Mobile Communication Technologies @ BFH MAT 2012
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3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols Version 0.1 3.5.1 Mobile Communication Technologies @ BFH MAT 2012 0. Preamble 1. Surrounding fields 2. Radio related fundamentals 3. Communication related fundamentals 3.0 Overview & summaries 3.1 Modulation & coding 3.2 Access & duplex schemes 3.3 Achievable data rates 3.4 Mobility issues 3.5 Communication protocols 4. Long range cellular systems 5. Short range systems 6. Satellite communications & broadcasting 7. Use case: Evaluation of alternative technologies for the Broadband Universal Service Obligation cell wave 3.5.0 Summary & major references 3.5.1 Standardization 3.5.2 OSI model 3.5.3 Ethernet 3.5.4 TCP / IP mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.2 1 2 Summary & Major References Summary 3 4 5 6 Standardisierung: Anliegen: Schaffen von Standards, Verhindern von proprietären Lösungen Gremien: ISO, ETSI, IEEE OSI (Open Systems Interconnect) Modell: Idee: Unterteilung eines komplexen Gesamtvorgangs in 7 Schichten Bedeutung: Komplexitätsverringerung eines Gesamtvorgangs Bedeutung: TCP/IP verfügt nur über 4 Layers, weit häufiger eingesetzt Ethernet: Zugriff aufs Medium: Vom Shared Medium (Bus) zum LAN Switching (Stern) Entwicklung: Vom LAN zur bevorzugten End-to-End Technologie überhaupt Von Firmenmarkt zum Carrier Markt: 1 Gbps, 10 Gbps, 100 Gbps Ethernet 7 9 Ethernet TCP/IP: 8 OSI Model Geschichte: 1969 ARPANET 1975 Beginn der Entwicklung des Internet 1980 Beginn der Einführung des Internet Internet Protokoll Familie: Layer 3 (Internet Protocol, IP), Layer 4 (Transport Control Protocol, TCP; User Datagram Protocol, UDP). IPv4: Zu kleiner Adressraum (32 Bits 4 ·109; Teillösung durch NAT), schlechte Routing Effizienz, Netzsicherheit problematisch. IPv6: Erweiterter Adressraum (128 Bits 1077), erweitertes Routing, sichere Authentifizierung, QoS, Multicast, etc. TCP: Zuverlässiger verbindungsorientierter Layer 4 Dienst auf einem nicht zuverlässigen verbindungslosen Layer 3 Dienst (IP). UDP: Nicht zuverlässiger verbindungsloser Layer 4 Dienst auf einem nicht zuverlässigen verbindungslosen Layer 3 Dienst (IP). Perspektiven: TCP / IP setzt sich durch, der ursprünglich verbindungslose Ansatz wird zunehmend verbindungsorientiert (MPLS, MPLS+ PW, T-MPLS), jedoch nach wie vor nur CoS und keine garantierte QoS wie ATM (dafür aber auch kein "Besetztzeichen"). cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.3 1 2 Summary & Major References Major References 3 4 5 6 7 Dieter Conrads, "Telekommunikation: Grundlagen, Verfahren, Netze", ISBN 3528345896, Vieweg, 4. Auflage, 2001, pp 70 – 100. 8 9 cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.4 1 2 Standardization Standardisierungsanliegen und -gremien 3 4 Anliegen: Schaffen von allseits anerkannten Standards für kompatible Einrichtungen Verhindern von proprietären (firmenspezifischen) Lösungen Durchsetzen der Standards Wichtigste Standardisierungsgremien: ISO: International Organization for Standardization ITU: International Telecommunication Union) 5 6 7 ITU-R: Radiocommunication Sector (vormals CCIR) ITU-T: Telecommunication Standardization Sector (vormals CCITT) ITU-D: Telecommunication Development Sector ETSI: European Telecommunication Standards Institute CEPT: Conférence Européenne des Administrations et des Télécommunications CEN: Comité Européen de Normalisation CENELEC: Comité Européen de Normalisation Électrotechnique ECMA: European Computer Manufacturers Association IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers 3GPP: 3rd Generation Partnership Project 8 9 cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.5 1 2 OSI Model Einleitung (Philosophen-Idee) 3 Brief verfassen und transportieren: Philosoph A, in Indien lebend, will Philosoph B, in Brasilien lebend, eine Idee mitteilen Philosoph A kann jedoch nicht lesen und schreiben. Und so diktiert er die Formulierung der Idee seinem Sekretär auf Hindi Dieser schreibt die Idee nieder und gibt sie nach einer Korrektur dem Dolmetscher, der sie von Hindi ins Englische übersetzt Dieser leitet das Dokument nachher ans Sekretariat weiter. Dort wird ein Begleitbrief geschrieben und dieses zusammen mit dem englischen Dokument in einen adressierten Briefumschlag gesteckt. Dieser Umschlag wird vom Sekretariat an die Poststelle weitergeleitet, die den Brief schliesslich an die indische Post übergibt. Diese sorgt zusammen mit anderen, zwischengeschalteten Stellen für einen Transport des Briefes bis zum Bürogebäude des brasilianischen Philosophen B. 4 5 Brief erhalten und lesen: 6 7 Dort trifft der Brief nach einer Woche in der Poststelle ein und durchläuft die gleich Kette im umgekehrter Richtung: Poststelle Sekretariat Übersetzung aus dem Englischen ins Portugiesische. Schliesslich hält der persönliche Sekretär des Philosophen B den Brief in den Händen. Da auch Philosoph B weder schreiben noch lesen kann, liest der Sekretär dem Philosophen B die Idee des Philosophen A vor. Brief beantworten: Anschliessend überlegt der Philosoph B eine Weile und diktiert seinem Sekretär seinerseits die Antwort ... 8 9 cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.6 1 2 OSI Model Grundsätzliches, Struktur & Funktion 3 Begriffe: ISO: International Organization for Standardization OSI: Open Systems Interconnect Idee: 4 Realisierung für Kommunikation: 5 6 7 8 9 Unterteilung: Zerlegung eines komplexen Gesamtvorgangs in mehrere logisch schlüssige & möglichst unabhängige Teile. ISO Referenzmodell für offene Systeme (OSI Modell): Aufteilung in 7 Schichten, Ebenen oder Layers. Elemente: Logische Phasen des Kommunikationsvorgangs: Verbindungsaufbau, Datentransfer & Verbindungsabbau Entsprechende Dienste des Kommunikationssystems: Dienstprimitive (Service Primitives) Bestätigungen (Acknowledgement): Verbindungsaufbau und –abbau: Einmalige Bestätigung Datentransferphase: Bestätigung jedes Informationsblocks Arbeitseinheiten (Instanzen): Leistungen: Erbringen von schichtspezifischen Leistungen Zugriff auf Schichten: Brauchen nur Leistungen von Instanzen der tieferen Schicht, Zugriff via Service Access Points (SAPs) Weitergabe an Schichten: Leistungen nur für Instanzen der darüberliegenden Schicht cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.7 1 2 3 4 5 6 OSI Model OSI Schichten (OSI Layers) 7 Application Anwendung 7 6 Presentation Darstellung 6 5 Session Kommunikationssteuerung 5 Transport 4 4 Transport 3 Network 3 Network Vermittlung 3 2 Data Link 2 Data Link Sicherung 2 1 Physical 1 Physical Bitübertragung 1 7 Physical Medium – Physikalisches Medium 8 9 cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.8 1 2 3 4 5 OSI Model OSI Modell mit LAN Erweiterung Layer Schicht 7 Application Anwendung 6 Presentation Darstellung 5 Session Kommunikationssteuerung 4 Transport Transport 3 Network 6 2 Data Link 7 1 3c Internet Vermittlung (Netzwerk) 3b Enhancement 3a Subnetwork Access 2b Logical Link Control (LLC) 2a Medium Access Control (MAC) Physical Sicherung Bitübertragung 8 9 cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.9 1 2 OSI Model Funktionen Schicht 7 – Anwendungsebene – Application Layer: 3 Schicht 6 – Darstellungsebene – Presentation Layer: 4 Routing, Multiplexing, Flusskontrolle zwischen Endsystemen, Fehlerbehandlung bezogen auf Routing-Fehler Schicht 2 – Sicherungsebene – Data Link Layer: 7 Verbindungsaufbau in der geforderten Güte (geforderter Datendurchsatz) Schicht 3 – Vermittlungsebene – Network Layer: Regelung des Verbindungsaufbaus, des Datentransfers und des Verbindungsabbaus Schicht 4 – Transportebene – Transport Layer: 6 Überbrückung der Unterschiede in der Informationsdarstellung zwischen kommunizierenden Systemen Schicht 5 – Kommunikationssteuerungsebene – Session Layer: 5 Schnittstelle zum Nutzer respektive zu dessen Anwendungsprogramm Regelung des Verkehrs zwischen zwei benachbarten Stationen durch Fehlerbehebung und Flusskontrolle Schicht 1 – Bitübertragungsebene – Physical Layer: Die Übertragung über das Medium (z.B. Kabel), aber nicht das Medium selbst 8 9 cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.10 1 2 OSI Model OSI Modell für Philosophen-Kommunikation Schicht 7 – Application Layer: 3 Schicht 6 – Presentation Layer: 4 Logistik der Transportfirma (Brief wird jeweils richtig umgeladen) Schicht 2 – Data Link Layer: 7 Post (Organisation des internationalen Transports) Schicht 3 – Network Layer: Sekretariat (Schreiben des Begleitbriefes, Verpacken in adressierten Briefumschlag) Schicht 4 – Transport Layer: 6 Dolmetscher (Übersetzen des Briefes ins Englische) Schicht 5 – Session Layer: 5 Sekretär (Schreiben des Briefes in Hindi) Weichenstellwerke (richtige Weichenstellungen zwischen zwei Unterdestinationen) Schicht 1 – Physical Layer: Eisenbahngesellschaften (Transport des Briefes nach Brasilien) 8 9 cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.11 1 2 OSI Model Bedeutung des OSI Standards 3 4 5 6 OSI-Verbreitung: Trotz Regierungs-Initiativen Government OSI Profiles (GOSIP) in USA und England, European Workshop on Open Systems (EWOS) in Europa, und Promotion for OSI (POSI) in Japan. Kein Durchbruch auf breiter Front. OSI-Konkurrenz – TCP/IP (Internet) Protokolle: Verfügen nur über 4 Layers (Link, Network, Transport & Application Layer). Waren zeitlich früher (als Produkte) verfügbar. Sind in mancher Hinsicht eine überlegene Alternative. Haben bezüglich ihrer Offenheit Vorteile (allgemeine Verfügbarkeit für beliebige Plattformen). Entwickeln sich schneller als OSI (schwerfällige ISO / OSI Welt). OSI-Restzweck: Darstellung einer Kommunikationsplattform in verschiedenen Schichten. Verwendung von allenfalls weniger als 7 Schichten. 7 8 9 cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.12 1 2 Ethernet Ethernet: Vom LAN zum generellen Protokoll 3 4 LAN Bereich – Ethernet Marktanteil: Ethernet ist die dominante drahtgebundene LAN Technologie mit 80% Marktanteil, weil Ethernet einfach und einfach zu verstehen ist, kostengünstig in Hardware implementiert werden kann und gleichzeitig raffiniert genug ist für LAN Implementationen wie IP oder AppleTalk. Die restlichen 20% teilen sich Technologien wie Token-Ring, FDDI, ATM und DQDB. MAN / WAN Bereich – Wachsen von Ethernet in neue Markt Segmente: Vom LAN zum Metropolitan Area Network (MAN) und Wide Area Network (WAN): 5 6 7 8 9 Optische Interfaces ermöglichen Reichweiten von 70 bis 100 km Von Firmenmarkt zum Carrier Markt: Core Network: Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet, ... Aggregation Network: Metro Ethernet Lösungen Access Network: Ethernet im Access Damit wird Ethernet zu der bevorzugten End-to-End Technologie überhaupt Zukunft von Ethernet: Ausbau des gegenwärtigen Marktanteils (95%?) im drahtgebundenen LAN Segment. Weiteres Vordringen im Core und Aggregation Network: Alternative zu ATM oder SDH Access Network: Als Alternative zu ATM oder ISDN. cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.13 1 2 Ethernet Gemeinsame Eigenschaften von LANs Broadcasting (Shared Medium): In einem bestimmten Zeitpunkt 3 4 LAN-Switching: Begünstigt durch 5 Deterministisch (wie Token Passing) oder probabilistisch (wie CSMA/CD – Ethernet). Wichtigste Vertreter: zunehmende Leistungsfähigkeit der Netze und zunehmende Gebäudeverkabelung in Stern-Topologie. Zugriff auf Medium: 6 sendet nur eine Station, alle anderen Stationen hören das Medium ab und interpretieren die Steuerinformationen, und nur die adressierte Station empfängt die Nachricht. CSMA/CD (802.3) – Ethernet, Token Bus (802.4), Token Ring (802.5), FDDI. Zusammenhang zwischen IEEE 802 Standards: 7 8 9 Ethernet cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.14 1 2 Ethernet IEEE 802.3 – CSMA/CD: Einleitung Name: 3 Begriff: 4 5 6 CSMA/CD = Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection Ethernet = Zusammenwirken von 802.1 (HILI), 802.2 (LLC) und 802.3 (CSMA/CD) Geschichte: Beginn 1970-er Jahre: ALOHA Random Access Funksystem zwischen Hawaiianischen Inseln 1973: Erste Implementation und Publikation durch Xerox von CSMA/CD (2.944 Mbps) 1976: Ethernet als erste und wichtigste Applikation von CSMA/CD durch Rank Xerox vorgestellt 1980: Ethernet durch DIX (DEC, Intel, Xerox) weiterentwickelt, mit variabler Paketlänge zur Standardisierung vorgeschlagen 1991: Verbesserte Inhouse Verkabelung mit Kupfer UTP Cat3 (10 Base-T) 1997: 100 Base-T Ethernet mit Kupfer UTP CAT 5 (100 Mbps) 1998: Gigabit Ethernet mit Kupfer UTP CAT 6 oder Glas (1 Gbps) 2002: 10 Gigabit Ethernet mit Kupfer UTP CAT 7 oder Glas (10 Gbps) 2010: 100 Gigabit Ethernet mit Kupfer oder Glas (100 Gbps) 7 8 9 Ethernet Bedeutung: Von allen LANs technisch am weitesten fortgeschritten Grösste Herstellerbasis Grösster Marktanteil cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.15 1 2 Ethernet IEEE 802.3 – CSMA/CD: Prinzip & Rahmenformat 3 Grundprinzip: Aufgaben von sendewilligen Stationen: Abhören: Sie hört das Medium ab (Listen Before Talking – LBT). Übertragen: Sie beginnt mit der Übertragung, wenn sie das Medium frei findet. Abhören während Übertragung: Sie hört während der Übertragung das Medium weiterhin ab (Listen While Talking – LWT). Übertragungsabbruch: Sie bricht die Übertragung ab, wenn sie eine Kollision feststellt. JAM Signal wenn Kollision: Sie sendet nach Kollisionserkennung ein JAM-Signal aus alle Stationen registrieren Kollision. 4 5 Random Access Verfahren, wo jede Station immer Zugriff zum Medium hat, ausser wenn dieses Medium bereits belegt ist. Rahmenformat: 64 Bytes (51.2 s) or or 2 0 46 4 Preamble SFD DA SA Length LLC Pad FCS 9 46 1 8 2 7 6 7 2 6 6 9.6s interframe gap Preamble Preamble: Binäre 10 Folgen zur Synchronisation. SFD – Starting Frame Delimiter: Markiert den Anfang des Info-Rahmens. DA – Destination Address: Zieladresse; 16 oder 48 Bits; einheitlich pro Netz. SA – Source Address: Adresse des Absenders. Length Field: Definiert Länge des nachfolgenden Datenfeldes. LLC Information: Nutzdaten und Steuerinformationen für höhere Ebenen. Pad – Padding Bits: Füllbits, so dass Rahmen eine minimale Länge hat. FCS – Frame Check Sequence: 32-Bit Prüfsequenz. Inter Frame Gap: Geforderter minimaler Rahmenabstand von 9.6s. cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.16 1 2 Ethernet IEEE 802.3 – CSMA/CD: Varianten 3 4 Namensgebung: Generell: <Datenrate [MPBS]> Übertragungsverfahren: Base für Basisband, Broad für Breitband Eher historisch: 5 6 9 Beispiele: 10Base2 (Cheapernet), 10Base-T. Optische CSMA/CD LANs: Reichweite: Grössere Netzausdehnungen möglich Beispiele: 10Base-F Fast Ethernet: 100Base-T (3Com, Intel, SUN): In 802.3 weiterentwickelt, am Markt durchgesetzt (schlechteres CSMA/CS-Verfahren) 100-Base-VG (HP, IBM, AT&T): In 802.12-Gremium weiterentwickelt (bessere Variante mit Round-Robin-Polling) Gigabit-Ethernet: 8 <Segmentlänge [100m]> Varianten: 7 <Übertragungsverfahren> Leistungsfähigere Technik für Backbone auf Kupfer (25-210m) / Glas (500m – 5km) und Shared Medium / Switching. 10-Gbps-Ethernet, 100-Gbps-Ethernet: Noch leistungsstärker, auch Kupfer, für längere Distanzen nur noch Glas, nur noch Switching. Shared Medium vs. Switching: Shared Medium: Basiert auf Bus Topologie mit gemeinsamem Hin- und Rückkanal. Switching: Basiert auf Stern Topologie mit separaten Hin- und Rückkanälen. cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.17 1 2 Ethernet IEEE 802.3 – CSMA/CD: Varianten & Merkmale Throughput Standard IEEE Spezifikation 10Base5 802.3 500 m 50-Ohm Thick Coax 10Base2 802.3 185 m 50-Ohm Thin Coax 10BaseT 802.3 100 m Cat 5 UTP 100BaseTX 802.3u 100 m Cat 5 UTP 100BaseFX 802.3u 2'000 m Multi Mode Fiber 1000BaseSX 802.3z 500 m Multi Mode Fiber 1000BaseLX/LH 802.3z 10'000 m 1000BaseT 802.3z 100 m 10GBaseLR 802.3ae 10'000 m Single Mode Fiber 10GBaseER 802.3ae 40'000 m Single Mode Fiber 100GBaseLR 802.3ba 10'000 m Single Mode Fiber 100GBaseER 802.3ba 40'000 m Single Mode Fiber 3 10 Mbps 4 100 Mbps 5 1'000 Mbps 6 10'000 Mbps 7 100'000 Mbps Maximale Kabellänge Kabeltyp Single Mode Fiber Cat 5 UTP 8 9 cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.18 1 2 TCP/IP Begriff und Geschichte 3 4 5 Begriffe: TCP = Transport Control Protocol (Layer 4). IP = Internet Protocol (Layer 3). Geschichte (mit starker Unterstützung des US Verteidigungsministeriums): 1969: ARPANET (erstes paketvermittelndes Netz). 1975: Beginn der Entwicklung des Internet. 1980: Beginn der Einführung des Internet in konkreten Netzbetrieb. Internet Protokolle in UNIX integriert; kostenlose Verteilung an Universitäten. 1983: Internet Protokolle obligatorisch im (US) Department of Defense (DoD) Internet; DoD-Internet aufgespalten in 6 7 ARPANET (nicht-militärischer Teil) und MILNET (militärischer Teil). 1986: Verwendung der Internet Protokolle im National Science Foundation Network (wichtigstes Netz bis 1995). 1987: Beginn eines massiven Wachstums des DoD-Internets (bis zu 15% pro Monat). 2000: Weit über 100'000 Teilnetze in Betrieb mit über 500 Millionen Teilnehmern stärkere (hierarchische) Strukturierung und weitergehende Erneuerung nötig. 8 9 cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.19 1 2 TCP/IP Kommunikationsprotokolle und Dienste Entwicklung von weiteren Kommunikationsdiensten basierend auf TCP und IP. Entstehen einer Kommunikationskultur, die über die eigentlichen Internet-Protokolle (= ARPA Protokolle) hinausgeht: 3 4 5 Berkley Services Network File System (NFS) 6 7 8 9 cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.20 1 2 TCP/IP Das Internet Architecture Board (IAB) Internet Architecture Board (IAB): 3 Internet Engineering Task Force (IETF): 4 Steuerung der Aktivitäten und Weiterentwicklung des Internets. Kurz- und mittelfristige betriebsrelevante Fortentwicklung. Internet Research Task Force (IRTF): Längerfristige Fragestellungen. IAB 5 (Internet Architecture Board) 6 IETF 7 IRTF (Internet Engineering Task Force) (Internet Research Task Force) 8 9 cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.21 1 2 TCP/IP Internet Protokoll Familie 3 4 5 6 7 Layers 5 – 7: Layers 5 – 7: TELNET (interactive terminal service) Trivial File Transfer Protocol (TFTP) File Transfer Protocol (FTP) Domain Name Service (DNS) Simple Mail Transfer Protocol (SMTP) Layer 4: Transport Control Protocol (TCP) Layer 4: User Datagram Protocol (UDP) Layer 3: Internet Protocol (IP) Layer 3: Internet Protocol (IP) Protocol Stack: OSI Layer 5-7 4 Protocol TFTP NFS UDP Telnet TCP UDP SMTP IP ARP/RARP Ethernet Token-Ring FDDI ATM PDN 8 9 cell wave mobile communications FTP TCP ICMP 3 2 DNS innovative consulting Andere 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.22 1 2 TCP/IP Struktur, Elemente & OSI Layers eines Internet Struktur: Teilnetz 3 Host 4 Gateway 5 Beispiel-Pfad zwischen 2 Knoten 6 7 8 9 Elemente: Teilnetze sind durch Gateways miteinander verbunden Gateways = Stationen mit Knoten in mindestens 2 Teilnetzen, die Verkehr zwischen diesen Teilnetzen vermitteln. Router = Gateway auf Layer 3 Gateways im Internet sind Routers. Kein Routing in einem Teilnetz: Alle Stationen in einem Teilnetz sind direkt adressierbar. Hosts können Teilnehmer in mehreren Netzen sein, sind aber nur über mehrere Teilnetze erreichbare Hosts und keine Gateways, solange sie nicht für dritte zwischen den Teilnetzen vermitteln. OSI Layers: Layer 3: IP, unterster Layer der TCP/IP Protokollfamilie. Tiefere Layers: Keine prinzipiellen Aussage über Layers 1 und 2, bereits heute meist Ethernet cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.23 1 2 TCP/IP Namen und Adressen im Internet Drei unabhängige Namens- und Adressebenen: High-Level Naming (Domain Namen) 3 Directory Service Domain Name Resolution 4 Low Level Naming (Internet Adressen) Reverse Address Resolution 5 Address Resolution (Mapping) Physical Naming (Hardware Adressen) 6 7 8 9 High-Level Naming – Domain Namen: Beschreibung: Memotechnische Namen für Internet Adressen = strukturierte Zahlenkombinationen Beispiel: www.cellwave.ch Low-Level Naming – Internet (IP) Adressen Beschreibung: Entscheidende Grössen im Internet, Weltweit eindeutige 32-Bit Identifikation von Teilnetzen und Rechnern Beispiel: 192.168.1.1 Physical Naming (MAC Address – Hardware Adressen): Beschreibung: Gerätespezifische Adresse Beispiel: BC:05:43:41:2E:48 (im hex Format) cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.24 1 2 TCP/IP IP Einführung 3 4 5 Funktion und Limiten: IP kann ein Internet Paket von einem Quellknoten über mehrere Zwischennetze zu einem Zielknoten in einem anderen Teilnetz transportieren. Verbindungsloser Dienst (connectionless packet service). Unreliable Datagram Service: Auf dieser Ebene werden weder Richtigkeit, noch richtige Sequenz, noch Vollständigkeit, noch Eindeutigkeit der Folge garantiert. Abgrenzung zu TCP: Wenn die Applikation einen zuverlässigen, verbindungsorientierten Dienst benötigt, so muss dieser durch den darüberliegenden Layer erbracht werden TCP. Den Applikationsdaten wird vorgängig ein TCP Header vorangestellt TCP Segment. Dem TCP Segment wird ein Datagram (IP) Headers vorangestellt IP Datagram. Dem IP Datagram werden Frame Header und Frame Trailer beigefügt Übertragung zwischen physikalischen Netzen. 6 7 8 9 cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.25 1 2 TCP/IP IP Fragmentierung 3 4 Datagram Länge: 5 Fragmentierung (Fragmentation): Wenn ein Datagram auf dem Weg zum Zielknoten ein Teilnetz mit kleinerer maximaler Rahmenlänge passiert, muss das Datagram in mehrere kleinere zerlegt werden Fragmentierung. Rahmenlängen gängiger Netze: 6 7 8 9 Abgestimmt auf die maximale Rahmenlänge des für eine Übertragung benutzten physikalischen Netzes. Ethernet: 1500 Bytes FDDI: 4500 Bytes IP: 65'536 Bytes (64 kBytes) IPv4 Vorschrift: Datagrams der Länge von 576 Bytes können ohne Fragmentierung übertragen werden. Umkehroperation von Fragmentierung (Reassembly): Von der Fragmentierung sollen weder Quell- noch Zielknoten etwas merken. Umkehrvorgang (Reassembly) muss spätestens vor der Übergabe des IP Paketes an die Transportschicht der Zielstation erfolgen. cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.26 1 2 3 TCP/IP Routing im Internet Station ermittelt zuerst die netid. Mehrere Fälle: Direct Routing: Die Zielstation hat die gleiche netid wie die Sendestation, d.h., sie ist im gleichen Teilnetz und somit durch die hostid identifiziert. Die Hardware Adresse wird ermittelt und das Datagram gesendet. Source Routing (oder Host Specific Routing): Der Absender gibt den Pfad zur Zielstation explizit vor. Indirect Routing (Normalfall): Routing mittels Routing Tabellen in den Gateways. Die Tabelle weist der Zieladresse den nächsten Gateway zu, an den das Datagram zu senden ist. Default Routing: Wenn für das Zielnetz kein Eintrag in der Routing Tabelle ist, wird das Datagram an den Default Gateway geschickt. Fehlermeldung wenn kein Routing möglich 4 5 6 7 8 9 Hauptschwierigkeit beim Routing: Routing Tabellen beschaffen, aktualisieren und jederzeit konsistent halten. cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.27 1 2 TCP/IP Network Address Translation (NAT) 3 4 5 Problem: Wachstum: Ende der achtziger Jahre rasantes Wachstum, mit Erfindung des World Wide Web (www) Anfang der neunziger Jahre noch verstärkt Quantitative Probleme: Die Grosse Zahl der Teilnetze beeinträchtigt die Effizienz (muss durch massiven Einsatz von leistungsfähiger Technik kompensiert werden) und lässt Adressraum knapp werden. Gegenmassnahmen: IPv6: Deutliche Vergrösserung des Adressraumes von 4 Bytes = 32 Bits ( 4 ·10 9 Adressen) auf 16 Bytes = 128 Bits ( 1077 Adressen) IPv4: Verbesserung dieser Situation durch Network Address Translation (NAT). Jedoch geht die Internet Assigned Numbers Authority (IANA) heute davon aus, dass der Vorrate an IPv4-Adressen nur noch bis etwa Anfang März 2011 reichen wird. IPv6 sollte also lieber früher als später eingeführt werden (cf. http://www.heise.de/newsticker/meldung/Schneller-Schwund-bei-freien-IPv4-Adressen-1146174.html). 6 Network Address Translation (NAT): Ein Verfahren in IPv4 Netzen, um eine IP Adresse in einem Datenpaket durch eine andere zu ersetzen. Häufig wird dies benutzt, um private IP Adressen auf öffentliche IP Adressen abzubilden. Damit man trotzdem mit dem Internet kommunizieren kann, müssen die internen, privaten Adressen am Gateway zum Internet (oder zu einem anderen öffentlichen Netz) in öffentliche Adressen übersetzt werden. NAT arbeitet auf der dritten OSI Schicht, der Vermittlungsschicht (Network Layer). Üblicherweise wird NAT an einem Übergang zwischen zwei Netzen durchgeführt. Ein solches NAT Gerät kann ein Router, eine Firewall oder ein anderes spezialisiertes Gerät sein. So kann zum Beispiel ein NAT Gerät mit zwei Netzwerkkarten das lokale Netz mit dem Internet verbinden. 7 8 9 cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.28 1 2 TCP/IP IPv4 Probleme und IPv6 Lösungen 3 4 5 6 7 Probleme des Internet Protocol Version 4 – IPv4 (heutige Implementation): Wachstum: Explosionsartiges Wachstum verlangt grosse Änderungen für gesicherten Betrieb. Adressraum: Adresslänge 4 Bytes = 32 Bits ( 4 ·109 Adressen) zwischen 2005 und 2009 erschöpft; schon heute gibt es Engpässe bei Class B Adressen (nur 16'000) Engpass durch Network Address Translation (NAT) hinausgezögert auf 2012. Routing: Schlechte Routing Effizienz. Sicherheit: Netzsicherheit problematisch (Authentifizierung und Vertraulichkeit). Lösungen des Internet Protocol Version 6 – IPv6 (nächste Implementation): Koexistenz: Längere Koexistenz von IPv4 und IPv6 möglich. Adressraum: Erweiterter Adressierungsraum Adresslänge 16 Bytes = 128 Bits ( 1077 Adressen) Routing: Erweiterte Routing Fähigkeiten, verbesserte Verkehrslenkung durch besonderes Source Routing. Sicherheit: Sicherere Authentifizierung (IPsec) via von jeder Implementation unterstützten Extension Header. Header Format: Gegenüber IPv4 vereinfachtes Header Format (Wegfall von Feldern) Doppelte Header Länge bei vierfachem Adressraum. Optionen in Extension Headers. Quality of Service: Pakete können für eine besondere Bearbeitung markiert werden (wie möglichst verzögerungsfreier Transport). Verzicht auf Header Checksum: Wegen kleinen Fehlerraten in heutigen Netzen kann auf den Schutz in Layer 3 verzichtet werden; der Schutz auf den Layers 2 und 4 reicht aus. Funktionserweiterungen wie Multicast Fähigkeit. 8 9 cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.29 1 2 TCP/IP Transmission Control Protocol (TCP) 3 4 7 TCP realisiert als Layer 4 Protokoll einen zuverlässigen verbindungsorientierten Dienst aufbauend auf einem nicht zuverlässigen verbindungslosen Dienst des Layers 3 (IP). Vollduplex Dienst mit Aufbau und Abbau einer Verbindung (verbindungsorientierte Eigenschaft). Sicherheit wird durch Acknowledgements und Wiederholungen fehlerhafter Datenblöcke erreicht. Sliding Window Mechanism mit variablen Fenstergrössen für die Flusskontrolle. Segments: 5 6 Verbindungsorientierter zuverlässiger Dienst des Layers 4: Aufteilung in Segments; im allgemeinen wird ein Segment in einem IP Datagram übertragen. Ports: Ausgangspunkt und Endpunkt sind durch Ports definiert. Anwendungen beanspruchen Dienste über einen Port. Allgemein verfügbare Dienste mit Well-Known Port Nummern wie TELNET (Port 23) sowie spezifische Dienste mit dynamisch vergebenen Port Nummern. 8 9 cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.30 1 2 TCP/IP User Datagram Protocol (UDP) 3 4 5 6 7 8 9 Verbindungsloser nicht zuverlässiger Dienst des Layers 4: UDP realisiert als Layer 4 Protokoll einen nicht zuverlässigen verbindungslosen Dienst aufbauend auf einem nicht zuverlässigen verbindungslosen Dienst des Layers 3 (IP). UDP gibt im Wesentlichen die Funktionalität von IP weiter, erlaubt aber zwischen zwei Rechnern mehrere unabhängige Kommunikationsbeziehungen. Datagram: TCP verwendet Segments UDP verwendet Datagrams Ports: Wie bei TCP beanspruchen Anwendungen Dienste über einen Port (hier UDP Port). Wie bei TCP gibt es Well-Known Port Nummern und dynamisch vergebene Port Nummern. Anwendungen: Wegen der kleineren Funktionalität von UDP gegenüber TCP ist auch der Protocol Overhead von UDP kleiner. Deshalb wird UDP meistens bei Network File System (NFS) Implementationen und kurzen Transaktionen (z.B. Anfragen beim Name Server) verwendet. UDP hat Vorrang gegenüber TCP, deshalb verwenden zeitkritische Dienste mit Vorteil UDP. cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.31 1 2 TCP/IP Internet Application Services 3 4 5 6 7 8 9 TELNET: Funktion: Interactive Terminal Login Anwendung: Benutzer oder Programm kann eine TCP Verbindung zu einem entfernten Login Server herstellen File Transfer Protocol (FTP): Funktion: File Transfer Protokoll der TCP/IP Familie. Anwendung: FTP kann von Programmen benutzt werden, Legitimierung durch User ID und Password Trivial File Transfer Protocol (TFTP): FTP vs. TFTP: FTP ist komplex, verlangt mehrere parallele TCP Verbindungen; für kleinere Systeme ist deshalb TFTP geeignet. Eigenschaften: Keine Authentifizierung, basiert auf UDP, muss deshalb Zuverlässigkeit selber gewährleisten. Simple Mail Transfer Protocol (SMTP): SMTP vs. RFC 822: SMTP beschreibt wie Client und Server Mitteilungen austauschen, RFC 822 legt das Format fest. TCP basierend: TCP zwischen Transfer Client und Mail Server. Simple Network Management Protocol (SNMP): Layer: Management Funktionen sind auf der Anwendungsebene angesiedelt. Vorteile: Nicht teilnetzspezifisch, müssen keine direkte physikalische Verbindung haben. Nachteile: Netz muss als ganzes funktionsfähig sein. Für Fehler Management braucht es deshalb zusätzliche teilnetzspezifische Tools. cell wave mobile communications innovative consulting 3. Communication related fundamentals 3.5 Communication protocols 0 3.5.32 1 2 TCP/IP Perspektiven 3 4 5 6 7 8 Wachstum: Quantitative Probleme: Die Grosse Zahl der Teilnetze beeinträchtigt die Effizienz (muss durch massiven Einsatz von leistungsfähiger Technik kompensiert werden) und lässt Adressraum knapp werden. IPv6 löst diese Probleme, fand deshalb zunehmende Unterstützung in Betriebssystemen der Endgeräte und bei Netzausrüstern (Cisco). Die Internetfähigkeit von Mobilgeräten schien die Einführung von IPv6 zwingend zu machen. IPv4 hat dieses Problame aber in der Zwischenzeit mittels Network Address Translation (NAT) teilweise gelöst; die Internet Assigned Numbers Authority (IANA) geht heute trotzdem aus, dass der Vorrate an IPv4 Adressen nur noch bis etwa Anfang März 2011 reichen wird. IPv6 sollte also lieber früher als später eingeführt werden. Qualitative Probleme: IPv4 bietet simplen und robusten Best Effort verbindungslosen Dienst an wichtig für den Erfolg in der Vergangenheit, aber für isochrone Dienste (Multimedia und Voice over IP) und insbesondere auch für zeitkritische Firmenanwendungen ungeeignet. IPv6 verspricht auch hier bessere Lösungen. IPv4 hat aber diese Problematik entschärft mit integrierten Diensten (Ressourcenreservation via RSVP entlang des gesamten Pfades, komplex kaum implementiert), differenzierten Diensten (Klassifizierung von 2 resp. 12 Dienstgüten) sowie Multiprotocol Label Switching – MPLS (mittels eines Labels wird das Paket von den Routern schneller auf die korrekte Ausgangsleitung weitergeleitet, wodurch eine ATM Ähnlichkeit erreicht wird). Fazit: 9 Ende der achtziger Jahre rasantes Wachstum, mit Erfindung des World Wide Web (www) Anfang der neunziger Jahre noch verstärkt qualitative und quantitative Schwächen. Internet so wichtig, dass auf seinem ursprünglich verbindungslosen Ansatz an verbindungsorientierten Eigenschaften weitergebaut wird und so eine Ähnlichkeit zu ATM (MPLS, MPLS + PW, T-MPLS), jedoch nach wie vor nur CoS und keine garantierte QoS wie ATM (dafür aber auch kein "Besetztzeichen") erreicht wird. cell wave mobile communications innovative consulting
