Grundzüge der Datenkommunikation

Praxis der Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
P. Holleczek
RRZE
19.10.16
[email protected]
19.10.16
Datenkommunikation
1
Gliederung






19.10.16
1. Modellbildung
2. Standards
3. die unteren Ebenen
4. LANs und WANs
5. der Markt der Netze
6. Netz-Beispiele
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
2
1. Modellbildung




19.10.16
Netz und Nutzer
Protokoll und Dienst
Schichten und PDUs
Dienstqualität
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
3
Netz & Nutzer
Nutzer
Nutzer
Adresse: A
Adresse: B
Subnetze
Netz
Nutzer
Adresse: C
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
4
Netz & Nutzer
Nutzer
Nutzer
Adresse: A
Adresse: B
Subnetze
Netz
Nutzer
Adresse: C
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
5
Protokolle & Dienste
Rechner 1
19.10.16
Datenkommunikation
Rechner 2
abstrakt
File
konkret
Bits
abstrakt
File
konkret
Bits
Modelle, Begriffe, Mechanismen
6
Protokolle & Dienste
Beispiel aus dem Bereich der kommerziellen Welt: Lieferung eines Werks
Fa 1
(Auftraggeber)
<= Protokoll =>
<= Golfplatzgespräch =>
(Lieferung Werk!)
Chef
^
|
Dienst
|
v
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Fa 2
(Auftragnehmer)
|
Auftrag
|
Unteraufträge
|
Untergebene
<= Bestellungen =>
(Maschinen/Steuerungen)
Datenkommunikation
Chef
|
Lieferung
|
Teillieferungen
|
Untergebene
Modelle, Begriffe, Mechanismen
abstrakt
konkret
7
Schichten-Modell
Rechner 1
Rechner 2
Dienst-
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8
Protokoll-Daten-Einheiten
Rechner 1
Protokoll-Daten-Einheiten (pdu)
2
Rechner 2
2
Schichtenprotokoll
Schicht
1
Header
Schicht
1
Payload
Trailer
Header = Dest
19.10.16
Datenkommunikation
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9
Schichten
& Protokoll-Daten-Einheiten
Trivialbeispiel
oder
19.10.16
Schiff mit Containern mit Paletten
Lieferwagen mit Paketen mit Inhalt
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
10
Beispiel für einfaches Protokoll
Ablauf:
Rechner 1
Rechner
2
File xyz Senden
Zeit
Ok
Block 1
Block n
File Ok?
Ok
Ok
Ok
19.10.16
Datenkommunikation
Regel:
„Empfänger muß
jeden Block quittieren“
Modelle, Begriffe, Mechanismen
11
Beispiel für einfache Dienste
Abstraktionsniveau


File Senden
File Empfangen
abstrakt
 File Öffnen
 File Schließen
 Pakete Senden
 Pakete Empfangen
 Prüfsumme berechnen
 Prüfsumme kontrollieren
 Zeichen senden & empfangen
konkret
Dekomposition
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Datenkommunikation
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12
Dienstqualität
 Werte-Maßstab
 Absolut: zahlenmäßige Metrik (QoS: Quality of Service)
 Relativ: „platinum“ > „gold“ > … (CoS: Class of Service)
 Traditionelle Qualität: höherer Durchsatz
 Ziel: je schneller, desto besser (z.B. Streaming, Web-Klick)
 Möglichst hohe Werte für übertragene Bits ... Bytes / Zeit
 Abhängig von Partnern, Anwendung und Netz
 Meßwerte abhängig von Schicht (wg Header/Trailer-Overhead)
 Fortgeschrittene Qualität: echteres Zeitverhalten
 Ziel: Zeitverhalten nicht stören (z.B. interaktives Video/Audio)
 a) Verzögerung des Informationsflusses (Delay)
 möglichst gering
 b) Streuung der Verzögerung / Gleichmäßigkeit (Jitter)
 möglichst gering
 ideal: geringer Delay und geringer Jitter
19.10.16
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13
2. Standards
 Referenz-Modell
 Bedeutung
19.10.16
Datenkommunikation
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14
ISO-OSI Sieben Schichten-Modell
Open Systems Interconnection (ISO, 1979)
Reference Model
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
15
Bedeutung der Schichten
 Ebene
Gegenstand








Einheit (pdu)
7
Anwendung
6
5
4
Darstellung
Sitzung
Transport
E-Mail
Directory
Filetransfer
Terminal
Transaktionen
Code-Transformation
Sicherungspunkte
Ende-zu-Ende Verbindung
 3
Netzwerk
globales Netz
Pa[c]ket
 2
 1
Verbindung
Physisch
Übertragungsabschnitt
Übertragung
Frame
Bit
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Datenkommunikation
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3. Merkmale der unteren Ebenen




19.10.16
Duplex-Modus
Flußsteuerung
Adressen
Verbindungsart
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
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Duplex-Modus
zwischen Partnern 1 und 2
 [Simplex
 Nur einer kann senden
 1
2 ]
 Halb-Duplex (hdx)
 Partner können nur abwechselnd senden
 1
2
 1
2
 Voll-Duplex (fdx)
 Partner können gleichzeitig senden
 1
 1
19.10.16
Datenkommunikation
2
2
Modelle, Begriffe, Mechanismen
18
Flußkontrolle
zwischen Partnern 1 und 2
 Problemstellung
 Partner bzw. Netz unterschiedlich leistungsfähig
1
2
1
Netz
2
 Partner/Netz kann sich schützen, durch
 explizite Signalisierung (durch Schnittstellensignal), z.B.
 Drucker gegen PC (z.B. durch ASCII-Zeichen „X-Off“)
 Netz gegen Nutzer (z.B. durch „Traffic Policing“)
 Quittungs-Verhalten (Fenster-Mechanismus)
19.10.16
Datenkommunikation
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19
Fenster-Mechanismus
Ablauf:
Rechner 1
seq nr (mod n)
0
Rechner 2
seq nr (mod n)
0
1
ws
1
1
2
3
2
2
4
3
4
5
6
5
7
8
9
10
11
12
13
6
7
8
9
10
11
12
13
19.10.16
Datenkommunikation
8
n / WS : Fenstergröße/
Window Size
Zeit
Regel:
„Empfänger muss nach
spätestens n Blöcken
quittieren“
Modelle, Begriffe, Mechanismen
20
Fenster-Mechanismus
Zählweise: mod (8)
Beispiel Fenstermechanism
Zähler
1 <- 2
1 -> 2
Fenstergröße: WS=
1 <- 2
1 -> 2
7
0
1
2
6
1
5
2
4
6
7
0
1
3
4
5
3
Regel:
Zähler: unabhängig,
dürfen sich nicht überholen,
Abstand = WS
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
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Fenster-Größe
 Fenstergröße (Window Size)
 Bedeutung
 Maximalzahl ausstehender Quittungen
 Wert
 wird zwischen Partnern ausgehandelt
 fest
(z.B. 8 bzw. 128, bei HDLC vereinbart im Verbindungsaufbau)
 dynamisch
(z.B. bei TCP, „sliding window“ / „slow start“)
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
22
Adressen
 offensichtlich nötig bei mehr als zwei Partnern ...
___Ebene_____
Nr Bezeichnung pdu-Typ Gültigkeit der Adresse
Beispiel
3 Netzwerk
Packet
2 Verbindung Frame
IP-Adresse
MAC-Adresse
19.10.16
i.d.R. weltweit
i.d.R. lokal
Datenkommunikation
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Verbindungsart
 verbindungslos
 Datenpakete (mit Adreßinformation) bewegen sich selbständig
im Netz als Datagramme.
 Die Wegewahl aufgrund der Adreßinformation ist eine
temporäre örtliche („Routing“-)Entscheidung.
 Trivial-Beispiel: Individual-Verkehr mit Wegweisern bzw.
Verkehrsinformationen
 Netz-Beispiel: IP, UDP
 verbindungsorientiert
 Datenpakete werden über vorab definierte Wege (virtuelle
Kanäle: VCs) geführt.
 VCs können für einen Vorgang (switched: SVCs) oder
auf Dauer (permanent: PVCs) geschaltet werden.
 Trivial-Beispiel: Öffentlicher Schienenverkehr mit Fahrplan
 Netz-Beispiel: ATM, HDLC, X.25, TCP
 „Art“ kann auf verschiedenen Ebenen unterschiedlich sein
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
24
Datagramme und Adressen
von C nach A bzw. B
mit Datagrammen
Header=Src/Dest
C=>B
C=>A
Nutzer
Nutzer
Adresse: A
Adresse: B
Netz
Subnetze
?
? = temporäre lokale
(Routing-) Entscheidung
Beispiel: Individualverkehr
mit Staumeldung
19.10.16
Datenkommunikation
C=>A
C=>B
Nutzer
Adresse: C
Modelle, Begriffe, Mechanismen
25
Datagramme und Adressen
von C nach A bzw. B
mit Datagrammen
Header=Src/Dest
C=>B
C=>A
Nutzer
Adresse: A
Nutzer
Adresse: B
?
?Stau
Netz
Subnetze
?
? = temporäre lokale
(Routing-) Entscheidung
Beispiel: Individualverkehr
mit Staumeldung
19.10.16
Datenkommunikation
C=>A
C=>B
Nutzer
Adresse: C
Modelle, Begriffe, Mechanismen
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Virtuelle Kanäle
von C nach A bzw. B
via VC 1 bzw. 2
Header=VC
2
1
Nutzer
Nutzer
Adresse: A
Adresse: B
VC = 1: A  C
VC = 2: B  C
Netz
Subnetze
?
? = (Routing-) Entscheidung
nach VC-Vereinbarung
Beispiel: VC = Linie
im Schienenverkehr
19.10.16
1
2
Nutzer
Adresse: C
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
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zur Begriffswahl
synonym
 Nutzer – Rechner – Partner – Endgerät
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
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4. LANs und WANs
 LAN = Local Area Network
 WAN = Wide Area Network
 unterschiedliche Herkunft / Protagonisten
 WAN: Telefongesellschaften
 LAN: Computerhersteller
 Definition?
 Merkmale
 Unterschiede verschwimmen …
 Heute: jeder will nutzen/verdienen, aber investieren?
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
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LANs
 Zweck
Teilung von Betriebsmitteln zwischen mehreren Rechnern
 Historische Definition
"Unter Lokalen Netzen werden spezielle Kommunikationsnetze
verstanden, welche durch eine eng begrenzte räumliche
Ausdehnung, ein gemeinsames breitbandiges
Übertragungsnetz sowie eine dezentrale Steuerung
gekennzeichnet sind."
(Ghir, Telematik-Kongress, Stuttgart, 80er Jahre)
 Heutige Position
 Klassische Stoßrichtung
 Deregulierung mittels Bandbreiten-Überangebot (OverProvisioning) - im Vergleich zu früheren WANs
 Aktuelle Problematik
 Abbildung von Gruppenwünschen auf eine Infrastruktur
 Gewährleisten der Sicherheitsanforderungen
 Mühevolle (Wiedereinführung der) Regulierung
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
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Technische Merkmale
WAN
Bitfehlerrate
Ausdehnung
Bandbreite (bps)
Multicast *)
Broadcast **)
Ende '80
Ende '90
-6
-11
Access
Anf '10
typ 10
typ 10
unbegrenzt
typ 64k
155M - 2,4G 40 - 100G
nein
nein
ja (ATM)
LAN
Anf '10
Ende '80
Ende'90
Anf '10
typ 10G
typ 10
typ 200m
10M
100M - 1G 1 - 10G
-12
ja
ja
*) Multicast
Botschaft an Gruppe
Rechner muß auf MC-Adresse hören
*) Broadcast
Botschaft an "alle"
19.10.16
Datenkommunikation
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31
5. Markt der Netze & Protokolle
 Historische Protokollfamilien
 Tendenz Protokollfamilien
 TCP/IP im Schichtenmodell
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
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Historische (proprietäre) Protokollfamilien
 Bezeichnung
Herkunft
Bemerkung

SNA
IBM
Mainframe / proprietär ...

DECNet
digital
proprietär / ISO / TCP-IP

Apple-Talk
Apple
proprietär / Drucker-Betrieb

SPX/IPX
Novell
LAN-orientiert

TCP/IP
US-DoD
mit UNIX groß geworden
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
33
Tendenz der neutralen Protokollfamilien
7
(ISO-)Ebene
US DoD
ISO/CCITT/ITU
E-Mail
Directory
Filetransfer
Terminal
Transaktion
SMTP
X.400
X.500
FTAM
VT
TP (Transact Prot)
FTP
Telnet
Novell
"gestern"
heute
SMTP
X.500/LDAP
FTP
Telnet
SMTP
LDAP
FTP
Telnet
IRC
SNMP
News
File-Service
NFS (Sun)
WWW (CERN)
6
5
4
(Darstellung)
(Sitzung)
Transport
3
globales Netz
2
Übertragungsabschnitt
1
Übertragung
…
TCP/UDP
…
TP (Transport Prot)
IP
X.25
WAN
LAN
IP
X.25 (CONS, CNLS)
HDLC
HDLC
WAN
MAC
MAC
LAN
SDH/PDH
WAN Telephon
"Thick"/"Thin"
LAN
SPX
Datenkommunikation
SNMP
WWW
TCP/UDP
TCP/UDP
IPv4
IPv4/6
IPv6
Ether
Ether
FO/WDM
TP/FO/WDM
FO / WDM
TP/FO/WDM
IPX
ATM
Ether
FO
TP/FO
IRC
NFS
TCP
UDP
IP
Ether
ATM
FO
TP
WDM
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künftig
Internet Relay Chat
Network File System
Transmission Control Protocol
User Datagram Protocol
Internet Protocol
Ethernet
Asynchronous Transfer Mode
Fibre Optics
Twisted Pair
Wave Division Multiplexing
Modelle, Begriffe, Mechanismen
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TCP/IP-Protokollbaum im Schichtenmodell
verbindungsorientiert
19.10.16
verbindungslos
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
35
6. Beispiele
 WANs
 (LANs: s. Beitrag über Netz der FAU)
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
36
G-WiN, späte 90er Jahre (Provider: T)
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
37
X-WiN (Provider: Gasprom, KPN Eurorings)
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
38
G-WiN
internationale Anbindung
historisch (September 2001)
Test
1 x 622 MBit/s
NY
WTC
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
39
DANTE
TEN-155
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
40
DANTE
GEANT
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Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
41
DANTE
GEANT 2
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
42
USA
vBNS
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Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
43
USA
Abilene
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
44
USA
Abilene Durchsatzmessungen 2003
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
45
G-WiN
Laufzeitmessungen 2003
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
46
X-WiN
Laufzeitmessungen 2008
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
47
XWiN
Laufzeitmessungen 2014
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
48
GÉANT 2
Laufzeitmessungen 2008
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
49
GÉANT3
Laufzeitmessungen 2013
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
50
LHC OPN
Laufzeitmessungen 2013
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
51
Weltkarte
Laufzeitmessungen 2013
19.10.16
Datenkommunikation
Modelle, Begriffe, Mechanismen
52