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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 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 2.1 Komponenten eines Rechnernetzes • Hostrechner (Server) mit Diensten wie Mail, Verzeichnisse, … • Terminals (Clients): 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, d.h. Versenden der Pakete an alle Anschlüsse Switches und Bridges: Koppeln Teilnetze, leiten Pakete an nur eine Leitung Router: Weiterleitung ankommender Pakete Gateways: Verbindung von Stationen/Netzen, 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, … Beispiele: 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 Netze mit intelligenten Übertragungseinstellungen und Lastverteilungen für stabile Datenübertragungen ⇒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: Merkmal, das unser Alltagsleben in den letzten Jahrzehnten nachhaltig veränderte und noch verändern wird • Mobilität in Informationssystemen 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 Festanschluss 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 Geräten ohne Access Points • Alle Geräte in der Reichweite des Signals werden angesprochen und können ggf. eine Verbindung aufbauen • Die Gruppe ist für die Koordination der Aktivitäten verantwortlich 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 Noch (niedrige) Kapazität, dieser Nachteil verschwindet aber 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 Sender Wiederholung aus EIM ⇒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 Empfänger Send() Receive() Virtuelle Leitung O. Kao Webbasierte Informationssysteme 2-15 Austausch von Daten zwischen Netzteilnehmern: Paketvermittlung • Paketvermittlung, z.B. Internet 1 12345 1 5 4 Sender Wiederholung aus EIM 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 5 4 Empfänger 2 3 2 3 O. Kao Webbasierte Informationssysteme 2-16 Austausch von Daten zwischen Netzteilnehmern: Verbindung Wiederholung aus EIM • Verbindung = Beziehung zwischen zwei kommunizierenden Stationen über einen bestimmten Zeitraum • Unterteilung der Netzwerkkommunikation in Verbindungsorientierte Kommunikation ⇒ Aufstellung einer wohldefinierten Verbindung zwischen Stationen notwendig Verbindungslose Kommunikation ⇒ Kommunizierende Stationen treten ohne direkten Kontakt, Datenübertragung von Knoten zu Knoten • 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 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 2-18 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 2-19 Übertragungsprotokolle (2) • • • Wie wird sichergestellt, dass wirklich jeder Netzwerkteilnehmer mit jedem anderen Teilnehmer kommunizieren kann? 1. Festlegung der übergreifenden Protokolle durch Konsens nach einer offenen Diskussion, an der sich jeder beteiligen kann 2. Jeder Hersteller, der sein Rechner/Betriebssystem/Programm netzwerkfähig machen will, muss vereinbarte Protokolle unterstützen Fortsetzung der Vorgehensweise in verschiedenen „Gremien“ wie IETF (Internet Engineering Task Force) 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. Veröffentlichung von Ideen bzgl. Architekturen, Protokollen, … in sog. Request for Comments (RFC) O. Kao Webbasierte Informationssysteme 2-20 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 2-21 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 2-22 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 2-23 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 2-24 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 2-25 Bitübertragungsschicht (Schicht 1) • Aufgaben der Bitübertragungsschicht Empfang der Bitblöcke von der Sicherungsschicht Ausstattung mit Rahmenbegrenzung Weiterleitung über den Übertragungskanal • Empfänger extrahiert 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 2-26 Sicherungsschicht (Schicht 2): Grundaufgaben • Behandlung von Übertragungsfehlern durch 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 2-27 Sicherungsschicht: Protokolle • Zugang zu Übertragungsmedien Modem: PPP (point to point protocol) und SLIP (serial line IP protocol) realisieren über Modem die Wählfunktion im Fernmeldenetz ISDN: CAPI (common ISDN application programming interface) LAN: LLC (Logical Link Control) setzt auf alle technik-orientierte LAN Protokolle (802.X) auf und abstrahiert die Unterschiede TCP IP CAPI ISDN PPP SLIP Modem LLC LAN Transportebene Vermittlungsebene Sicherungsebene Bitübertragungsebene • Beispiel: Ethernet Frame Format Preamble SF (1) DA (6) (7 Bytes) Start Zieladresse Sync. Frame (MAC) SA (6) Type (2) Ursprungs Protokoll adresse (MAC) z.B. IP O. Kao Nutzdaten (1 – 1500 Bytes) z.B. IP-Datagramm Webbasierte Informationssysteme Sum (4) Prufsumme 2-28 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 2-29 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 2-30 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 2-31 Vermittlungsschicht (Schicht 3) • Datenübertragung unabhängig von Technologien in Teilnetzen • Abstraktion der Netztopologie und einheitliche Adressierung • 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 2-32 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 Ende 2005 geplant O. Kao Webbasierte Informationssysteme 2-33 IP Datagramme • Grundeinheit für Informationsaustausch zwischen zwei Hosts • Ein IP Datagramm besteht aus Header und Nutzdaten • IP Datagramme sind durch Sequenznummer (Fragment Offset) identifiziert • Identifikationsfeld hilft bei Zusammensetzung der Fragmente 32 Bit 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 Teilnetze und Masken • Alle Hosts in einem Netz müssen die gleiche Netznummer haben ⇒ Effizienzprobleme bei Adressierung (Routertabellen zu groß) • Lösung: Aufteilung in Teilnetze, z.B. Aufspaltung der 16 Host Bits (Klasse B) in 6 Bits für Teilnetzidentifizierung und 10 Bits für Hosts • Außerhalb sind die Netze nicht erkennbar, d.h. nicht „offiziell bekannt“ O. Kao Webbasierte Informationssysteme 2-36 Zuordnung ankommender Pakete • Woher weiß der Router, an welches Teilnetz das Paket gesendet werden muss? 1. Große Tabelle mit allen Hosts ⇒ zu aufwendig 2. Weiterleitung an Subrouter/Switch/Hub zuständig für das Teilnetz 3. Jeder Subrouter durch eine einzige IP Adresse repräsentiert • Realisierung der Weiterleitung: Abbildung aller IP-Adressen auf eine einzige Teilnetzadresse durch Masken Maske: 32 Bits, die mit der IP Adresse UND verknüpft werden (11111111 11111111 11111111 0000000 = 255.255.255.0 oder /24) Durch Verknüpfung mit 0 werden die Hostsadressen ausgeblendet Falls die Zieladresse nicht in der Routertabelle vorkommt, so wird das Paket an einen übergeordneten Router mit ausführlicheren Tabellen (Standardrouter) geleitet • Beispiel: siehe Tafel O. Kao Webbasierte Informationssysteme 2-37 Abbildung von IP Adresse auf netzinterne MAC Adressen • Netzspezifisch: klassische LANs ⇒ Address Resolution Protocol (ARP) • Rahmen wird zum entsprechenden Teilnetz übertragen (zu erkennen z.B. an den ersten drei Einträgen 128.3.100.XXX) • IP Adresse wird an alle Teilnehmer im Netzwerk gesendet (Nutzung spezieller in Grafik dargestellter IP Adressen) • Station erkennt eigene IP Adresse und teilt ihre MAC Adresse mit • Zuordnung wird üblicherweise im Vermittlungselement gespeichert O. Kao Webbasierte Informationssysteme 2-38 DNS - Domain Name Service Wiederholung aus EIM • Auflösung von Hostnamen und Umwandlung in 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 • Aufbau von Domain-Namen URLs, … Siehe EIM O. Kao Webbasierte Informationssysteme 2-39 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 2-40 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 2-41 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 2-42 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 2-43