
 Dienst wird zwischen Schichten an Dienstzugangspunkten (Service
Access Points, SAPs) angeboten, dafür werden Service Data Units
(SDUs) übergeben
 Instanzen der Schicht n auf verschiedenen Hosts tauschen Protocol
Data Units (PDUs) aus, jede PDU enthält einen Kopf (Header)
n+1
entity
n+1
entity
n-SAP
n-SDU
n-SDU
n-SDU
n entity
H
Rechnerkommunikation, Einführung
n-SAP
H
n-SDU
n-PDU
n entity
28
Protokolle
 Beispiel: HTTP nutzt die Dienste der Transportschicht
HTTP
server
HTTP
client
Port 80
Ephemeral
port #
GET
80, #
TCP
TCP
#, 80
Rechnerkommunikation, Einführung
STATUS
29
Protokolle: OSI-Referenzmodell der Schichtenarchitektur
Anwendungsprotokoll
7 Anwendung
APDU
Schnittstelle
PPDU
6 Präsentation
SPDU
5
Sitzung
TPDU
4
Transport
Paket
3
Präsentationsprotokoll
1
Session
SPDU
Transport
TPDU
Protokolle Router-Router
Network
Network
Network
Packet
Data link
Data link
Data link
Frame
Physical
Physical
Physical
Bit
Router
Router
Host B
Transportprotokoll
Netzwerk
Bitübertragung
Host A
Schicht
Name der
ausgetauschten
Informationseinheit
Presentation PPDU
Sitzungsprotokoll
Rahmen 2 Verbindung
Bit
Application APDU
Interface
Netzwerkprotokoll Host-Router
Verbindungsprotokoll Host-Router
Layer
Bitübertragungsprotokoll Host-Router
Rechnerkommunikation, Einführung
30
Protokolle: OSI-Referenzmodell der Schichtenarchitektur
 Bitübertragungsschicht (Physical Layer)
 mechanische, elektrische und prozedurale Eigenschaften zur Übertragung von
Bits: Zeitsynchronisation, Kodierung, Modulation, …
 Sicherungs- oder Verbindungsschicht (Data Link Layer)
 Medienzugriff und gesicherte Übertragung von Rahmen (Frames):
Rahmensynchronisation, Fehler- und Flußkontrolle, …
 Vermittlungsschicht (Network Layer)
 Übertragung von Paketen bzw. Datagrammen: Verbindungsaufbau, Wegewahl,
Vermittlung, Betriebsmittelverwaltung, …
 Transportschicht (Transport Layer)
 zuverlässiger Ende-zu-Ende Transport von Segmenten
 Sitzungsschicht (Session Layer)
 Kommunikation zwischen Anwendungen
 Darstellungsschicht (Presentation Layer)
 Syntax und Semantik der ausgetauschten Informationen, z.B. mit Abstract
Syntax Number One (ASN.1) oder XML
 Anwendungsschicht (Application Layer)
 Kommunikation der Anwendungsprozesse mit anwendungsspezifischen
Informationen
Rechnerkommunikation, Einführung
31
Protokolle
 Schichtenarchitektur im Internet
 OSI-Referenzmodell hat sich nicht durchgesetzt,
vereinfachtes Modell des Internet ist verbreitet
 Anwendungsschicht
- Netzwerkanwendungen (HTTP, FTP, …)
 Transportschicht
- Transport von Segmenten zwischen Anwendungen
(TCP, UDP)
 Netzwerkschicht
- Datagramme zwischen Hosts über Router (IP),
Weiterleitung, Wegewahl (Routing)
 Verbindungsschicht
- Rahmen zwischen benachbarten Geräten,
Medienzugriff, Sicherung
 physikalische Schicht
- binäre Formate, Modulationsverfahren
Rechnerkommunikation, Einführung
Application
Transport
Network
Link
Physical
32
Protokolle
 Weg einer Nachricht zwischen Anwendungen
 Abstieg: jeweils ein Kopf dazu, Aufstieg: Kopf wird entfernt
Message M
Segment Ht M
Datagram Hn Ht M
Frame Hl Hn Ht M
Source
Application
Transport
Network
Link
Physical
Hl Hn Ht M
Link
Physical
Hl Hn Ht M
Link-layer switch
Destination
Hn
Hl Hn
Ht
Ht
Ht
M
M
M
M
Application
Transport
Network
Link
Physical
Rechnerkommunikation, Einführung
Router
Hn Ht M
Hl Hn Ht M
Network
Link
Physical
Hn Ht M
Hl Hn Ht M
33
Protokolle
 Schichtenarchitektur in UMTS
 für den paketvermittelten Transport von Daten zwischen Mobilstation
(UE), Funkzugangsnetz (UTRAN), Vermittlungsrechner im Kernnetz
(SGSN) und Gateway zu anderen Netzen (GGSN, ähnlich zu Router)
 IP über anderen UMTS-spezifischen Schichten
 (bitte nicht auswendig lernen)
UE
paketvermittelt
(packet
switched)
apps. &
protocols
IP, PPP,
…
PDCP
UTRAN
Uu
SGSN
Iu(PS)
IP tunnel
Gn
GGSN
IP, PPP,
…
GTP
RLC
GTP
UDP/IP
MAC
MAC
AAL5
AAL5
L2
L2
radio
radio
ATM
ATM
L1
L1
RLC
PDCP
Rechnerkommunikation, Einführung
GTP
UDP/IP UDP/IP
GTP
UDP/IP
34
Protokolle
 Schichtenarchitektur bei Bluetooth
 Kernspezifikation (orange) und Profilspezifikation (blau)
Audio
NW-Anw.
vCal/vCard
TCP/UDP
OBEX
AT modem
commands
IP
BNEP
Telefonie-Anwendungen
PPP
TCS BIN
Verwaltung
SDP
Control
RFCOMM (serial line interface)
Audio
Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP)
Link Manager
Baseband
Radio
Rechnerkommunikation, Einführung
35
Protokolle
 Implementierung von Protokollen
 die Schichten unterhalb der Anwendungsschicht sind typischerweise Teil
des Betriebssystems
 die Dienste der Transportschicht können durch Betriebssystemaufrufe
genutzt werden
 die meisten Programmiersprachen stellen APIs hierfür zur Verfügung,
z.B. Objekte und Methoden in Java (java.net)
 im Betriebssystem verschiedene Realisierungsmöglichkeiten, für
Effizienz wird das mehrmalige Kopieren von SDUs bei der Übergabe
vermieden, stattdessen Übergabe von Referenzen
 Cross-Layer Optimierung
 die saubere Trennung in Schichten wird in der Realität oft nicht
eingehalten, z.B. werden zur Steigerung der Effizienz manchmal
Mechanismen der Bitübertragungs- und der Verbindungsschicht
gekoppelt
Rechnerkommunikation, Einführung
36
Protokolle
 Einige Gremien zur Standardisierung von Protokollen
 International Standards Organization (ISO)
- internationale Standards
- national: American National Standards Institute (ANSI), ...
 International Telecommunications Union (ITU)
- Telekommunikationsstandards, PTTs
- ITU-T (Telecommunications Sector, früher CCITT)
- ITU-R (Radiocommunications Sector)
 European Telecommunications Standards Institute (ETSI)
 Internet Engineering Task Force (IETF)
- Request for Comments (RFCs)
 Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE)
 Industrieforen zur schnelleren Entwicklung (vielleicht) und Zertifizierung
interoperabler Produkte
- World Wide Web Consortium (W3C), Object Management Group (OMG),
MPLS Forum, WiFi Alliance, Bluetooth Special Interest Group, ZigBee
Alliance, Wimax Forum, …
Rechnerkommunikation, Einführung
37
Protokolle
 Beschreibung von Protokollen
 Protokolle werden in Dokumenten von Standardisierungsgremien
festgelegt
 informelle Beschreibung: bei IETF verbreitet, zusätzlich
Referenzimplementierungen
 formale Beschreibung
- Format der Nachrichten: ähnlich wie Datenstrukturen in
Programmiersprachen, z.B. mit Abstract Syntax Notation One
(ASN.1) der ISO
- Szenarien: typische Abläufe des Nachrichtenaustauschs, z.B.
Message Sequence Charts (MSCs) der ITU bzw. Sequenzdiagramme
in der UML
- Verhalten der Instanzen: Automaten, z.B. Specification and
Description Language (SDL) der ITU oder Statecharts in der UML
Rechnerkommunikation, Einführung
38
Protokolle
 Bsp. für SDL
Prof.
Stud.
erzählen
schlafen
Frage
stellen
Frage
hören
warten
Antwort
erhalten
denken
10 s
richtig nein
ja
erklären
Antwort
geben
20 s
-
-
Rechnerkommunikation, Einführung
39
Protokolle
 Bsp. für MSC
Prof.
Stud.
Frage
10 s
Wartezeit
Antwort
Rechnerkommunikation, Einführung
40
sta_tx_idle_2f(11)
Process Tx_Coordination_sta
Protokolle
 Bsp. für SDL
 Teil der Spezifikation
des Medienzugriffs im
IEEE 802.11g WLAN
Standard, 2003
 ein Automat, der
Eingaben erhält und
Ausgaben erstellt
TxC_Idle
Pdu_
Request
(fsdu)
not import(
mBkIP)
Ack, Cfend, Cts, Wake
and MmCancel ignored
in TxC_Idle state.
Entry when
CfPoll
station wakes
(endRx, )
up to transmit.
txc_
req
tpdu:=
fsdu!pdus
(fsdu!fCur)
fsdu!eol
fsdu!sqf:=
seqnum,
import
(mCfp)
rx_
poll
TxC_Cfp
*
Atw_Start
Test if fsdu seq
number and tx
lifetime set.
These transitions are
only present at
Cf-pollable stations.
TBTT
defent:= -1
import(mBssId),
import(mBssId),
)
import
(mIbss)
(false)
tpdu:=
setSeq(tpdu,
fsdu!sqf)
`txrate:=
selected tx
data rate`
TxTime(
Rechnerkommunikation, Einführung
tpdu:=
fsdu!pdus
(fsdu!fCur)
See 9.6 for rules
about selecting
transmit data rate.
sAckCtsLng/8,
txrate,
ackctstime)
send_
frag
tpdu:=
mkFrame(
Cfack.
tx_
sifs
BkDone
(defent)
seqnum:=if seqnum=4095 then 0
else seqnum+1 fi, fsdu!eol:= now +
import (dot11MaxTransmitMsduLifetime)
TxCfAck
(endRx, )
-
(true)
dcfcw:=ccw,
ccw:=atimcw
AtimW
Atim
Window
41
Protokolle
FFD
next higher layer
FFD
MAC
FFD
PHY
MLME-RESET.request
MLME-SCAN.request
(Energy detection)
MLME-SCAN.confirm
(SUCCESS)
 Bsp. für MSC
Select PANId,
ShortAddress,
LogicalChannel
 Teil der Spezifikation
des Medienzugriffs im
802.15.4 LR-WPAN
Standard, 2003
 senkrechte Linien
heißen Lebenslinien und
sind Instanzen
zugeordnet
Rechnerkommunikation, Einführung
Perform energy
detection scan
MLME-START.request PLME-SET-TRX-STATE.request
(Tx on)
PLME-SET-TRX-STATE.confirm
(SUCCESS)
PD-DATA.request
MLME-START.confirm
(SUCCESS)
PD-DATA.confirm(SUCCESS)
Beacon
PLME-SET-TRX-STATE.request
(Rx on)
PLME-SET-TRX-STATE.confirm
(SUCCESS)
42
Protokolle
 Protokollbeschreibung in Rechnerkommunikation
 meist informell
 Szenarien (informell, nicht gemäß MSC)
Client
Server
 manchmal kommunizierende Automaten: Statecharts wie in UML
Rechnerkommunikation, Einführung
43
Protokolle
 Dienstgüte (Quality-of-Service, QoS)
 Sammelbegriff für quantitative Aspekte von Rechnernetzen und ihren
Protokollen, z.B.:
- Antwortzeit (z.B. auf die Reaktion eines Servers)
- Durchsatz (übertragene Daten pro Zeiteinheit, nicht gleich der
Bruttobitrate)
- Verlust- und Fehlerrate (z.B. von Paketen in einem Netz bei
drahtloser Übertragung)
- Verfügbarkeit (Zeitanteil, in dem ein System einsatzfähig ist, z.B. ist
Server 99.99% der Zeit verfügbar, dann 4,32 Minuten im Monat
unverfügbar)
 wichtig zur Auswahl und Konfiguration von Netzwerkarchitekturen und
Protokollen
 Ansätze: Messung, (stochastische) Analyse, Simulation
 Unterstützung durch Werkzeuge
Rechnerkommunikation, Einführung
44
Einführung






Beispiele von Rechnernetzen
Konzept der Lehrveranstaltung
Klassifikation von Kommunikationssystemen
Protokolle
Geschichte
Literatur
Rechnerkommunikation, Einführung
45
Geschichte
 einige Meilensteine
 vor 1970: leitungsvermitteltes Telefonnetz
 60er Jahre: erste Konzepte von paketvermittelten Datennetzen,
militärische Zwecke, Verbindung von Großrechnern
 70er Jahre: ARPAnet, lokale Netze basierend auf Zufallszugriff (Aloha,
Ethernet), Konzept des Internetworking
 80er Jahre: Entwicklung von Protokollen wie TCP/IP, SMTP, DNS, FTP,
Nutzung vor allem akademischer Bereich
 90er Jahre: Entwicklung populärer Anwendungsprotokolle wie HTTP,
Verbreitung von Web-Browsern, Kommerzialisierung, geschätzte
Nutzeranzahl > 100 Millionen, Sicherheit wird wichtiges Thema, erste
drahtlose Netze (WLAN)
 00er Jahre: Crash, weiteres Wachstum, weitere Anwendungen, z.B.
Internettelefonie, Peer-to-Peer-Systeme, Web2.0, weitere drahtlose
Netze (Bluetooth, ZigBee, Wimax)
 ausführlicher in Kurose/Ross
Rechnerkommunikation, Einführung
46
Einführung






Beispiele von Rechnernetzen
Konzept der Lehrveranstaltung
Klassifikation von Kommunikationssystemen
Protokolle
Geschichte
Literatur
Rechnerkommunikation, Einführung
47
Literatur
 Auswahl aus den zahlreichen Lehrbüchern
 Kurose, Ross. Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring
the Internet. 4th Ed., Addison Wesley, 2008 (deutsche Übersetzung:
Computernetzwerke: Der Top-Down-Ansatz, Addison Wesley, 2008)
- einfache und anschauliche Einführung, Fokus auf Internet, TopDown-Ansatz, Hauptquelle der Vorlesung
 Leon-Garcia, Widjaja. Communication Networks: Fundamental
Concepts and Key Architectures, 2nd Ed., McGraw Hill, 2004
- enthält auch Material über andere Netze, z.B. leitungsvermittelte
Netze sowie analytische Aspekte
 W. Stallings. Data and Computer Communications, 8th Ed., Pearson
Education, 2006
- der Autor hat große Zahl von Netzwerk-Büchern geschrieben mit
jeweils unterschiedlichem Schwerpunkt, werden häufig aktualisiert
 Tanenbaum. Computer Networks. 4th Ed., Prentice Hall, 2003 (auch
auf Deutsch erschienen)
- Standardlehrbuch über Rechnernetze, war eins der ersten auf dem
Markt
Rechnerkommunikation, Einführung
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Literatur
 Peterson, Davie. Computer Networks: A Systems Approach. Elesevier,
4th Ed., 2007 (auch auf Deutsch erschienen)
- umfassende und sehr gut lesbare Einführung, macht viele
Designentscheidungen nachvollziehbar
 Halsall. Computer Networking and the Internet. Addison-Wesley, 2005
- sehr gründlich in technischen Einzelheiten
 Comer. Computer Networks and Internets. 4th ed., Pearson Education,
2003 (auch auf Deutsch erschienen)
- einfache Darstellung der wichtigen Mechanismen, weitere Bücher
über Netze des Autors
 Comer, Stevens. Internetworking with TCP/IP, Volumes I, II, III.
Prentice Hall, 2005, 2007, 2000 (auch auf Deutsch erschienen)
- 3-bändiges Standardwerk über Transport- und Netzwerkschicht
 S. Tanenbaum, van Steen: Distributed Systems. Principles and
Paradigms. 2nd Ed., Prentice Hall, 2006 (auch auf Deutsch erschienen)
- Standardlehrbuch über Konzepte verteilter Systeme
Rechnerkommunikation, Einführung
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