2. Rechnernetze Einführung in Rechnernetze

2. Rechnernetze
• Überblick
2.1
2.2
2.3
2.4
Netzhardware
Austausch von Daten zwischen Netzteilnehmern
Übertragungsprotokolle
ISO/OSI Modell
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-1
Einführung in Rechnernetze
• Gruppierung von Rechnern, die über Kommunikationskanäle
Daten austauschen
• Rechnernetze
Rechner arbeiten in erheblichem Umfang autonom
Rechner sind miteinander verbunden
Rechner können Informationen austauschen
Fehleranfälligkeit und zeitliche Verzögerung der
Kommunikationskanäle wird weitestgehend ausgeglichen
Rechner
1
Rechner
2
O. Kao
…
Rechner
Webbasierte Informationssysteme
n
2-2
2.1 Netzhardware
• Rechnernetzhardware sehr vielfältig, kein einheitliches Schema
• Übertragungstechnik
Broadcasting: ein einziger Übertragungskanal, der von allen
Komponenten des Netzes benutzt wird
Nachrichten (Pakete) werden von einer Station an alle anderen
Stationen gesendet
Je nach Adressierung wird die Nachricht von nur einer Station,
mehreren Stationen (multicasting) oder allen Stationen
(broadcasting) verarbeitet
Analogie: Durchsage am Bahnhof, Flughafen, …
Punkt-zu-Punkt-Netze: Zusammengesetzt aus vielen einzelnen
Paaren von miteinander verbundenen Stationen
Mehrere Routen zwischen zwei nicht benachbarten Stationen
möglich ⇒ Wegfindung (Routing) sehr wichtig
Ein Paket wird in der Regel für eine bestimmte Station adressiert
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-3
Physikalische Komponenten eines
Rechnernetzes
• Hostrechner/Server mit Diensten wie Mail, Verzeichnisse, …
• Terminals: Geräte, mit denen Benutzer ins Netz kommen und auf
die Ressourcen der Server zugreifen
• Übertragungsmedien z.B. Twisted Pair, Glasfaser, Infrarot, …
• Repeater verstärken die Signale zur Verlängerung der
Übertragungsstrecke
• Netzknoten: Schaltzentren des Netzwerkes, der Netzverwaltung
Hubs: Verbinden mehrere Stationen, Broadcasting eingehender
Pakete
Switches und Bridges: Koppeln Teilnetze
Router: Weiterleitung ankommender Pakete
Gateways: Verbindung Stationen, die unterschiedliche
Transportprotokolle verwenden ⇒ „Umformatierung“
• Access Points für drahtlose Verbindungen
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-4
Charakterisierung von
Rechnernetzen nach Ausbreitung
• Ausdehnung = Maximale Entfernung zwischen den Stationen
des Rechnernetzes
Persönliches Netzwerk (Personal Area Network, PAN): Netzwerke
einzelner Personen, z.B. Funknetzwerk zu Hause mit Computer,
Maus, Tastatur, Drucker, Digitalkamera, …
Lokales Netzwerk (Local Area Network, LAN): Netzwerk in einem
Gebäude / auf einem Gelände, Entfernung oft nicht größer als 1km
Fernnetze (Wide Area Networks, WAN): Kopplung vieler LANs in
einem Land, auf einem Kontinent, …
Internet: Globales Netzwerk als Zusammenfassung mehrerer WANs
• Alternative Klassifikationen anhand eingesetzter
Übertragungsmedien, Übertragungsprotokolle, … wie zum
Beispiel Ethernet, Fast-/Gigabitethernet, Tokenring, FDDI, ATM,
…
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-5
LAN Topologien
• LANs meist ohne mehrfache Pfade
• Busnetze: linearer Kabelstrang,
Stationen aneinander gereiht
Kostensparende Methode für
Netzwerkaufbau
Ineffizient: innere Knoten
bearbeiten gesamten Verkehr
Nicht ausfallsicher: ein defekter
innerer Knoten trennt das Netzwerk
• Ringnetze: Nachrichten laufen in
vorgegebener Umlaufrichtung
Alle Knoten sind mit zwei anderen
Knoten verbunden
⇒ bei Ausfall eines Knotens existiert
immer noch eine Verbindung
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-6
LAN Topologien
• Sternnetze: zentraler Knoten mit
jeweils einer Anschlussleitung zu
jedem Teilnehmer
Schneller Aufbau
Einfache Erweiterbarkeit
Völliger Ausfall, wenn das zentrale
Element versagt
Ausreichende Dimensionierung des
Zentralknotens erforderlich
• Hierarchische, oft Baumstruktur:
meist Weiterentwicklung eines
sternförmigen Netzwerks
Nahe liegende Standorte nutzen die
Fernverbindungen gemeinsam
Bei Ausfall zentraler Verbindungen
sind große Netzsegmente betroffen
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-7
LAN Topologien (2)
• Dezentrales Netzwerk: Verbindungen sind nach keinem
besonderen Schema angeordnet, sondern richten sich
nach Parametern wie
Datenaufkommen
Kosten für einzelne Verbindungen
Absicherung einzelner Knoten
⇒Komplexe Netzwerke, die mit intelligenten
Übertragungseinstellungen und Lastverteilungen stabile
Datenübertragungen gewährleisten
⇒Ausfalltoleranz bei Ausfall einer oder mehrerer Verbindungen
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-8
Vermaschte Netztopologien
• Netzknoten sind beliebig verbunden, zwischen zwei Knoten
können mehrere Wege bestehen
File-Server
Rep
Rep
Router
Router
Bridge
Bridge
Ethernet
Token-Ring
PSE
FDDI-Ring
O. Kao
Bridge
Bridge
WANVerbindungen
Webbasierte Informationssysteme
2-9
Drahtlose Kommunikation
• Mobilität ist eines der wesentlichen Merkmale, das unser
Alltagsleben in den letzten Jahrzehnten nachhaltig veränderte
und noch verändern wird
• Mobilität im Bereich der Informationssysteme
Gerätemobilität: Taschenrechner, Notebooks, Pager, Personal
Digital Assistants, mobile Telefone, …
Nutzermobilität: der Nutzer eines Kommunikationssystems, der
bestimmte Dienste an unterschiedlichen Orten nutzen kann
Mobile Telefone: Gespräch unabhängig von der
Festanschlussposition
Drahtloser Internetzugang: Datenkommunikation unabhängig
von der Festanschlussposition
…
• Drahtlose Kommunikation = Austausch von Daten ohne Einsatz
von Draht oder Glasfaser, sondern üblicherweise unter
Verwendung von Funk oder infrarotem Licht
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-10
Drahtlose Netzwerke
• Infrastruktur zur Realisierung der drahtlosen Kommunikation
• Einsatzbereiche
Mobilfunk / Handy
GSM (Global System for Mobile Communication)
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
WAP (Wireless Application Protocol), …
Satellitensysteme und Navigation (z.B. GPS)
Rundfunksysteme, z.B. digitale Audio- und Videoausstrahlung
Drahtlose lokale Rechnernetzwerke
Ad hoc Netzwerke: Direkte Kommunikation zwischen zwei
Geräten im Ausstrahlungsbereich
Infrastruktur: Erweiterung des existierenden,
leitungsgebundenen Netzwerks
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-11
Drahtlose Netzwerke:
Infrastruktur
Existierendes Netzwerk
Access Point
Access Point
BSS2
BSS1
• Access Point: Zugangspunkt für drahtlose Kommunikation, integriert im
Festnetz und im drahtlosen Netz
• Stationen: Rechner mit Zugriffsfunktion auf das drahtlose Medium und
Funkkontakt zum Access Point
• Basis service set (BSS): Gruppe von Stationen, die dieselbe
Funkfrequenz nutzen
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-12
Drahtlose Netzwerke:
Ad Hoc Kommunikation
• Direkte Kommunikation zwischen den Geräten ohne Koppelpunkte wie
den Access Point
• Alle Geräte in der Reichweite des Signals werden angesprochen und
können ggf. eine Verbindung aufbauen
• Die Gruppe ist für die Koordination der Aktivitäten vernatwortlich
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-13
Vor- und Nachteile drahtloser
Netzwerke
• Hauptvorteile gegenüber leitungsgebundenen Netzwerken
Flexibilität: Innerhalb des Übertragungsbereichs können alle
Knoten ohne Einschränkung miteinander kommunizieren
Vereinfachte Planung bzgl. Verlegung von Leitungen,
Netzwerksteckern, …
Komfortabler Nutzerzugang zum Netz
Entwurfsfreiheit für Geräte, die auch noch z.B. in Jackentaschen
oder Rücksacken kommunizieren können
Geringere Kosten für Netzwerkabdeckung von größeren Flächen
wie Hörsälen
• Wichtigste Nachteile
Niedrige Kapazität
Oft noch proprietäre Lösungen vorhanden
Sicherheitsaspekte noch nicht vollständig gelöst
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-14
2.2 Austausch von Daten
zwischen Netzteilnehmern
• Direkte Verbindung zwischen zwei Teilnehmern
⇒Leitungsvermittlung, z.B. öffentliches Telefonnetz
⇒Dem Teilnehmer wird ein Übertragungskanal und dessen
gesamte Kapazität (Bandbreite) zur alleinigen Nutzung zur
Verfügung gestellt
⇒Implizite Adressierung, da Sender und Empfänger an den
Leitungsenden zu finden sind
Merkmale
Kurze Verweilzeiten der Nachrichten im Netz
Ungenutzte Übertragungskapazitäten
Sender
Empfänger
Send()
Receive()
Virtuelle Leitung
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-15
Austausch von Daten zwischen
Netzteilnehmern: Paketvermittlung
• Paketvermittlung, z.B. Internet
Nachrichtenzerlegung in individuell adressierte Paketen
Datenpakete werden in Netzknoten zwischen gespeichert (store
and forward) ⇒ Verzögerungen möglich, aber eine bessere
Ausnützung der Übertragungskanäle/ Netzzugänge
Für jedes korrekt empfangene Paket wird eine Quittung an den
Sender geschickt
Bei Fehlern/Paketverlust wird das Paket erneut gesendet
1
12345
1
5
4
Sender
5
4
Empfänger
2 3
2 3
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-16
Austausch von Daten zwischen
Netzteilnehmern: Verbindung
• Verbindung = Beziehung zwischen zwei kommunizierenden
Stationen über einen bestimmten Zeitraum
• Wichtig: Aufstellung einer Verbindung zwischen zwei Stationen
nicht immer notwendig
• Unterteilung der Netzwerkkommunikation in
Verbindungsorientierte Kommunikation ⇒ Aufstellung einer wohldefinierten Verbindung zwischen Stationen notwendig
Verbindungslose Kommunikation ⇒ Kommunizierende Stationen
treten nicht in direkten Kontakt, die Daten werden von Knoten zu
Knoten übertragen
• Vor- und Nachteile
Aufbau einer Verbindung ist komplex und zeitintensiv, wenn viele
Stationen miteinander kommunizieren
Ist einmal eine Verbindung aufgebaut, dann ist der Datenaustausch
trivial (Empfänger steht fest, Reihenfolge bleibt erhalten, …)
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-17
Verbindungsorientierte
Kommunikation
• Datenaustausch in drei Phasen
1. Verbindungsaufbau (connect, set-up): Sender spricht den Empfänger
an, sendet Authentifizierungsdaten und verlangt den
Verbindungsaufbau
2. Datenaustausch (data transfer): Bidirektionaler Datenaustausch
3. Abbau der Verbindung (disconnect)
• Durch Aufbau der Verbindung wird sichergestellt, dass
Alle Daten den Empfänger erreichen
Benötigte Ressourcen (Betriebsmittel) im Netz (Speicher in Zwischenknoten, Übertragungskapazität, …) für die Dauer der Verbindung
reserviert werden ⇒ Garantierte Dienstgüte garantiert, z.B. bei
Auslieferung von Videos, Audios, …
• Analogie: Telefonieren (Anrufen = connect, Abnehmen =
Kommunikationserlaubnis, Stimme = Authentifizierung, Gespräch =
Datenaustausch, Auflegen = disconnect)
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-18
Verbindungslose
Kommunikation
• Daten werden ohne Vorankündigung zur Übertragung
übergeben
⇒ Kein initialer Kontakt zwischen Sender und Empfänger
⇒ Keine vollständige Sicherheit, dass die gesendeten Daten den
Empfänger erreichen
⇒ Keine Reservierung von Ressourcen, d.h. Variationen der
Zustellungsgeschwindigkeit und –qualität möglich
• Vorteil: Kein Verwaltungsaufwand durch Verbindungsaufbau
• Nachteil: Adressierung der Daten komplizierter
Daten werden in kleine Pakete zerlegt
Jedes Paket wird mit voller Adressierungsinformation (Ziel- und
Quelladresse) ausgestattet
Pakete werden unabhängig voneinander durch das Netz befördert
• Analogie: Briefzustellung bei der Post
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-19
Von Datenaustausch zu
Kommunikation
• Verbindung und Datenaustausch noch keine Kommunikation
• Analogie: Kommunikation zwischen Menschen aus
unterschiedlichen Ländern, z.B. Deutschland und China
Unterschiedliche Sprachen
Unterschiedliche Schriftzeichen
Unterschiedliche Kommunikationsregeln, …
• Bei Rechnern
Unterschiedliche
Unterschiedliche
Unterschiedliche
Unterschiedliche
Netzwerktechnologien
Betriebssysteme
Zeichensätze
Konfigurationen
⇒ Die Netzwerkteilnehmer gehören zu einer von vielen Tausenden
Variationen von Rechnern/Software/Netzwerk/…
Dennoch: Jeder Teilnehmer muss mit jedem anderen Teilnehmer
im Netzwerk kommunizieren können
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-20
2.3 Übertragungsprotokolle
• Übertragungsprotokolle = Regeln für Kommunikation im Netz
• Analogien: Begrüßung per Handschlag, Ablauf von
Staatsempfängen, …
• Wie erfolgt der Dialog zwischen zwei Netzwerkteilnehmern?
Verwendung von überall verständlichen Steuerkommandos
Festlegung von Aktionen zu Kommandos
⇒ Kernaufgaben der Übertragungsprotokolle
Festlegung der Formate für die zwischen den Teilnehmern
auszutauschenden Nachrichten
Vorgabe von Zuständen und Zustandsübergängen für die in den
Teilnehmerstationen ablaufenden Prozesse
• Ziel: Informationsübertragung sicherzustellen, auch wenn
Übertragungskanäle mit Störungen behaftet sind
Kommunizierende Prozesse nicht in festem Zeitbezug arbeiten
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-21
Übertragungsprotokolle (2)
• Wie wird sichergestellt, dass wirklich jeder Netzwerkteilnehmer mit
jedem anderen Teilnehmer kommunizieren kann
Festlegung der übergreifenden Protokolle durch Konsens nach einer
offenen Diskussion, an der sich jeder beteiligen kann
Jeder Hersteller, der sein Rechner/Betriebssystem/Programm
netzwerkfähig machen will, muss diese vereinbarten Protokolle
unterstützen
• Diese Vorgehensweise wird heute in verschiedenen „Gremien“ wie
IETF (Internet Engineering Task Force) fortgesetzt
The Internet Engineering Task Force (www.ietf.org) is a large open
international community of network designers, operators, vendors,
and researchers concerned with the evolution of the Internet
architecture and the smooth operation of the Internet. It is open to
any interested individual.
• Ideen bzgl. Architekturen, Protokollen, … werden in sog. Request for
Comments (RFC) veröffentlicht
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-22
Netzsoftware
• Netzsoftware = hoch strukturierte
komplexe Software, die die gesamte
Umsetzung der Kommunikation – von
Anwendung über Protokolle bis zu
Steuerung der Netz-HW – übernimmt
• Softwaredesign: Teile und Herrsche
Unterteilung der Aufgaben in klar
definierte, hierarchisch organisierte
Module (Schichten)
Spezifikation von Schnittstellen
zwischen den Schichten
Definition von Kommunikationsregeln
zwischen Schichten, die
Sich untereinander befinden
Gleichberechtigt sind
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-23
Analogie: Kommunikation
zwischen zwei Präsidenten
Invitati
on to
dinner
Nachricht
Einlad
ung
zum
Dinner
Übersetzer
Fax:
Technische
Abwicklung
Einladu
ng zum
Dinner
O. Kao
Einlad
ung
zum
Dinner
Virtuelle Kommunikation
Reale Kommunikation
Fax:
Einladu
ng zum
Dinner
Webbasierte Informationssysteme
2-24
2.4 Umsetzung der
Netzsoftware: ISO/OSI Modell
• Offenes System: System von Computern, Software, Peripherie
und Übertragungsmedien, das ISO/OSI-Standards für den
Informationsaustausch mit anderen offenen Systemen gehorcht
ISO/OSI betrachtet ausschließlich die Interaktion zwischen offenen
Systemen, nicht deren lokal ausführbaren Aufgaben
Anwendungsprozesse sind in zwei Teile getrennt
Interaktion zwischen Anwenderprozessen und
Verarbeitung (lokaler Anwendungsprozess) ohne Kommunikation
Beispiel: Eine Person, die ein Bankterminal bedient, und dem
zugehörigen Datenbanksystem, das auf getrenntem Computer
abläuft
• Implementierung der Protokolle oder das interne Verhalten der
Systeme werden nicht bestimmt, sondern nur deren Verhalten
nach außen
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-25
Schichten
Anwendungsschicht
Anwendungsprotokoll
Anwendungsschicht
Darstellungsschicht
Darstellungsprotokoll
Darstellungsschicht
Kommunikations
-schicht
Kommunikationsprotokoll
Kommunikations
-schicht
Transportschicht
Transportprotokoll
Transportschicht
Vermittlungsschicht
Vermittlungsschicht
Vermittlungsschicht
Vermittlungsschicht
Sicherungsschicht
Sicherungsschicht
Sicherungsschicht
Sicherungsschicht
Bitübertragungsschicht
Bitübertragungsschicht
Bitübertragungsschicht
Bitübertragungsschicht
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-26
Einbettung von Nachrichten
• Grundprinzip: Nachrichten aus höheren Schichten werden als
Nutzdaten für die unteren Schichten eingesetzt
Nutzdaten der
Anwendung
z.B. Adressen, Paketnummer, …
z.B. Adressen, Time-to-Live, …
Steuerdaten
der Schicht 3
Schicht 7
Anwendung
Steuerdaten Nutzdaten der
der Schicht 4
Schicht 4
Schicht 4
z.B. TCP
Nutzdaten der
Schicht 3
Schicht 3
z.B. IP
z.B. Adressen, Prüfsumme, …
Steuerdaten
der Schicht 2
Nutzdaten der
Schicht 2
O. Kao
Schicht 2
z.B. Ethernet
LLC
Webbasierte Informationssysteme
2-27
Bitübertragungsschicht
(Schicht 1)
• Aufgaben der Bitübertragungsschicht
Empfang der Bitblöcke von der Sicherungsschicht
Ausstattung mit Rahmenbegrenzung
Weiterleitung über den Übertragungskanal
• Der Empfänger auf der anderen Seite extrahiert den
Bitstrom und liefert ihn an die darüber liegende Schicht ab
• Eigenschaften
Keine Garantie für eine zeichentreue Übertragung
Vereinbarung über Charakteristiken der Übertragung wie
Taktrate
Spannungspegel und Polarität
Signalcodierung und Rahmenbegrenzung
Kabelbelegungen und Format der Anschlussstecker, …
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-28
Sicherungsschicht (Schicht 2):
Grundaufgaben
• Behandlung von Übertragungsfehlern durch
Ergänzende Sicherungsmaßnahmen wie Prüfsummen,
redundante Codierung, ...
Erneutes Anfordern/Übertragen von Nachrichten, die mit
Störungen behaftet sind
• Regulierung des Datenflusses
Sendegeschwindigkeit so bestimmen, dass der langsamere
Empfänger nicht mit Paketen überschwemmt wird
• Protokolle für Medienzuteilung (Medium Access Layer):
Welche Station darf die gemeinsam genutzte
Übertragungskanäle aktuell verwenden?
• Rahmenbildung
Sicherungsschicht kapselt die Pakete von der Vermittlungsschicht
in Rahmen (Frames)
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-29
Dienste für die
Vermittlungsschicht
• Häufig bereitgestellte Dienste für die Vermittlungsschicht
Unbestätigter verbindungsloser Dienst: Quelle sendet Rahmen,
ohne dass diese vom Ziel bestätigt werden müssen
Bestätigter verbindungsloser Dienst: kein a-priori Verbindungsaufbau, aber das Ziel muss jeden Rahmen bestätigen
Bestätigter verbindungsorientierter Dienst
• Anmerkungen
Bestätigung der Rahmen dient der Optimierung, ist aber nicht
notwendig ⇒ Verlagerung der Bestätigung in die Vermittlungsund/oder Transportschicht
LAN Umgebungen arbeiten unbestätigt, da seltene Verluste und
demnach lohnt der zusätzliche Übertragungsaufwand nicht
Drahtlose Netzwerke arbeiten bestätigt verbindungslos, da
Bestätigung einzelner kleiner Frames aufgrund häufiger
Übertragungsfehler sinnvoll
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-30
MAC Adressen
• HW-Adresse eines Netzwerkgeräts (Netzwerkkarte, Switch, …) zur
eindeutigen Identifikation des Geräts im Netzwerk
• MAC-Adresse wird beim Einschalten gesetzt und kann danach oft
nicht mehr verändert werden
• Aufbau der MAC Adresse bei Ethernet
48 Bit, in der Regel hexadezimal geschrieben, z. B. 08-00-20-ae-fd-7e
Erste 24 Bit = von IEEE vergebene Herstellerkennung (z.B. 00-508b-xx-xx-xx für Compaq)
Nächste 24 Bit= legt Hersteller für jede Schnittstelle individuell fest
Adressen der Schnittstellen weltweit eindeutig ⇒ Einsatz zur
automatischen Gerätekonfiguration, Basis für Protokolle wie DHCP
• Internet-Protokolle verwenden eine dynamische Zuordnung von
MAC Adressen zu Internetadressen mit ARP (Address Resolution
Protocol) (siehe z.B. arp –a)
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-31
Protokolle für Medienzuteilung
• Nur ein Teilnehmer darf auf das Übertragungsmedium zugreifen
Statisches Multiplexen⇒ feste Partitionierung des
Übertragungskanals
Jede Station darf während des vorgegebenen Zeitintervalls ohne
vorherige Abstimmung den Übertragungskanal belegen
Tokenvergabe: Zugriffsrecht wird herumgereicht und von einer
Station einbehalten, wenn sie eine Nachricht senden möchte
CSMA-Techniken (carrier sense multiple access)
Dezentrales Zugangsprinzip, in welchem jede Station vor dem
Absenden einer Meldung prüft, ob der Kanal besetzt ist
⇒ Restrisiko der Kollision mit einer anderen Meldung
⇒ Weitere Sendeversuche nach zufällig gewählter Wartezeit
CSMA/CD: Wettbewerbsverfahren, bei dem auch während der
laufenden Übertragung geprüft wird, ob eine Kollision stattfindet
(CD = collision detection)
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-32
Vermittlungsschicht
(Schicht 3)
• Datenübertragung unabhängig von Technologien in Teilnetzen
• Abstraktion der Netztopologie und einheitliche Adressierung von
Endsystemen
• Bereitstellung von verbindungsorientiertem und verbindungslosem
Dienst
• Leitweglenkung (routing): Auffinden eines Pfades – Folge von
Stationen (router, switch) – zwischen zwei Endsystemen
Auswahl aufgrund von
Optimierungskriterien z.B. kürzester Weg, kleinste Verzögerung
Geforderter Dienstgüte, vertraglichen Absprachen, …
• Behandlung von Überlastsituationen
Mehr Betriebsmittel
Entfernung von Verkehr aus dem Netz und Aufforderung der Quellen,
den generierten Verkehr zu reduzieren
Verkehr nur zugelassen, wenn genügend Betriebsmittel bereitstehen
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-33
Internet Protocol (IP)
• Aktuell wichtigstes Protokoll zur Netzkopplung
• Hauptaufgabe des IP: Netzübergreifende Adressierung
• IP verbessert kaum die Dienste der darunter liegenden Schichten:
Verbindungslose Kommunikation durch Austausch von Datagrammen
(IP-Datagramme)
• Aktuell verwendete Version: IPv4
Entwickelt vor 20 Jahren basierend auf der Annahme „es wird Hunderte
Netze und mehrere Tausend vernetzte Rechner weltweit geben“ ⇒
eingesetzter 32 Bit Adressraum ist heute zu klein
• Aktuelle Entwicklung: IPv6
Basiert auf 128-Bit-System ⇒ pro Quadratmeter Erde können 1.500 IPAdressen zugewiesen werden
Größere Sicherheit
Bessere Unterstützung von Echtzeitanwendungen, …
Einführung bis 2005 geplant
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-34
Adressierung
• Hierarchische Aufteilung der zur Verfügung stehenden Adressen ⇒
Jede untergeordnete Vergabestelle verfügt frei über Teil der Adressen
• Adressierung im Internet-Protokoll (IP) mit 32 Bit
Teil 1 für das Netz und Teil 2 für den Rechner ⇒ 2 Klassen A, B, C
Dotted Decimal Notation: IP Adressen Darstellung als 4 Integerwerte,
durch Punkte getrennt, jeder Integerwert repräsentiert jeweils 1 Byte
• Beispiele
NetzID
Host ID
00001010 00000000 00000000 00000000
NetzID
10.0.0.0 (Class A)
Host ID
10000000 00000011 00000010 00000011
NetzID
128.3.0.0 (Class B)
Host ID
11000000 00000000 00000001 11111111
192.0.1.255 (Class C)
• Netzadressen werden zentral verwaltet, die Vergabe von
Rechneradressen erfolgt dezentral durch die jeweiligen Netzbetreiber
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-35
DNS - Domain Name Service
• Hauptaufgabe: Auflösung von Hostnamen und Umwandlung in die
zugehörigen IP-Adressen ⇒ DNS-Server als verteilte Datenbank
• Erster Entwurf
Alle Namen und Adressen befanden sich in einer zentralen
Masterdatei, die per FTP auf jeden Rechner herunter geladen wurde
Nicht skalierbar, keine lokale Organisation möglich, …
• Aktueller Entwurf
Hierarchische Vorgehensweise durch Partitionierung sowohl
organisatorisch (.com, .edu, .gov, .mil, …) als auch geografisch (.de,
.uk, .fr, …) ⇒ Aufteilung in Zonen
Solche Endungen werden als Top-Level-Domains bezeichnet
• Geografische Endungen unabhängig von der aktuellen Position der
Ressourcen, aber Betreiber der Domains unterliegen der
Rechtsprechung des entsprechenden Landes
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-36
Routing
• Einfachste Form: Flooding (Überflutung)
Jeder Router sendet jedes Paket über jede Ausgangsleitung
Ausnahmen
Paket ist für den Router selbst bestimmt (Ziel erreicht)
Router hat das Paket bereits früher erhalten
Paket ist über diese Leitung eingetroffen
Vorteile: Falls Ziel erreichbar, dann wird ein Weg gefunden und
das Paket gelangt auf dem kürzesten Weg zum Ziel
Nachteil: Viele überflüssige Paketduplikate
• Theorie-basiert: Berechnung von kürzesten Wegen in dem
weltumspannenden „Netzwerkgraphen“
Gewichte: 1 Punkt entspricht einer Vermittlung (1 Hop)
Ständige Aktualisierung des Graphen zu kostspielig
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-37
Routing (2)
•
•
•
•
Link State Routing für IP-basierte autonome Systeme
Regeln
1. Jeder Router muss seine direkten Nachbar-Router kennen lernen
und sich die Netzadressen der direkten Nachbar-Router merken
2. Jeder Router bestimmt Kosten zu jedem direkten Nachbar-Router
3. Alle Router senden an alle Router ein Link State Packet (LSP) mit
den in 1. und 2. gewonnenen Erkenntnissen
4. Jeder Router bestimmt anhand empfangener LSPs die kürzesten
Entfernungen und die kürzesten Wege zu allen anderen Routern
Schritte 3. und 4. werden wiederholt bei
Neuem Nachbar
Änderung der Entfernung zu einem Nachbarn
Verbindung zu einem bisherigen Nachbarn ausfällt.
Problem: Wie findet man die die Nachbar-Router? ⇒ Flooding
Verbesserung durch hierarchisches (region-basiertes) Routing
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-38
Transportschicht
(Schicht 4)
• Anpassung der netzorientierten Schichten 1 bis 3 an die
Erfordernisse der anwendungsorientierten Schichten 5 bis 7
• Dienstgüte (Quality of Service) kann spezifiziert werden
• Transportprotokolle
User Datagram Protocol (UDP): Weiterleitung der IP-Dienste,
verbindungslos, unzuverlässig
Transmission Control Protocol (TCP): Zuverlässig, gleicht falsche
Paketreihenfolge / Datenverluste aus, verbindungsorientiert
• Adressierung
Prozesse als Absender/Empfänger
Mechanismus für die Adressierung mehrerer Prozesse in einem
System basiert auf dem Konzept der Ports (16 Bit Zahlen)
Konkatenation einer IP-Adresse und einer Port-Nummer
gleichbedeutend mit der netzweiten Adresse einer Anwendung
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-39
Anwendungsschicht
• Funktionen zur Kooperation von Anwendungsprozessen
World Wide Web (HTTP)
Dateitransfer (FTP)
News (NNTP)
Remote Login (Telnet, SSH)
E-mail (SMTP, IMAP,…)
Katalogdienste (X.500)
…
O. Kao
Webbasierte Informationssysteme
2-40