Vermittlungstechnik g – Kommunikationsnetze

Informationen zu den Dozenten
Vermittlungstechnik
g
– Kommunikationsnetze –
Vorlesung: Prof. Dr. rer. nat. habil. Jochen Seitz
Fachgebiet „Kommunikationsnetze”
I i
Institut
fü
für Informationstechnik
I f
i
h ik
Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik
Telefon: 03677 / 69 2614
Fax:
03677 / 69 1143
E-Mail:
[email protected]
Büro:
Helmholtz-Bau H 3507
Helmholtz-Bau,
1. Einführung
Übung: Dipl.-Ing. Florian Evers
Telefon:
Fax:
E-Mail:
Büro:
03677 / 69 2620
03677 / 69 1143
[email protected]
Helmholtz-Bau,
Helmholtz
Bau, H 3505
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
Organisatorisches
{
z
{
z
z
z
http://www.tu-ilmenau.de/kn/
Î Lehre Î Folien zur Vorlesung
oder im Copy-Shop
•
•
•
•
•
•
•
•
Übungsblätter
Abkürzungsverzeichnis
g
Literaturverweise
Prüfungsfragen
Festnetzbetreiber
Mobilfunknetzbetreiber
Kabelfernseh-Netzbetreiber
Rundfunknetzbetreiber
Satellitenbetreiber
Anlagen-Hersteller
Anlagen
Hersteller
IP, ATM, ISDN, xDSL
Vermittlungstechnik,
Router
Medien, Inhalteanbieter,
Unterhaltungsindustrie
I
TIMES
T
Sicherheit
Mainframes
Server
PC
PDA
Handy
Software
•
•
•
•
•
•
•
•
•
M
E
A t
Autoren,
Rechtehändler
R ht hä dl
Filmstudios
Rundfunk- u. Fernsehkanäle
Musikindustrie
Verlage
Spiele-Industrie
Datenbankanbieter
Nachrichtendienste
Telekommerz
Erlebnis
[email protected]
Sicherheit
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
•
•
•
•
•
•
Telekommunikation
Bei Fragen einfach
f h E-Maill an
z
Informationstechnologie
Sicherheit
Auf den Web
Web-Seiten
Seiten finden sich auch
z
{
Umbruch in der IuK-Technik
Vorlesungsfolien sind bereitgestellt unter
z
2
3
•
•
•
•
•
•
Fernseher
Videorecorder
Video- u. Digitalkameras
HiFi
Spielekonsolen
Internetdienste
Sicherheit
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
4
Entwicklungstrend:
Mobile Kommunikation
{
{
„Jedermann (-frau), zu jeder Zeit, an jedem Ort (mit
jeder Kommunikationsform)“
anybody,
b d anytime, anywhere
h
Schrittmacher: Mobiltelefonie
z
z
{
{
Entwicklungstrend:
Technische Kommunikation
geschätzte
hät t 2 Milliarden
Milli d Nutzer
N t
im Jahr 2007
hat Festnetztelefonie bereits
übertroffen
z
z
Technische Geräte / technische Systeme
g
kommunikationsfähig
Beispiele:
z
Produktionseinrichtungen
Tele Diagnose Tele-Wartung,
Tele-Diagnose,
Tele Wartung Tele-Betrieb
Tele Betrieb
Kommunikation in/mit Fahrzeugen
u.a. Verkehrstelematik
H
Hausnetze
t
Sicherheit, Haushaltsgeräte-Kommunikation,
Heizungssteuerung, usw.
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
6
Entwicklungstrends in der
Übersicht
Nichtgebundensein an einen Standort
Überall erhältliches Gut
{
Schlagwort
{
Persönliche Technologien
z
z
z
Information Technology (IT) beyond the PC
Zugang zu IT-Diensten
IT Diensten mit sich herumtragen
Beispiele: Persönliche Digitale Assistenten (PDAs),
Wearable Devices
Informationsumgebungen
z
z
{
Zukünftig:
z
5
Telekommunikation zwischen Menschen im Vordergrund
Ubi ität
Ubiquität
z
{
{
z
Entwicklungstrend: Ubiquitäre
Informationstechnologien
{
Heute:
z
{
Weltweite Abdeckung auch durch
Satellitensysteme
Alle Kommunikationsformen, mobiler
Internetzugang, usw.
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
{
Zugang zu IT-Diensten überall vorhanden
Beispiele: Intelligente, kommunikationsfähige
Geräte/Systeme, Aktive Gebäude (cooperative buildings)
Ubiquitäre Unterstützung
wirkt im Hintergrund,
wird selbst aktiv,
(teil-)autonom von Menschen.
Menschen
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
7
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
8
Grundlage: Kommunikationsnetz
Das Internet
{
Backbone
Das Internet besteht aus
z
einer Menge von Computern, die
{
LAN 1
{
{
z
mobile
Teilnehmer
z
dieselbe Protokollfamilie TCP/IP verwenden;
irgendwie (direkt oder indirekt) miteinander verbunden sind;
gewisse Dienste anbieten oder benutzen,
einer Menge von (menschlichen oder technischen) Nutzern
Nutzern, die
vom Arbeitsplatz direkten Zugriff auf die angebotenen Dienste
haben,
einer Menge von weiteren, über Gateways erreichbaren Netzen.
LAN 2
URL
(drahtloses)
LAN 3
Web-Seite
Thü i
Thüringen
Fachgebiet KN
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
9
Euphorie: Geschätzte Anzahl der
Internet-Benutzer
10
Schnelligkeit der Durchsetzung
des Internet
100
Wachstum der Weltbevölkerung
90
1000000
Zahl der angeschlossenen Haushalte
in den Vereinigten Staaten (in Millionen)
80
100000
70
10000
60
2001
99
2000
98
97
95
96
93
94
92
91
90
89
20
0
88
1
87
30
86
40
10
85
50
100
84
1000
83
Internetbe
enutzer (in Tausend
d)
Welt
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
110
0
10000000
Deutschland
Jahr
Fernsehen
Internet/Online
1922
(Quelle: Bertelsmann)
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
11
Kabelfernsehen
10
0
Quelle: Tapscott „The
The Digital Economy“
Economy ,
McGraw Hill,1996
Radio
1950
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
1982
1994
12
Grundmodell der
Telekommunikation
Übersicht über die Vorlesung
{
{
{
{
{
{
{
{
{
{
Sender
Vermittlungsprinzipien
Wegewahl
Flusssteuerung, Lastkontrolle und Dienstgüte
Gruppenkommunikation
X 25 und Frame Relay
X.25
Integrated Services Digital Network ISDN
Signalisierung in öffentlichen Netzen
Breitband-ISDN / Asynchroner Transfermodus ATM
xDSL
Netzmanagement
Dienstschnittstelle
h itt t ll
Medium
räumliche Distanz
z
z
13
Überblick über
Dienste und Protokolle
Teilnehmer agieren als Sender oder Empfänger.
Di Di
Die
Dienstnutzung
t t
d
durch
hT
Teilnehmer
il h
erfolgt
f l t an einer
i
speziellen Dienstschnittstelle unter Nutzung eines
Dienstzugangspunkts.
Durch das Medium wird die räumliche Distanz überbrückt.
überbrückt
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
14
Charakterisierung von Diensten
Charakterisierung
Dienstnehmer
Diensterbringer
Dienstleistung
{
Verfeinerung
Dienstfunktion
Dienstprozedur
Dienstprimitiv
{
Der Dienst wird von einem
Diensterbringer angeboten.
Arten
Kommunikationsdienste
Telekommunikationsdienste
Datenhaltungsdienste
{
Ein Dienst wird im Rahmen einer
Dienstleistung
g erbracht, die
ihrerseits unterschiedliche
Eigenschaften (z.B. bestätigt,
unbestätigt)
g aufweist.
Eine Dienstleistung umfasst somit
die Abwicklung eines Auftrags,
welcher im Rahmen des Dienstes
spezifiziert ist.
Dienst
Qualität
Protokoll
Dienstk
zugangspunkt
Nachricht
z
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
Empfänger
Charakterisierung
Ablauffestlegung
Formatfestlegung
Arten
Dienstnehmer-Dienstgeber
Gleichgestellte
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
15
Ein Dienstnehmer nimmt einen
Dienst in Anspruch.
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
Dienst
Dienstnehmer
Dienstleistung
Die st
Diensterbringer
16
Dienstqualität
(Quality of Service)
Verfeinerung
Innerhalb eines Dienstes können einzelne Funktionen
unabhängig voneinander in Anspruch genommen werden:
Dienstfunktion.
Dienstfunktion
z
{
{
z
Beispiel World Wide Web: Dienstfunktionen sind Abrufen von
HTML-Seiten, das Herunterladen von Dateien, das Ausfüllen von
Formularen, das Suchen nach Begriffen, etc.
Eine Dienstfunktion setzt sich aus einer Reihe von
Einzelvorgängen zusammen: Dienstprimitiv.
z
{
z
Die Zusammensetzung einer Dienstfunktion aus ihren
Dienstprimitiven wird Dienstprozedur genannt.
Dienste können in einer Dienstehierarchie angeordnet
werden, so dass ein Dienst auf anderen Diensten aufbaut.
Angemessenheit
{
Technische Leistung
{
Kosten
{
Zuverlässigkeit
{
Schutz
z
z
z
z
17
Charakterisierung eines Protokolls
Eignung des Dienstes für das vorgesehene Einsatzgebiet
z.B. Laufzeit, Antwortzeit, Sende- und Empfangsrate,
p g
Durchsatz
Investitions- und Betriebskosten zur Erbringung des Dienstes
Verhinderung von störenden Einflüssen
Verhinderung von bewussten Eingriffen
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
18
Dienst und Protokoll - Übersicht
Ein Kommunikationsprotokoll beschreibt einen Satz von
Regeln, nach denen die Kommunikation zwischen zwei
oder mehreren Beteiligten abgewickelt werden muss
muss.
Dienstnehmer 1
Dienstnehmer 2
Kommunikationsprotokolle
z.B. Diskussionsrunde, Gespräch
Diienst
{
{
z
Beispiel World Wide Web: Für das Ausfüllen eines Formulars im
WWW muss mittels HTTP-Get die entsprechende HTML-Seite
geladen, die Formularfelder ausgefüllt und die ausgefüllte Seite
mittels HTTP-Post abgeschickt werden, worauf der Erfolg mittels
HTTP-Response
HTTP
Response bestätigt wird.
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
Nicht nur Funktionalität, sondern auch Qualitätsparameter
sind maßgeblich für Kommunikationsdienste
Qualitätsparameter
li
llassen sich
i h grob
b ffünff Hauptaspekten
k
zuordnen:
Rechnerkommunikationsprotokolle
z.B. Dateitransfer, elektronische Post
OSI - Protokolle
Diensterbringer 1
TCP/IP - Protokolle
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
19
Diienst
{
Protokoll
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
Diensterbringer 2
20
Horizontale und vertikale
Kommunikation
Beispiel: Suche im WWW
WWW-Benutzer
Al i
Altavista
WWW
WWW-Server
S
Altavista WWW-Server
WWW-Benutzer
Starte Suche;
Erzeuge Antwortseite
Stelle Anfrage
Vertikale
Kommunikation
Stelle Anfrage
Vertikale
Kommunikation
Schicke Antwort
Übertrage Daten
Internet
Horizontale Kommunikation
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
21
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
Das Telekommunikationssystem:
Ein verteiltes geschichtetes System
Logische Architektur:
OSI-Basisreferenzmodell
S d
Sender
Anwendungsprozesse
E fä
Empfänger
[7] Anwendungskommunikation
Telekommunikationssystem
[6] Darstellung
Schicht n
Instanz n
Instanz n-1
Schicht n-1
Instanz n-1
Schicht 1
Instanz 1
[4] Transport
[3] Vermittlung
Protokollinstanz
Ph ik li h Medium
Physikalisches
M di
{
{
[2] Sicherung
Transportsystem
(technische Aspekte)
Dienstzugangspunkt
Eine Schicht bietet der darüber liegenden einen Dienst an.
Der Dienst wird durch das Zusammenwirken der
Schichtinstanzen gemäß einem spezifizierten Protokoll
erbracht.
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
Anwendungsbezug
[5] Kommunikationssteuerung
...
...
Instanz n
Instanz 1
22
[1] Bitübertragung
23
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
24
Die transportorientierten
Schichten
Teilsysteme des OSI-Modells
{
Transportorientierte Schichten:
Technische Realisierung einer Bitstrom-Übertragung
z
z
z
{
{
z
Elementare
El
t
N
Nachrichtenübertragung:
h i ht üb t
nur Bedürfnis des Nachrichtenaustausches unterstellt
Kein Bezug zur Kooperationsbeziehung der Dienstnehmer
Inhalt
h l der
d Nachricht
h h transparent
(d. h. ohne Bedeutung für transportorientierte Schichten)
Anwendungsorientierte Schichten:
Anwendungsbezogene Kommunikationsdienstleistungen
z
{
{
Steuerung des Ablaufs
Informationsdarstellung
Kompensation
p
von Fehlverhalten durch verteilte
Transaktionen
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
z
{
z
{
{
z
flexibel wählbare Qualitäten
variable Nachrichtenpaketlänge
Mehrfachnutzung
hf h
von Verbindungen
bi d
Pufferung von Paketen
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
26
Zusammenspiel der Schichten
{
Im ISO/OSI-Basisreferenzmodell wird das Zusammenspiel von
zwei Instanzen an der Dienstschnittstelle in einem Dienstmodell
genau festgelegt. Die Zusammenarbeit erfolgt in den folgenden
S h itt
Schritten:
z
z
Rechteübergabe
Strukturierung der Übertragung
Rücksetzvereinbarung
z
Nachrichten setzen sich aus typisierten Daten zusammen.
Anwendungsschicht (Application Layer, Schicht 7):
z
z
Austausch von Nachrichten anwendungsabhängigen
Aufbaus und Zwecks.
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
z
multiple
lti l K
Konnektivität
kti ität
Adressierung: nicht nur direkt durch ein physikalisches Medium
verbundene Rechner
Qualität u.U. wählbar, wenn Alternativen bei der Wegwahl bestehen
Transportschicht (Transport Layer, Schicht 4):
25
Darstellungsschicht (Presentation Layer,
Layer Schicht 6):
z
z
z
Austausch von Bitmuster-Nachrichten.
Bitmuster Nachrichten
Steuerung des Nachrichtenaustauschs zweier
Kommunikationspartner:
{
z
z
gesicherte Kanäle zwischen direkt verbundenen Dienstnehmern
verringerte Übertragungsfehlerwahrscheinlichkeit
FIFO-Pufferung von Paketen
Vermittlungsschicht (Network Layer, Netzwerkschicht, Schicht 3):
z
Verbindungen werden 1:1 abgebildet.
Dienstleistungen werden durchgereicht
durchgereicht.
{
{
z
z
Kommunikationssteuerungsschicht
(Session Layer, Schicht 5):
z
z
{
mögliche Störungen der Übertragung
feste Übertragungsqualitäten/Nachrichtenlänge
g g q
/
g
keine Pufferung
Sicherungsschicht (Data Link Layer, Schicht 2):
z
Gemeinsamkeiten:
z
z
{
{
Die anwendungsorientierten
Schichten
{
z
Kooperation der Teilnehmer unter formalen Gesichtspunkten
(Strukturierung, Präsentation) berücksichtigt, wie z. B.
{
Bitübertragungschicht (Physical Layer, Schicht 1):
27
(N+1)-Instanz übergibt an der Dienstschnittstelle eine (N)-Interface
Data Unit (N)-IDU.
Die (N)-Instanz
(N) Instanz teilt die (N)-IDU
(N) IDU in zwei Teile auf:
{ transparent zu übertragende Nutzdaten: (N)-Service Data Unit
(N)-SDU;
{ Steuerinformation: (N)-Interface Control Information (N)-ICI.
Zur Übertragung
Ü
der (N)-SDU ist gemäß dem vereinbarten
Telekommunikationsprotokoll eine (N)-Protocol Control
Information (N)-PCI zu erzeugen, die gemeinsam mit der
(N)-SDU die (N)-Protocol Data Unit (N)-PDU bildet.
Diese (N)-PDU wird transparent zwischen den (N)-Instanzen
übertragen.
Zur Übertragung der (N)-PDU durch die darunter liegende Schicht ist
entsprechende
p
Kontrollinformation (N-1)-Interface Control
Information für die untere Schnittstelle zu erzeugen; die (N)-PDU
und diese (N-1)-ICI bilden somit die (N-1)-IDU.
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
28
AH
PH
SH
TH
Zusammenspiel
der Schichten im Bild
Application Header
Presentation Header
Session Header
Transport Header
NH Network Header
DLH Data Link Header
DLT Data Link Trailer
Einkapselung von Daten
(N)-PCI
Anwendungsschicht
hi h
(N)-SDU
Darstellungsschicht
(N)-ICI
TH
Vermittlungsschicht
(N-1)-IDU
(N 1) SDU
(N-1)-SDU
SH
TransportTransport
schicht
(N 1) ICI
(N-1)-ICI
(N) SDU
(N)-SDU
(N-1)-Schicht
PH
Kommunikationssteuerungsschicht
(N)-PDU
(N ))-PCI
PCI
AH
Sicherungsschicht
(N 1) ICI
(N-1)-ICI
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
29
Dateneinheit
Kommunikationssteuerungsschicht
TransportTransport
schicht
Dateneinheit
Vermittlungsschicht
Dateneinheit
Dateneinheit
Darstellungsschicht
DLT
Bits
Sicherungsschicht
Bitüb t
Bitübertragungsschicht
30
Beispiel:
Übermitteln einer E-Mail (II)
MailServer
z
{
D t ll
Darstellungsformat
f
t
Dienstnehmer:
z
Senden von MHS-PDUs
Dialogsteuerung
Wegewahl
{
Sicherung
{
Physikalische
y
Übertragung
g g
31
Benutzer mit Mailprogramm, sog. Mail-Client
Mail-Server
il
d iin d
des
der E-Mailil adressierten
d
i
Teilnehmers
il h
(dadurch zeitliche Entkopplung!)
Die Übermittlung einer E-Mail ist nach festen Regeln als
anwendungsorientierter Dienst realisiert:
z
Ende-zu-Ende Datentransport
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
Dateneinheit
Anwendungsschicht
hi h
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
{
V
Verschicken
hi k einer
i
E-Mail
E M il
DLH
Bitüb t
Bitübertragungsschicht
Beispiel:
Übermitteln einer E-Mail (I)
Benutzer
am Mailprogrammm
NH
Daten
Empfange
en
(N)-IDU
(N) Schicht
(N)-Schicht
Sende
en
Daten
(N+1)-Schicht
durch Austausch von MHS (Message Handling System)Protokolldateneinheiten (PDUs) bei ISO/OSI bzw. SMTP
(Simple Mail Transfer Protocol)-Protokolldateneinheiten im
Internet.
Schrittweise Abbildung
g auf transportorientierte
p
Dienste;
für diese stellen PDUs transparente Nutzdaten dar.
Transportorientierte Dienste kümmern sich nur um den
einzelnen Nachrichtenaustausch, lassen also z.B.
beliebige Reihenfolge der Nachrichten zu.
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
32
Wichtige Begriffe dieses Kapitels
{
{
{
{
{
{
{
Literatur
Kommunikationsnetz
Ge hi htete Kommunikationssystem
Geschichtetes
Komm nikation
tem
Adressierung und Dienstzugangspunkte
Vertikale und horizontale
Kommunikation
Dienst und Protokoll
Beziehung Dienstgeber – Dienstnehmer
ISO/OSI-Basisreferenzmodell
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
{
{
{
{
{
33
ABECK, S.; LOCKEMANN, P.C.; SCHILLER, J. & SEITZ, J.:
Verteilte Informationssysteme.
Heidelberg: dpunkt.verlag, 2003. ISBN 3-89864-188-0.
KRÜGER
Ü
, G.:
G
Telematik.
Vorlesungsunterlagen, Wintersemester 2000/01.
http://www.tm.uka.de/lehre/WS0001/vorlesungen/V_TM.html.
KRÜGER
Ü
, G.;
G RESCHKE, D.
D (H
(Hrsg.):
)
Lehr- und Übungsbuch Telematik.
München, Wien: Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag,
3. aktualisierte Auflage, 2004. ISBN 3-446-22862-4.
SEITZ, J.;
J DEBES, M.;
M HEUBACH, M.;
M TOSSE, R.:
R
Digitale Sprach- und Datenkommunikation; Netze – Protokolle –
Vermittlung.
München, Wien: Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag,
1 Auflage
1.
Auflage, 2007
2007. ISBN 3-446-22979-5
3 446 22979 5.
TANENBAUM, A.S.:
Computernetzwerke.
München: Pearson Studium (Prentice Hall),
4 überarbeitete Ausgabe,
4.
Ausgabe 2003.
2003 ISBN 3-8273-7046-9
3 8273 7046 9.
Vermittlungstechnik/Kommunikationsnetze - 1. Einführung
34