1. Einleitung / Grundbegriffe

Rechnernetze/Kommunikationssysteme - Forschungsgebiete

Konzepte

- Architekturen (OSI-Referenzmodell,ODP, Intelligente Netze)
- Dienste und Protokolle
- Entwurf und Spezifikation von Protokollen (Modellierung, Analyse, Verifikation, Testung, Bewertung)
- Normen und Standards

Technologien

- Lokale Netze (Ethernet, Token Ring, FDDI)
- Weitverkehrsnetze (X.25, ISDN, Frame Relay, ATM, DQDB, usw.)
- Mobilfunknetze (GSM,PCN,UMTS, usw.)
- Netzkopplungen

Anwendungen

- Verteilte Informationssysteme (Client/Server-Modell)
- Integrationsaspekte
- Workgroup Computing, CSCW

System- und Netzmanagement

- Managementstrategien und -Strukturen
- Managementklassen (Konfiguration, Fehler, Sicherheit,usw.)
- Management-Informationsbasis
- Managementools

1.1. Motive der Rechnernetzentwicklung und -anwendung

1.2. Begriffliche Grundlagen

Netzarten:

WAN - Wide Area Network

Flächendeckende Rechnernetze, Weitverkehrsnetze (Entfernung > 10 km)
Rechnernetze, die sich über ein großes Territorium erstrecken
Datennetze
Spezielle Form der WAN. Umfaßt die Basiskommunikationsarchitektur.
ISDN - Integrated Services Digital Network
Kommunikationssystem der Zukunft; stellt die Dienste verschiedener Netze integriert in einem Kommunikationssystem bereit
LAN - Local Area Network
Lokale Netze (Entfernung: 1 km)
Rechnernetze, die ein begrenztes Territorium überdecken
MAN - Metropolitan Area Network
Nahverkehrsnetze, Regionalnetze (Entfernung: 10 km)
Rechnernetze, die sich auf das Territorium einer Stadt oder einer Region erstrecken. Grundlage sind die Hochgeschwindigkeitsnetze.
GAN Global Area Network
weltumspannend, unter Verwendung von Satelliten (u. U. Minuten für Übertragung)
Hochgeschwindigkeitsnetze -
Rechnernetze auf Lichtwellenleiterbasis mit Übertragungsraten von mehr als 100 Mbit/s (WAN: 60 Kbit/s, LAN 10 Mbit/s)

Strukturelemente:

Dienst: Funktion des Rechnernetzes (Fähigkeit - capability), mit deren Hilfe Kommunikationsanforderungen realisiert werden können.

Protokolle: Beschreibung der Wechselwirkung zwischen zwei Rechnern in einem Rechnernetz zur Bereitstellung eines Dienstes.

Netzaufbau:

Topologie: Wechselseitige Zuordnung der Netzknoten bzw. Host und der sie verbindenden Übertragungskanäle;

zwei Arten:

a) Punkt-zu-Punkt (PP): Teilstreckennetze
b) Broadcast: gemeinsamer Kommunikationskanal

WAN: vermascht, Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen den Netzknoten

LAN: Bus-, Ring-, Stern-, Baumstrukturen

Einführendes Beispiel eines Rechnernetzes:

Endsysteme: Verallgemeinernder Begriff für Rechnersysteme, die an den Endpunkten des Rechnernetzes angeschlossen sind, z.B. Rechner, LAN

Host: Teilnehmerrechner in einem Rechnernetz. Kann ein Transit- oder ein Endsystem sein (auch Wirt genannt)

Transitsystem/Netzknoten: Host, der eintreffende Nachrichten an ein anderes System weiterleitet

Übertragungskanäle/-medien:

WAN:

Standleitungen
Telefonleitungen
Lichtwellenleiter
LAN:
Koaxial-Kabel
verdrillte Leitungen
Lichtwellenleiter

Speziell auf Datennetze bezogen:

DÜE - Datenübertragungseinrichtung, Bindeglied zwischen der DEE und dem Kommunikationskanal

DEE - Datenendeinrichtungen, Terminals, Rechner, Drucker usw.

X.25 - Schnittstelle zwischen DEE und DÜE für öffentliche Paketvermittlungsnetze

Die 3 Säulen der Kommunikation:

1.3. Historische Entwicklung

(siehe Folien (hist1 - hist4.doc))

1.4. Prinzipielle Funktionsweise von Rechner- u. Kommunikationssystemen

Weitere Grundbegriffe und Definitionen

Dienst

Eine Schicht (genauer die Partnerentities einer Schicht) liefert eine eigene Leistung, sowie alle Leistungen der darunterliegenden Schichten. Diese eigene Leistung nennt OSI den Dienst (service) der Schicht.

Dienstelement/Dienstprimitiv (service primitiv)

Kommandos zur Inanspruchnahme von Diensten und Ergebnismeldungen von Entities

Entity

In jeder Schicht existiert ein Modul - Entity, der sowohl vertikal mit darüber- u. darunterliegenden Entities(bzw. Instanzen) als auch horizontal mit räumlich getrennten Entities (bzw. Instanzen) der gleichen Schicht kommuniziert. Entities sind Prozeßschablonen, die die Aufgaben der jeweiligen Schicht realisieren. Sie sind in Hardware und/oder Software realisiert.

Instanz

Aus einem Entity kreierter Prozeß (viele möglich); aufgerufene Kopie des Codes eines Entity oder eines Anwendungsprozesses (7. Schicht); Instanz ist ein instantiiertes Entity (gemäß OO-Modell)

Protokolle

horizontale Beziehung zwischen Entities (bzw.Instanzen), mittelbar über einige vertikale Übergänge abwärts dann über das Ü-Medium und vertikal aufwärts, => Abstraktion einer Verbindung zwischen "peer entities"; Partnerinstanzen verkehren über diese Verbindung gemäß eines Protokolls miteinander

1.4.1 Dienste

Die Aufgaben zur Kommunikation mit anderen Rechnern übernimmt die Netz- bzw. Kommunikationssoftware, die, so gesehen, Betriebssystemsoftware im erweiterten Sinne darstellt.

Betriebssystem:

Kommunikationssystem:

Für die Kommunikationsdienste wird folgendes Modell verwendet:


SAP - Service Access Point (Dienstzugriffspunkt)

Ausführliches Dienstmodell:

Anforderung (request): Instanz will Dienst zur Funtkionalität veranlassen

Anzeige (indication): Instanz soll über Ereignis informiert werden

Antwort (response): Instanz möchte auf Ereignis reagieren

Bestätigung (confirm): Instanz soll über eine Anforderung informiert werden

Die Dienstprimitive besitzen einen festen Aufbau:

Für die Darstellung der Abhängigkeiten zwischen den Dienstprimitiven werden Zeitablaufdiagramme (time sequence diagrams) verwendet.

Beispiele für Dienstarten:

Qualität eines Dienstes (quality of service, QoS)

Quantitative Aussagen über einzuhaltenden Leistungsparameter, z.B. Durchsatzrate, Restfehlerrate, zulässige Zahl der Verbindungsaufbauversuche

Dienstspezifikation (-beschreibung)

Die Anforderungen an einen Dienst und die Art und Weise ihrer Nutzung werden in der Dienstspezifikation festgelegt.

Dienstarten

Dienste werden im allgemeinen in symmetrische und asymmetrische Dienste unterschieden.

Symmetrischer Dienst:

Asymmetrischer Dienst:

1.4.2 Protokolle

Bereitstellung der Dienste beim Diensterbringer obliegt den Entities (Instanz, Entität). Entities sind aktive Elemente, zu deren interner Struktur keine weiteren Aussagen gemacht werden. Im allgemeinen sind es ein oder mehrere Rechenprozesse.

Die Entities bedienen die Dienstzugriffspunkte.

Festlegungen:

Wirkungsweise:

Ein Protokoll legt die zeitliche Abfolge der Kommunikation zwischen den diensterbringenden Entities (Instanzen) und die Art und Weise der Realisierung eines Dienstes fest und benutzt dafür das Format (Syntax und Semantik) der auszutauschenden Dateneinheiten (PDU's).

(PDU - Protocol Data Unit)

Protokollfunktionen

Protokolle setzen sich aus Grundfunktionen zusammen, die in vielen Protokollen wieder-kehren, den Protokollfunktionen:

Anforderungen an die Entities:

Grundprinzipien für die Arbeit einer Entity und den Protokollablauf:

Im Protokoll treten zwei Arten von Nachrichten auf:

Vertikal werden Dienstaufträge bzw. Zustimmungen/Meldungen zwischen der fordernden (N+1) und der dienenden (N) Schicht in Form von Nachrichten ausgetauscht.

SDU-, PDU-, Dienstprimitiv(IDU)-Bildung und Verwendung:

IDU - Interface Data Unit = {ICI - Interface Control Information, SDU - Service Data Unit}
PCI - Protocol Control Information

Die Entity bzw. Instanz muß die verschiedenen Verbindungen verwalten. Über jede Verbin-dung läuft das gleiche Protokoll ab. Die Entity muß also parallel mehrere Protokolle bearbeiten können.

Protokollbeispiel (aus Tanenbaum):

  1. CONNECT.request - den Aufbau einer Verbindung anfordern
  2. CONNECT.indication - den angerufenen Partner verständigen
  3. CONNECT.response - wird vom Aufgerufenen verwendet, um Anrufe anzunehmen oder abzulehnen
  4. CONNECT.confirm - dem Anrufer mitteilen, ob der Anruf angenom-men wurde
  5. DATA.request - die Sendung der Daten anfordern,
  6. DATA.indication - die Ankunft der Daten signalisieren
  7. DISCONNECT.request - die Auflösung einer Verbindung anfordern
  8. DISCONNECT.indication - dem Partner die Anforderung der Auflö-sung mitteilen


1.5. Schichten

Das Schichtenprinzip:

Eine Entity kann sowohl Dienstnutzer als auch Diensterbringer sein. Die Art und Weise der Bereitstellung der Dienste interessiert den Dienstnutzer nicht (Analogie: Briefzustelldienst per Luftpost oder Bahn).

Festlegung:

Eine beliebige Schicht wird als N-Schicht bezeichnet. Die nächst höhere als (N+1)-Schicht, die nächst tiefere als (N-1)-Schicht.

Für die Realisierung von Kommunikationssystemen werden aufeinander abgestimmte Schichtenarchitekturen verwendet, die die Kommunikationsarchitektur eines Netzes bilden.

Geschlossene und offene Systeme

Geschlossene Systeme:

Kommunikationssysteme, die isoliert arbeitende und spezifisch gestaltete Systeme mittels spezieller Übertragungs- und Anpassungsglieder koppeln.

Ausgangspunkt: Spezifik der individuellen Lösung, die weitgehend unangetastet bleibt.

Spezielle Variante: Herstellerorientierte geschlossene Systeme

Beispiele:

SNA (Systems Network Architecture) - IBM
DNA (Digital Network Architecture) - DEC
TRANSDATA - SIEMENS
Offene Systeme:

Systeme, die die Verkopplung beliebiger Teilnehmersysteme auf der Grundlage einheitlicher Prinzipien regeln.

Ausgangspunkt: Offene Systeme erkennen die Koexistenz unterschiedlicher Systemlösungen an und schreiben nur die Art und Weise ihrer Wechselwirkung fest.

Der Begriff "offen" kann wie folgt interpretiert werden:

Das OSI-Referenzmodell für offene Systeme:

Open Systems Interconnection - Reference Model (OSI/RM)

Entwickler: ISO (International Standardization Organization)
Beginn der Entwicklung: Mitte der 70-er Jahre
Internationaler Standard: 1983 (ISO 7498)

OSI-Referenzmodell - Architektur:

Bitübertragungsschicht (Physikalische Schicht: physical layer, PH):

Realisiert die konkrete Übertragung der Daten über den Kommunikationskanal. Sie werden bitweise, in Form von Signalen, übermittelt. Die Spezifik der physikalischen Schicht wird durch die hardwaremäßigen Erfordernisse der Signalübertragung geprägt.
Stellt ungesicherte Verbindungen zwischen Systemen für die Bit-Übertragung zur Verfügung

(Beispiel: Telefonverbindung)

Datensicherungsschicht (Datenverbindungsschicht: data link layer, DL):

Sichert die korrekte Übertragung zusammenhängender Bitfolgen zwischen den kommuni-zierenden Rechnern. Erkennt und korrigiert Fehler der Bitübertragung

(Beispiel: keine automatisierte Entsprechung (Fernmeldedienst))

Vermittlungsschicht (Netzwerkschicht: network layer, N):

Vermittelt den Weg, den die Daten/Pakete zwischen Quell- und Zielrechner im Netz durch-laufen.

(Beispiel: Telefonvermittlungstelle(n))

Transportschicht (transport layer, T):

Nimmt die Anforderungen der Anwenderprozesse hinsichtlich der Übertragungsqualität ent-gegen und stellt entsprechende Aufträge an die darunterliegenden Schichten. Gleicht gegebenenfalls ungenügende Leistungen dieser Schichten aus.
Sie stellt einen universellen Transportdienst bereit, der den Dienstnutzer von der unter-gelagerten konkreten Netzrealisierung unabhängig macht.

(Beispiel: Sekretärinnen sorgen für ordnungsgemäße Verbindung)

Kommunikationssicherungsschicht (Sitzungsschicht: session layer, S):

Dient der inhaltlichen Synchronisation der Kommunikation einschließlich ihrer Aufnahme und Beendigung. Liefert Mechanismen für Recovery einer unterbrochenen Verbindung

(Beispiel: Gesprächsübergabe durch Sekretärin)

Darstellungsschicht (presentation layer, P):

Sorgt für eine einheitliche Interpretation und Austausch der Daten unabhängig von ihrer konkreten Darstellung in der Anwenderschicht.

(Beispiel: Übersetzung z. B. vom Englischen ins Französische und umgekehrt)

Anwendungsschicht (application layer, A):

Stellt die Mittel (application service elements) zur Kooperation zwischen verteilten Anwendungsprozessen zur Verfügung und damit die Dienste des Kommunikationsnetzes, die durch das Zusammenwirken aller Schichten erbracht werden. Zugang zu Kommunikations-leistungen bei OSI nur über diese Schicht.

(Beispiel: (telefonische) Vereinbarung oder Verhandlung)

Normen im OSI-RM:

Application JTM ISO 8832
FTAM ISO 8531
MHS X.400
Presentation Presentation Protocol ISO 8823
Session Session Protocol
ISO 8327
Transport Transport Protocol
Class 0 - Class 4
ISO 8073
Network X.25/3 LAN
ISO 8473
ISDN-Vermittlung
Data Link HDLC
LAP B
LLC, MAC
IEEE802.2
HDLC
PCM
Physical X.21 beliebiges Medium,
entspr. Protokollnorm
Normen für ISDN
OSI LAYER OSI und CCITT-Normen Normen für LAN Normen für ISDN

Erläuterungen zum Teil in den folgenden Abschnitten!

Verbindungsorientierte / verbindungslose Dienste

Verbindungsorientierte Dienste (CO) unterscheiden 3 Phasen:

Mehrere Verbindungen mit CEP's (Communication End Point)

Vorteile von CO:

Nachteil von CO:

Verbindunslose Dienste (CL)

Realisieren den Datenaustausch ohne den Aufbau einer logischen Beziehung zwischen den Dienstnutzern.

In Schichtenarchitekturen können verbindungsorientierte und -lose Dienste in verschiedenen Schichten kombiniert auftreten (z.B. Schicht 3, 4)!

Verbindungsorientiert
(Connection Oriented,CO)
Verbindungslos
(Connectionless, CL)
Dauer der Verabredung aktuelle Netzbenutzung Physikal. Netzanschluß
Paketabhängigkeit Reihenfolge, Flußmenge, Bestätigung keine, Jedes Paket für sich Bestätigung optional
Phasen Verbindungsaufbau
Datentransfer n-mal
nur Datentransfer eines Pakets
Partner 2 Benutzer, Netz 1 Benutzer, Netz
Qualitätsverhandlungen zwischen 2 Benutzern und Diensterbringer:
PDU-Größe
Übertragungsleitung
Übertragungsgüte
zwischen send. Benutzer und Diensterbringer:
strategische Phase (Anschluß ans Netz)
Optionen


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