1 Basiskonzepte: Strukturen

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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.
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 Endsysteme
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-EndeSicht abstrahieren die Endsysteme vom Netz, sie haben beide die Illusion,
dass sie direkt miteinander kommunizieren. Bei der NetzschnittstellenSicht 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
Z3
X
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 (vgl. 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.
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"
1 Basiskonzepte: Strukturen
Literatur zu Rechnernetzen existiert in vielen Kategorien. Zum Nachschlagen sind /1.4/ als Wörterbuch und /1.8/, /1.16/ als Lexika geeignet. Lehrbücher sind /1.3/, /1.5/, /1.6/, /1.7/, /1.9/, /1.12/, /1.14/, /1.15/, /1.17/, /1.18/ und
/1.19/. Kurze Übersichten finden sich in /1.10/, /1.13/.
1.2
Das OSI-Modell
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
Schichten- und
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 gleichbleibt. 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 Das OSI-Modell
1.2.2
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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 Modells zugeordnet sind, vgl. 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:
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"
"
"
"
"
"
"
"
1 Basiskonzepte: Strukturen
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.
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 (Ende-zu-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): Aufund 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.
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
1.2 Das OSI-Modell
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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.
1.2.3
Protokolle und Dienste, OSI-Terminologie
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
Request
Protokoll
der Schicht N
Dienstschnitt
Confirm
Protokollschnitt
Instanz N
System B
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.
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1 Basiskonzepte: Strukturen
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 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 Informationsblöcke (kurz Blöcke) 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. Rahmen werden auch als Blöcke (im engeren Sinn), kurze Rahmen mit fester Länge auch als Zellen (cell) bezeichnet.
" Auf der Schicht 3 werden Blöcke als Pakete oder Datagramm (datagram) bezeichnet, zumindest wenn eine verbindungslose Kommunikation (→ Abschnitt 3.1.2) verwendet wird.
" Pakete der Schicht 4 werden − insbesondere im Zusammenhang mit
TCP/IP → Abschnitt 9.2 − als Segmente (segment) bezeichnet. Der
Begriff Nachricht kommt hier ebenfalls vor.
1.2 Das OSI-Modell
27
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).
"
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
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 konzi-
1
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1 Basiskonzepte: Strukturen
piert. Dabei wird primär die Kommunikation zwischen genau zwei Teilnehmern betrachtet (weitere Kommunikationsbeziehungen sind Multicast
und Broadcast → Abschnitt 5.2.6). Zusätzliche Konzepte für Rechnernetze (→ Abschnitt 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.
" 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) 1 Bitübertragung
1a Physical Media Dependent (PMD)
Bild 1.8
1.3
Unterteilung der OSI-Schichten
Die Schichten des OSI-Modells
Pro Schicht des OSI-Modells existiert eine Vielzahl standardisierter Protokolle (→ Abschnitt 1.3.1). Da eine Anzahl von Teilaufgaben in verschiede-
1.3 Die Schichten des OSI-Modells
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nen Schichten zu erfüllen ist, werden die zugehörigen Protokollfunktionen
für sich − unabhängig von einer bestimmten Schicht − behandelt und als
Protokollmechanismen bezeichnet (→ Abschnitt 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 Steckverbindungen 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
Bild 1.9
DÜE
Übertragungsstrecke (Netz)
DEE
Schnittstelle
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
(→ Abschnitt 8.2) in öffentlichen Datennetzen.
" EIA/TIA RS-232-C: Dieser Standard der EIA/TIA (→ Abschnitt
12.4) ist sehr ähnlich zu V.24.
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