Leseprobe Erich Stein Taschenbuch Rechnernetze und Internet ISBN

Leseprobe
Erich Stein
Taschenbuch Rechnernetze und Internet
ISBN: 978-3-446-40976-7
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© Carl Hanser Verlag, München
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Basiskonzepte: Strukturen
1.1
Rechnernetze
Rechnernetze (auch als Rechnernetzwerke, computer networks, bezeichnet) sind Netzwerke, deren Endsysteme Rechner (computer) sind. Zwischen den Endsystemen werden digitale Daten übertragen. Im Allgemeinen
können beliebige Endsysteme untereinander kommunizieren.
Hinweis: Zwischensysteme werden kollektiv auch als Netzwerkelemente (NE,
Network Element bzw. Network Device, wenn die technische Realisierung im
Vordergrund steht) bezeichnet. Die wichtigsten NEs sind Router und Switches,
im Kapitel 10 werden einige weitere erklärt.
Telekommunikationsnetze dienen im Gegensatz dazu primär der Kommunikation zwischen Personen, die analoge Signale austauschen, wenn auch die
Übertragung in digitaler Form geschieht.
Bild 1.1 zeigt die grundsätzliche Anordnung, die von sämtlichen Details
abstrahiert. Das Netz wird – wie üblich – durch eine Wolke symbolisiert. An
ihm sind die Endsysteme (Endknoten) A, B, X, Y angeschlossen.
Ein Endsystem (im Zusammenhang mit der technischen Realisierung auch
als Endgerät bezeichnet) stellt dem Anwender (Benutzer, User) die Dienste
des Netzes zur Verfügung. Der (abstrakte) Anwender besteht aus einem
Softwareprozess, der von einem (menschlichen) Anwender interaktiv genutzt
werden kann (→ Bild 5.1 und 5.10).
A
B
Netz
X
Y
Bild 1.1
Netz mit Endsystemen A, B, . . .
Bei genauerer Betrachtung (→ Bild 1.2) enthält das Netz interne Systeme Zi
(i = 1, 2, . . . ), die sich entweder am Rand oder im Innern des Netzes befinden.
Diese können allgemein als Zwischensysteme bezeichnet werden. Die Art der
Zwischensysteme kann je nach Netz sehr unterschiedlich sein.
End- und Zwischensysteme werden als Knoten (nodes) bezeichnet. Benachbarte Knoten werden durch Teilstrecken (links) direkt miteinander
verbunden.
1.1 Rechnernetze
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Die Kommunikation zwischen den Endsystemen (z. B. A und Y) kann aus
verschiedenen Sichten betrachtet werden. Bei der Ende-zu-Ende-Sicht abstrahieren die Endsysteme vom Netz, sie haben beide die Illusion, dass sie
direkt miteinander kommunizieren. Bei der Netzschnittstellen-Sicht geht jedes
Endsystem davon aus, dass es mit dem Netz kommuniziert. Was innerhalb des
Netzes oder an seinem entfernten Ende geschieht, interessiert hier nicht. Bei
der Teilstrecken-Sicht werden die Vorgänge (Abläufe) auf den Teilstrecken
(sofern diese unterscheidbar sind) getrennt betrachtet.
A
B
Z1
Z4
Z5
Z2
Z6
X
Z3
Y
Teilstreckensicht
Netzschnittstellensicht
Ende-zu-Ende-Sicht
Bild 1.2 Rechnernetz mit
End- und Zwischensystemen
In allen Sichten werden Nutzdaten (Anwenderdaten) und Steuerinformation
(Anforderungen, Quittungen etc.) über die jeweils betrachteten Abschnitte
(→ Bild 1.2) übertragen. Die Abläufe sind kompliziert, da in der Regel die
folgenden Anforderungen und Probleme bestehen:
große Anzahl von Endsystemen (Beispiel: das globale Internet)
heterogene (verschiedenartige) Endsysteme
Aufbau von Netzen aus (evtl. heterogenen) Teilnetzen bzw. Subnetzen
Information kann bei der Übertragung verfälscht werden
vorübergehende Überlastung bzw. Ausfälle von Teilstrecken oder Zwischensystemen.
Rechnernetze besitzen breite Anwendungsfelder, da elektronische Geräte häufig durch einen oder mehrere Rechner realisiert sind. Der Austausch digitaler
Daten ist zwar die grundlegende Anwendung, jedoch werden zunehmend
digitalisierte Sprach- und Bildsignale ebenfalls über Rechnernetze übertragen.
Anwendungen werden insbesondere in den Kapiteln 5 und 11 behandelt.
Literatur zu Rechnernetzen existiert in vielen Kategorien. Zum Nachschlagen
sind /1.4/ als Wörterbuch und /1.8/, /1.19/ als Lexika geeignet. Lehrbücher sind
/1.3/, /1.5/, /1.6/, /1.7/, /1.10/, /1.14/, /1.16/, /1.18/, /1.21/, /1.22/ und /1.23/. Kurze
Übersichten finden sich in /1.12/, /1.15/.
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1 Basiskonzepte: Strukturen
1.2
Das OSI-Modell und seine Erweiterungen
1.2.1
Schichtenmodelle
Schichtenmodelle und in anderer, aber gleichwertiger Darstellung auch Schalenmodelle (→ Bild 1.3) spielen in der Kommunikationstechnik und allgemein
in der Informatik an verschiedenen Stellen eine wichtige Rolle.
Schichtenmodell
Schalenmodell
Bild 1.3 Schichtenund Schalenmodelle
Ihre Bedeutung verdanken sie den folgenden Überlegungen:
Teile und herrsche: Ein komplexes System wird zerlegt, um es für Synthese und Analyse besser beherrschbar zu machen.
Unabhängigkeit der Schichten: Eine Schicht nutzt nur die Schnittstellenspezifikation zur unmittelbar darunter liegenden Schicht. Das heißt, der
innere Aufbau der Schichten ist belanglos, solange ihr Verhalten an der
Schnittstelle gleich bleibt. Damit kann eine Schicht ausgetauscht oder ihr
innerer Aufbau (Hard- oder Software) verändert werden, ohne dass das
Gesamtsystem beeinflusst wird. Somit können Schichten modular (baukastenartig) kombiniert werden.
Abschirmung tiefer liegender Schichten: Eine Schicht „sieht“ nur das
Verhalten der unmittelbar darunter liegenden Schicht, nicht aber das der
anderen Schichten. Damit wird die wahrgenommene Komplexität des Systems reduziert (Kapselung oder Geheimnisprinzip).
Standardisierung: Die Definition einzelner Schichten erleichtert die Standardisierung. Eine Schicht kann wesentlich schneller und leichter standardisiert werden als ein komplexes Gesamtsystem.
1.2.2
Das OSI-Referenzmodell
Die ISO (International Standardization Organization) hat ab 1977 das
ISO/OSI-Modell der Kommunikation in offenen Systemen entwickelt (OSI
steht für Open Systems Interconnection). Ziel war es, die komplexe Aufgabe
der Kommunikation zwischen verschiedenartigen Endsystemen in weniger
komplexe Teilaufgaben zu zergliedern, die den einzelnen Schichten des Mo-
1.2 Das OSI-Modell und seine Erweiterungen
23
dells zugeordnet sind (→ Bild 1.4). Insgesamt sind 7 Schichten vorhanden.
Die unterste Schicht 1 repräsentiert die physikalische Ebene, also die Übertragungstechnik. Die Schichten 2–6 befassen sich mit zunehmend allgemeineren
Funktionen der Kommunikation. Schicht 7 ist die Anwendungsschicht, die
die Schnittstelle zwischen Kommunikations- und Anwendungssystem bildet.
Die Schichten 1–4 werden zusammen als Transportsystem, die Schichten
5–7 als Anwendungssystem bezeichnet. Dies hat aber nichts mit der eigentlichen Anwendungssoftware (Anwenderprogramm bzw. Anwendungsprozess)
zu tun, die im ISO/OSI-Modell nicht betrachtet wird.
Rechner 1
Anwenderprozess
Rechner 2
Anwenderprozess
Anwendungsschicht
Schicht 7
Darstellungsschicht
Schicht 6
Sitzungsschicht
Transportschicht
Schicht 5
Schicht 4
Netzwerkschicht
Sicherungsschicht
Physische Schicht
Schicht 3
Schicht 2
Schicht 1
Umfang des OSI-Modells
Übertragungsstrecke
Bild 1.4 Das ISO/OSI-Modell der Kommunikation in offenen Systemen
Offene (Kommunikations-)Systeme bestehen aus (Hard- und Software-)Komponenten verschiedener Hersteller und sind bezüglich ihres Teilnehmerkreises
und ihrer Ausdehnung nicht begrenzt. Die Offenheit wird durch einen Satz
von offenen, d. h. frei zugänglichen und nutzbaren Standards für den Informationsaustausch gewährleistet. Offene Teilsysteme können mit anderen offenen
Teilsystemen, die dieselben Standards verwenden, problemlos kommunizieren.
Die sieben Schichten des OSI-Modells (→ Bild 1.4) haben folgende Aufgaben:
Schicht 1, Bitübertragungsschicht (physische Schicht, physical layer):
Hier werden die physikalischen und technischen Eigenschaften der Übertragungsmedien definiert.
Schicht 2, Sicherungsschicht (data link layer): Stellt sicher, dass auf
einer Punkt-zu-Punkt-Übertragungsstrecke trotz gelegentlicher Störungen
ein fehlerfreier Bitstrom übertragen wird.
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1 Basiskonzepte: Strukturen
Schicht 3, Vermittlungsschicht (auch Netzwerkschicht, network layer):
Sie leistet die Adressierung des Zielsystems und die Wegesuche durch
mehrere Transitsysteme (Zwischensysteme) hindurch. Das heißt, sie ermöglicht das Internetworking (Vernetzung von Netzwerken). Die Schichten 1–3 stellen zusammen eine Verbindung zwischen Endsystemen (Endezu-Ende) her.
Schicht 4, Transportschicht (transport layer): stellt sicher, dass Folgen
von Datenpaketen fehlerfrei, vollständig und in der richtigen Reihenfolge
vom Sender zum Empfänger gelangen. Sie bildet Netzwerkadressen auf
logische Namen ab, die für den Anwender aussagekräftig sind.
Schicht 5, Kommunikationssteuerungsschicht (session layer): Auf- und
Abbau von Kommunikationsbeziehungen (auch als Sitzung oder session
bezeichnet) sowie deren Wiederherstellung nach Störungen im Transportsystem.
Schicht 6, Darstellungsschicht (presentation layer): Vereinbarung der verwendeten Datenformate bzw. -codierungen und Umwandlungen zwischen
verschiedenen Darstellungen.
Schicht 7, Anwendungsschicht (application layer): Stellt der Anwendungssoftware Dienste zur Verfügung. Aus Sicht des Anwenders ist dies die
wichtigste Schicht. Sie ist am leichtesten durch Betrachtung der einzelnen
Dienste zu verstehen.
Hinweis: Das OSI-Modell lässt sich durch die folgende Analogie verständlicher
machen: Ein Manager möchte einem Geschäftspartner, der eine andere Sprache
spricht, eine Nachricht zusenden. Der Manager ist mit dem Anwendungsprozess,
der die Kommunikation anstößt, gleichzusetzen. Er spricht die Nachricht auf
ein Diktiergerät. Seine Sekretärin bringt die Nachricht auf Papier und übersetzt
diese in die Fremdsprache. Die Sekretärin wirkt somit als Darstellungsschicht.
Danach gibt sie die Nachricht an den Lehrling, der den Versand der Nachricht
verwaltungstechnisch abwickelt und damit die Sitzungsschicht repräsentiert. Der
Hauspostmitarbeiter (gleich Transportschicht) bringt den Brief auf den Weg. Dazu klärt er mit der Netzwerkschicht (gleich Briefpost), welche Übertragungswege
bestehen, und wählt den geeigneten aus. Der Postmitarbeiter bringt die nötigen
Vermerke auf dem Briefumschlag an und gibt ihn weiter an die Verteilstelle,
die der Sicherungsschicht entspricht. Von dort gelangt der Brief zusammen mit
anderen in ein Transportmittel (LKW, Flugzeug) und nach eventuell mehreren
Zwischenschritten zur Verteilstelle, die für den Empfänger zuständig ist. Auf
der Seite des Empfängers wird dieser Vorgang nun in umgekehrter Reihenfolge
durchlaufen, bis der Geschäftspartner den Brief schließlich in seiner Postmappe
vorfindet. Diese grobe Analogie zeigt allerdings nicht auf, welche Möglichkeiten
der Fehlerüberprüfung und -behebung das OSI-Modell vorsieht, da diese beim
Briefversand nicht bestehen.
In /1.1/ findet sich eine sehr ausführliche Behandlung des OSI-Modells.
1.2 Das OSI-Modell und seine Erweiterungen
1.2.3
25
Protokolle und Dienste, OSI-Terminologie
1
Die Begriffe Protokoll (protocol) und Dienst (service) sind grundlegend.
Protokolle (einer Schicht) sind präzise Festlegungen aller Regeln, Datenformate und Funktionen, die für den Datenaustausch zwischen gleichrangigen Instanzen zweier Systeme gelten. Eine Instanz (entity) ist eine bestimmte Schicht N in einem System (End- oder Zwischensystem).
Die Gesamtheit der Protokolle aller Schichten wird als Protokollstapel
(protocol stack) bezeichnet. Dienste (einer Schicht) sind Funktionen der
jeweiligen Schicht, die der nächsthöheren Schicht zur Verfügung gestellt
werden. Schichten können somit als Diensterbringer (service provider)
bzw. Dienstnutzer (service user) aufgefasst werden.
Bild 1.5 zeigt zwei Instanzen A, B der Schichten N, die über ein Protokoll der
Schicht N kommunizieren. Die beiden Instanzen sind gleichberechtigt und
werden deshalb als Peers bezeichnet. Jede Instanz benötigt zur Realisierung
der Kommunikation die Dienste ihrer Schicht N − 1, die ihrerseits auf die
Schicht N − 2 zugreift. Der Vorgang wird fortgesetzt, bis Schicht 1 erreicht
ist.
Schicht
N
Instanz N
System A
Protokoll
der Schicht N
Protokollschnitt
Instanz N
System B
Dienstschnitt
Request
Confirm
Indication
Response
Schichten
N − 1 ... 1
Bild 1.5 Protokolle und Dienste
Dienste werden mittels einer Anzahl von Dienstprimitiven (service primitives)
realisiert:
Request (Anforderung): Eine Instanz (ein Dienstnutzer) veranlasst einen
Diensterbringer zu einer bestimmten Operation, die ein Ereignis auslöst.
Indication (Anzeige): Eine Instanz wird über ein Ereignis informiert.
Response (Antwort): Eine Instanz antwortet auf eine Indication.
Confirm (Bestätigung): Eine Instanz wird über das Ergebnis ihrer Anforderung informiert.
Diese vier Dienstprimitive bilden zusammen einen bestätigten Dienst. Ein unbestätigter Dienst verwendet nur Request und Indication. Eine Dienstfunktion
besteht aus einer bestimmten Folge von Dienstprimitiven. Zur Darstellung
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1 Basiskonzepte: Strukturen
der zeitlichen Abläufe werden Zeitdiagramme verwendet (→ Bild 1.6). Die
Dienstprimitive können in verschiedenen Diensten genutzt werden, z. B.
CONNECT für den Verbindungsaufbau,
DATA für den Datentransport und
DISCONNECT für den Verbindungsabbau.
A
Schicht N
Diensterbringer
Schichten N − 1, ..., 1
Connect.Request
B
Schicht N
Connect.Indication
Connect.Response
Connect.Confirm
Zeit
Bild 1.6 Bestätigter Dienst im Zeitdiagramm
Zudem muss die jeweils betrachtete Schicht genau spezifiziert werden. Statt
der Nummer der Schicht werden Kennbuchstaben verwendet: P (für Presentation Layer, Schicht 6), S (für Session, 5), T (für Transport, 4), N für
Network, 3) und DL (für Data Link, 2). Somit werden z. B. für einen Verbindungsaufbau auf der Transportschicht die folgenden Dienstprimitive benötigt:
T-CONNECT.request, T-CONNECT.indication, T-CONNECT.response und
T-CONNECT.confirm.
Auf den verschiedenen Schichten werden Blöcke (eine bestimmte Anzahl
von Bits) gebildet und an andere Schichten weitergereicht. Je nach Schicht
sind spezifische Bezeichnungen für diese Blöcke üblich, auch wenn sie nicht
immer einheitlich verwendet werden.
Auf der Schicht 2 wird der Begriff Rahmen (frame) verwendet. Kurze
Rahmen fester Länge werden auch als Zellen bezeichnet.
Auf der Schicht 3 werden Blöcke als Pakete oder Datagramm (datagram) bezeichnet, zumindest wenn eine verbindungslose Kommunikation
(→ 3.1.2) verwendet wird.
Pakete der Schicht 4 werden – insbesondere im Zusammenhang mit TCP/IP
(→ 9.2) – als Segmente (segment) bezeichnet. Der Begriff Nachricht
kommt hier ebenfalls vor.
Pakete der höheren Schichten 5–7 werden häufig pauschal als Nachrichten
(message) bezeichnet.
Pakete, Rahmen, Datagramme und Segmente sind dadurch gekennzeichnet,
dass sie eine festgelegte, maximale Länge aufweisen. Im Gegensatz dazu
können die Nachrichten, die ein Anwendungsprozess über ein Rechnernetz
übertragen haben möchte, sehr viel länger oder im Grenzfall beliebig lang sein
(z. B. bei kontinuierlichen Signalen Sprache und Bewegtbild). OSI besitzt eine
eigene Terminologie für Informationsblöcke (→ Bild 1.7).
1.2 Das OSI-Modell und seine Erweiterungen
Schicht N + 1
Schicht N
IDU (Interface Data Unit)
ICI (Interface Control Information)
ID (Interface Data)
UD (User Data)
Schicht N + 1
PCI (Protocol Control Information)
ID ICI IDU
Schicht N
PDU (Protocol Data Unit)
Peer A
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1
Nutzdaten
Steuerinformationen
Nutzdaten + Steuerinformationen
Peer B
Bild 1.7 Zur Terminologie des OSI-Modells
Eine PDU (Protokolldateneinheit, Protocol Data Unit) ist ein Paket,
das zwischen gleichrangigen Instanzen (der Schicht N) zweier Systeme
ausgetauscht wird. Zur Kennzeichnung der betrachteten Schicht wird deren Kennbuchstabe vorangestellt (z. B. APDU: Application PDU, TPDU:
Transport PDU).
Eine PDU besteht üblicherweise aus drei Feldern: Vorspann (header), Nutzlast (payload) und Nachspann (trailer). Alle drei Felder können zur Übertragung von Protokollinformation (Protocol Control Information, PCI) genutzt
werden. Benutzerdaten (SDU, Service Data Unit) können nur im Nutzlastfeld transportiert werden. Dies führt zur Unterscheidung von Daten-PDUs und
Kontroll-PDUs, je nachdem, ob Benutzerdaten übertragen werden oder nicht.
1.2.4
Erweiterungen des OSI-Modells
Das OSI-Modell wurde ursprünglich für vermaschte Weitverkehrsnetze mit
Paketvermittlung und verbindungsorientierter Kommunikation konzipiert. Dabei wird primär die Kommunikation zwischen genau zwei Teilnehmern betrachtet (weitere Kommunikationsbeziehungen sind Multicast und Broadcast
(→ 5.2.6). Zusätzliche Konzepte für Rechnernetze (→ 5.1) haben zur Erweiterung des OSI-Modells Anlass gegeben /1.3/, /1.5/. Zur Beschreibung lokaler
Netze wurde die Sicherungsschicht (Schicht 2) unterteilt in die Teilschichten
MAC (Media Access Control, steuert den Zugriff zum Übertragungsmedium)
und LLC (Logical Link Control, restliche Funktionen der Schicht 2). Die
Netzwerkschicht (Schicht 3) besteht aus drei Teilschichten:
Subnetwork Access (Schicht 3a). Sie arbeitet die teilnetzspezifischen Protokolle ab.
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1 Basiskonzepte: Strukturen
Subnet Enhancement (Schicht 3b). Sie ergänzt Funktionen der Teilnetze
so, dass die Anforderungen der Schicht 3c erfüllt werden.
Internet (Schicht 3c). Bearbeitet teilnetzunabhängige Protokolle wie Routing mit globaler Adressierung.
Die physische Schicht (Schicht 1) wird ebenfalls weiter unterteilt. Die Definition einer Teilschicht PMD (Physical Media Dependent) erlaubt den Einsatz
unterschiedlicher Übertragungsmedien ohne Auswirkungen auf die übrigen
Schichten. Die Teilschicht PMD ist über die Teilschicht MII (Media Independent Interface) mit der Schicht 2 verbunden. Bild 1.8 fasst die Teilschichten
zusammen.
7 Application
7 Anwendung
6 Presentation
6 Darstellung
5 Session
5 Kommunikationssteuerung
4 Transport
4 Transport
3 3c Internet
3b Enhancement
3a Subnetwork Access
3 Vermittlung (Netzwerk)
2 2b Logical Link Control (LLC)
2a Medium Access Control (MAC)
2 Sicherung
1 1b Media-Independent Interface (MII)
1a Physical Media Dependent (PMD)
1 Bitübertragung
Bild 1.8 Unterteilung der OSI-Schichten
1.3
Die Schichten des OSI-Modells
Pro Schicht des OSI-Modells existiert eine Vielzahl standardisierter Protokolle (→ 1.3.1). Da eine Anzahl von Teilaufgaben in verschiedenen Schichten zu
erfüllen ist, werden die zugehörigen Protokollfunktionen für sich – unabhängig von einer bestimmten Schicht – behandelt und als Protokollmechanismen
bezeichnet (→ 1.3.2).
1.3.1
Protokolle pro Schicht
1.3.1.1
Schicht 1
Auf der Schicht 1 werden physikalische Eigenschaften einer Übertragungsstrecke beschrieben, z. B. die Eigenschaften des Übertragungsmediums, das
verwendete Übertragungsverfahren sowie Bauform und Belegung der Steck-
1.3 Die Schichten des OSI-Modells
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verbindungen zwischen DEE und DÜE (→ Bild 1.9). Die Datenendeinrichtung (DEE, engl.: DTE, Data Terminal Equipment) ist das Endgerät
(z. B. Arbeitsplatzrechner) des Benutzers, die Datenübertragungseinrichtung (DÜE, engl.: DCE, Data Communications Equipment) kann je nach
Übertragungsverfahren ein Modem, ein ISDN-Adapter oder ein sonstiger
Netzadapter sein.
DEE
DÜE
Schnittstelle
DÜE
Übertragungsstrecke (Netz)
DEE
Schnittstelle
Bild 1.9 DEE und DÜE
Wichtige Standards für die Schicht 1 sind u. a.:
ITU-T V.24: List of Definitions for Interchange Circuits between DTE
and DCE. Beschreibt die Schnittstelle zwischen DEE und DÜE für die
asynchrone Datenübertragung über Fernsprechleitungen.
X.21: Interface between DTE and DCE for Synchronous Operation on
Public Data Networks. Beschreibt die Schnittstelle zwischen DEE und
DÜE für die synchrone Datenübertragung über öffentliche Datennetze.
Dabei wird die DEE aus dem Netz getaktet.
ITU-T X.21bis: Use of Public Data Networks of DTE which is Designed
for Interfacing to Synchronous V-Series Modems. Beschreibt die Schnittstelle zwischen DEE und synchronen Modems der V-Serie (→ 8.2) in
öffentlichen Datennetzen.
EIA/TIA RS-232-C: Dieser Standard der EIA/TIA (→ 12.4) ist sehr ähnlich zu V.24.
1.3.1.2
Schicht 2
Die Schicht 2 realisiert eine fehlerfreie Punkt-zu-Punkt-Übertragung ganzer
Rahmen zwischen benachbarten Stationen. Dabei können entweder zwei
Stationen direkt miteinander oder mehrere Stationen über ein Bussystem
verbunden sein (→ Bild 1.10). Das Bussystem wirkt als Diffusionsnetzwerk,
d. h. jede Station kann das Signal jeder anderen Station direkt, ohne das
Durchlaufen von zwischengeschalteten Systemen empfangen.
Die Standards dieser Schicht leisten eine zeichenorientierte oder eine bitorientierte Übertragung (→ 2.6.2.2) oder werden in LANs verwendet (→ 6.1).
BSC (Binary Synchronous Communication) und DDCMP (Digital Data
Communications Message Protocol) sind ältere, zeichenorientierte Pro-
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