Networking

Technische Universität Graz
Softwareentwicklung in verteilten Umgebungen, Teil 2
Networking
(Coulouris et al., Kapitel 3)
Dieter Schmalstieg
Partly based on material by Victor García-Barrios and Alexander Lex
Dieter Schmalstieg
SVU Networking
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Technische Universität Graz
• Netzwerktypen
• Protokollschichten
• TCP/IP
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Technische Universität Graz
Netzwerkaufbau
• Übertragungsmedium + Hardware + Software
• Verdrahtet
– PAN:
z.B. USB, Firewire
– LAN:
z.B. Ethernet, Token Ring
– MAN: z.B. DSL, ATM (Asynchronus Transfer Mode)
– WAN: z.B. IP-Routing
• Drahtlos
– WPAN: z.B. Bluetooth
– WLAN: z.B. WiFi (IEEE 802.11)
– WMAN: z.B. WiMAX (IEEE 802.16)
– WWAN: z.B. GSM, UMTS
• Internetworks: Network of Networks
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Beispiele Netzwerktypen
Range
LAN
WAN
MAN
Wireless LAN
Wireless WAN
Internet
1-2 km
worldwide
2-50 km
0.15-1.5 km
worldwide
worldwide
Bandwidth (Mbps)
10-1000
0.010-600
1-150
2-54
0.010-2
0.5-600
Latency (ms)
1-10
100-500
10
5-20
100-500
100-500
Lokaler Zugriff etwa 1000x schneller als im LAN
LAN etwa 500x schneller als Internet
Dieter Schmalstieg
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Technische Universität Graz
Networking-Technologie
•
•
•
•
Ideal: Vollständiger Graph (zu aufwendig)
Star, Ring, Bus, Tree, Mesh, ...
Praxis: Minimum Spanning Tree
Begriffe
– Hosts (erreichbare Endpunkte)
– Nodes (Zwischen- und Endpunkte)
– Messages (variable Größe)
– Packets (fixe Größe)  Packet Switching auf
einer Leitung
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Switching Schemes
1. Circuit Switching
– Plain old telephone system (POTS)
2. Packet Switching
– Store-and-forward network
– Berechnung des kürzesten Weges
– Pakete teilen sich Verbindungsstrecke
3. Frame Relay
– Stream (nur Forward – ohne Store)
4. Broadcasting (z.B. WLAN)
– Kein Switching!
– Alles zu jedem einzelnen Knoten übertragen
– Empfänger sind zuständig für Verwendung
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Routing
• Routing = Distributed Algorithm
– Router arbeiten im Kollektiv
– Wissen über kürzeste Wege nötig
– Routing-Protokoll nötig
• Congestion Control
– Vermeide Überlastung der „Hauptwege“
– Trade-off Latency/Throughput
• Internetwork
– Integration von heterogenen Subnetzen
– Einheitliches Protokoll (zB Internet-Protokoll IP)
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• Netzwerktypen
• Protokollschichten
• TCP/IP
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Schichten als Services
• Jede Schicht implementiert eine Aufgabe (Service)
• Jede Schicht bietet Service für höhere Schicht
• Jede Schicht erhält Service von niedrigerer Schicht
• Standardisierte Schnittstelle pro Schicht
• Viele Schichten können umständlich werden
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ISO-OSI 7 Layer Model
• Open Systems Interconnect, 7 Schichten
• Definiert nur Interface, nicht Implementierung
• Referenzmodell, nicht 1:1 in Praxis verwendet!
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Network Protocol Stack (Layer 1-4)
1. Physical Layer (z.B. Ethernet Base Band, ISDN)
– Bitübertragungschicht
– Signalisierung (Wieviel Volt ist „1“? Wie lange dauert „1“?)
2. Data Link Layer (z.B. Ethernet MAC, ATM cell transfer, PPP)
– Transport von Paketen im Einzel-Netzwerk
– Daten-Sicherungsschicht
3. Network Layer (z.B. IP, ATM virtual circuits)
– Transport von Paketen im Inter-Network
– Routing, congestion control
4. Transport Layer (z.B. TCP, UDP)
– Behandelt Messages (nicht Pakets)
– Adressierung
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Higher Level Protocols (Layer 5-7)
5. Session Layer (z.B. SIP)
– Verbindungsverwaltung
– Adaptions
– Fehlererkennung und –korrektur
(z. B. Restore Points)
6. Presentation Layer (z.B. CORBA Data Rep., SSL)
– Neutrale Repräsentation der Daten
– Evtl. Verschlüsselung
7. Application Layer (z.B. HTTP, FTP, SMTP)
– Beliebige Anwendung
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Messages and Encapsulation
• Message = [header] + [payload] + [trailer]
• Header=Nr+Länge+Priority+Checksum+Quelle+Ziel
• Encapsulation verpackt Message pro Schicht
Application-layer message
Pres entation header
Session header
Transport header
Network header
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• Netzwerktypen
• Protokollschichten
• TCP/IP
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TCP/IP Referenz-Modell
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Internet Protocol
• Virtual Network, verbindungslos (Datagram, max 64K)
• Übertragung durch mehrere Netze (Routing)
• IP-Adresse (weltweit eindeutig): IPv4 32bit, IPv6 128bit
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Class A:
0
24
Network ID
Host ID
14
Class B:
1 0
16
Network ID
Host ID
21
Class C:
1 1 0
8
Network ID
Host ID
28
Class D (multicast):
1 1 1 0
Multicast addres s
27
Class E (reserved):
1 1 1 1 0
unus ed
Classless Inter-Domain Routing (CIDR):
- Zusammenlegen von fortlaufenden Class-C Netzen (durch „Bit-Wildcards)
Dieter Schmalstieg
- Aufteilen von Class-B Netzen in mehrere Teile
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Network Address Translation
•
•
•
•
•
Subnetz wird hinter einer einzigen IP-Adresse versteckt
Im Subnetz Verwendung lokaler Adressen: 192.168.*.*
Router übersetzt (IP, Port) (LokaleIP, Port)
Problem des Erreichens von Standard-Ports
DSL or Cable
connection to ISP
Port Forwarding
Modem / firewall / router (NAT enabled)
(z.B. Skype)
Ethernet switch
printer
WiFi base station/
• Router als Firewall
access point
83.21 5.152.95
192.1 68.1.xx subnet
192.1 68.1.1
192.1 68.1.2
192.1 68.1.10
PC 1
192.1 68.1.5
Laptop
192.1 68.1.104
PC 2
192.1 68.1.101
Bluetooth
adapter
Game box
192.1 68.1.105
TV monitor
Bluetooth
printer
Media hub
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192.1 68.1.106
Camera
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Tunnelling
IPv6 encapsulated in IPv4 packets
IPv4 network
A
IPv6
IPv6
B
Encapsulators
• Einführung einer weiteren transienten Schicht
• Zum Datentransport durch „unpassende“ Bereiche
des Internetworks
• Z.B. Encryption, Transport von IPv6 über IPv4
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TCP/UPD Protocol
• Transmission Control Protocol (TCP)
– Verbindungsorientiert,
– Zuverlässig: Reihenfolge, Verlust, Doubletten, Flow
– Bidirektional
• User Datagram Protocol (UDP)
– Verbindungslos
– Unzuverlässig
– Unidirektional
• TCP und UDP setzen auf IP auf
• Kommunikation zwischen Prozessen – kein Routing
• Adressierung: IP + Port
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Ports
•
•
•
•
•
•
Unterscheidung von mehreren Verbindungen zweier Rechner
Jeder Port hat eindeutige Integer-Nummer
Anwendungen können Ports dynamisch vom OS erhalten
Well-Known Ports (0-1023) für bekannte Services
Contact Ports: nur Initialisierung, Daten über anderen Port
Socket zum Zugriff auf die Verbindung
socket
any port
agreed port
socket
message
client
server
other ports
Internet address = 138.37.94.248
Dieter Schmalstieg
Internet address = 138.37.88.249
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Zusammenfassung
• Netzwerktypen
– Arten von Netzwerken
• Protokollschichten
– ISO-OSI
– Internetworks
• TCP/IP
– IP, Addressing, Routing
– TCP and UPD
Dieter Schmalstieg
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