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
Nutzung von BM anderer Rechnersysteme
Sonderform: Datenverbund (File Sharing)
Ausweichen auf andere Rechnersysteme, wenn das eigene System mit Aufträgen überlastet ist (Rechenzentrumsbetrieb)
Übernahme v. Aufträgen, wenn ein Rechnersystem ausfällt
Erhöhung der Leistungsfähigkeit durch gemeinsame Bearbeitung von Aufträgen (verteilte Verarb.) bzw. durch die Bereitstellung neuer (bislang nicht realisierbarer) Dienste (Funktionen) (z.B. Telekommunikation) (Program Sharing)
Zugriff auf Funktionen anderer Rechner, die vom eigenen System nicht bereitgestellt werden.
Kooperative Bearbeitung eines Auftrages durch mehrere Anwender (Computer Supported Cooperative Working, CSCW)
Austausch von Nachrichten und Daten
1.2. Begriffliche Grundlagen
Netzarten:
WAN - Wide Area Network
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:
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:
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):
1.5. 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:
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
Datensicherungsschicht (Datenverbindungsschicht: data link layer, DL):
Sichert die korrekte Übertragung zusammenhängender Bitfolgen zwischen den kommuni-zierenden Rechnern. Erkennt und korrigiert Fehler der Bitübertragung
Vermittlungsschicht (Netzwerkschicht: network layer, N):
Vermittelt den Weg, den die Daten/Pakete zwischen Quell- und Zielrechner im Netz durch-laufen.
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.
Kommunikationssicherungsschicht (Sitzungsschicht: session layer, S):
Dient der inhaltlichen Synchronisation der Kommunikation einschließlich ihrer Aufnahme und Beendigung. Liefert Mechanismen für Recovery einer unterbrochenen Verbindung
Darstellungsschicht (presentation layer, P):
Sorgt für eine einheitliche Interpretation und Austausch der Daten unabhängig von ihrer konkreten Darstellung in der Anwenderschicht.
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.
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 |