Inhalt der Vorlesung „Rechnerkommunikation“       

Einführung Anwendungsschicht Transportschicht Netzwerkschicht Sicherungsschicht Physikalische Schicht Netzwerksicherheit

Rechnerkommunikation, Einführung

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Einführung      

Beispiele für Rechnerkommunikation Konzept der Lehrveranstaltung Klassifikation von Kommunikationssystemen Protokolle Geschichte Literatur

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Beispiele für Rechnerkommunikation  IP-Netz (Internet)  Kommunikation zwischen Anwendungen auf Endsystemen (Host, Server)  Verwendung von InternetProtokollen (u.a. TCP, UDP, IP) und weiteren (z.B. Ethernet, WLAN)  Infrastruktur besteht u.a. aus Vermittlungseinheiten (Switches, Router), Funkbasisstationen, Modems  kabelgebundene und drahtlose Verbindungen  Unterscheidung von Zugangsnetz und Kernbereich  Internet Service Provider (ISP)

lokaler ISP

Unternehmensnetz

Host Rechnerkommunikation, Einführung

regionaler ISP

Server

Router

Switch

Modem 3

Beispiele für Rechnerkommunikation  Universal Serial Bus (USB)     

verbreitete serielle Anbindung von Peripheriegeräten an PC Sterntopologie aus Blättern (Nodes) und Verteilern (Hubs) Adressierung: 8 Bits für Node, 3 Bits für Endpunkt (Function) in Node Aufbau von Kanälen (Pipes) zwischen PC und Functions Protokoll für Übertragung basierend auf Sendeberechtigungen (Token)

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Beispiele für Rechnerkommunikation RNS

UE1

Node B

Iub

Iu RNC

 Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) CN

UE2 Node B UE3

Iur Node B Node B

Iub RNC

Node B RNS Rechnerkommunikation, Einführung

 mobile Telekommunikation der 3. Generation: Sprache + Daten  Mobilstation (User Equipment)  Radio Network Subsystem für funkorientierte Funktionen mit Funkzellen und Basisstationen (Node B)  Zugangsnetz (gegenwärtig Einsatz der ATM-Technologie), Kernnetz für Signalisierung, Transport, Übergang zu anderen Netzen  geplanter Übergang zu IP 5

Beispiele für Rechnerkommunikation  Bluetooth  Bsp. für Wireless Personal Area Network (WPAN)  verbreitete drahtlose Anbindung von Peripheriegeräten an PC  Pikonetz: Ansammlung von Geräten die sich spontan (ad-hoc) vernetzen  ein Gerät wird zum Master, die anderen verhalten sich als Slaves  Master bestimmt Frequenzsprungfolge, Slaves müssen dieser folgen  Kommunikation immer Master  Slave  Verbindungen für Daten und Sprache, diverse Konfigurationsmöglichkeiten

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P

S

S M

P

SB

S P

SB

M=Master P=Parked S=Slave SB=Standby

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Beispiele für Rechnerkommunikation  Ad-Hoc-Netze, Sensornetze  Ad-Hoc-Netze: ohne Infrastruktur, Nutzung von Endgeräten der Netzteilnehmer für die Vernetzung, selbstorganisierend  z.B. drahtlose Sensornetze (Wireless Sensor Networks, WSN) - einzelne Komponenten • klein (z. Zt. cm2, mm2 in Vorbereitung), billig • Energieversorgung (Batterie oder aus Umgebung) • Prozessor, Funkkommunikation • Sensoren: Licht, Feuchtigkeit, Druck, Erschütterung, Beschleunigung, Position, Magnetismus, Schall, … - Einsatzszenarien z.B.: Logistik, Sicherheit, Umwelt, Landwirtschaft, Gesundheitswesen, Heimautomatisierung, …

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Beispiele für Rechnerkommunikation  Ein typisches drahtloses Sensornetz SN

SN

GW

SN

GW

SN

Bluetooth

SN

SN

SN

SN

SN

SN

GW GW

SN

SN

GW: gateway SN: sensor node Rechnerkommunikation, Einführung

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Beispiele für Rechnerkommunikation  Vernetzung im Fahrzeug  heutige Mittelklasse- und Oberklasse-Fahrzeuge besitzen ca. 60 bis 100 elektronische Steuergeräte (Electronic Control Units, ECUs) für Antriebsstrang, Fahrerassistenz, Komfort, Infotainment  Controller Area Network (CAN) verbreitetes Bussystem zur Kommunikation  besondere Anforderungen an Zuverlässigkeit, Echtzeit

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Beispiele für Rechnerkommunikation  Beispielhafte Vernetzungsarchitektur im Fahrzeug  zentrales Gateway  Anschluss der ECUs über mehrere CAN-Busse und weitere Bussysteme (z.B. FlexRay mit höheren Raten, MOST mit noch höheren Raten für Infotainment)  an ECUs weitere Busse, z.B. Local Interconnect Network (LIN)

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Beispiele für Rechnerkommunikation  Vernetzung mit anderen Fahrzeugen oder Infrastruktur  Steigerung von Sicherheit, Effizienz und Komfort im Straßenverkehr  Kommunikation über WLAN oder Mobilfunk  Szenario des CoCar-BMBF-Verbundprojekts mit Nutzung von UMTS:

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Beispiele für Rechnerkommunikation  Gemeinsame Aspekte trotz Technologievielfalt  Netztopologie: Anordnung der Kommunikationsgeräte  Hierarchisierung in Protokollschichten, Beschreibung von Nachrichtenformaten und Protokollverhalten  Adressierung, Wegesuche und Weiterleitung von Nachrichten  Flußkontrolle: Optimierung der Senderate ohne Empfänger zu überlasten  Überlastkontrolle: Verschonung des Netzes vor Überlast  Fehlersicherung: Ausgleich von Bitfehlern und Verlusten  Medienzugriff: Koordination des Zugriffs mehrerer Sender auf gemeinsames Medium  Bitübertragung: Kodierung und Modulation  Netzwerksicherheit: Verschlüsselung, Authentifizierung etc.  Leistung: erreichbare Durchsätze und Verzögerungszeiten  Zuverlässigkeit: Wahrscheinlichkeit von Ausfällen

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Einführung      

Beispiele von Rechnernetzen Konzept der Lehrveranstaltung Klassifikation von Kommunikationssystemen Protokolle Geschichte Literatur

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Konzept der Lehrveranstaltung  Nutzen von Rechnernetzen     

Zugriff auf entfernte Informationen Informationsaustausch Steuerung entfernter Geräte gemeinsame Nutzung von Betriebsmitteln Leistungssteigerung und Fehlertoleranz

 Bedeutung von Rechnernetzen  starkes Wachstum von Anzahl und Nutzung in den letzten 20 Jahren  Basistechnologie, Infrastruktur für alle Lebensbereiche: Büro, Verwaltung, Bildung, Unterhaltung, E-Commerce, Telearbeit, Fertigung, Straßenverkehr, eingebettete Geräte, „allgegenwärtiges“ Rechnen, …  Netzwerk- und andere Industrie: Entwerfen, Entwickeln, Installieren, Betreiben, Verwalten der HW und SW von Rechnernetzen  viele Produkte benötigen Kommunikation  viele (alle?) SW-Programme benötigen Kommunikation Rechnerkommunikation, Einführung

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Konzept der Lehrveranstaltung  Bedeutung des Internets  globales Netz von Rechnernetzen  größtes und wichtigstes Rechnernetz

 Inhalt von Rechnerkommunikation  Netzwerke werden hauptsächlich am Beispiel des Internets untersucht  die Schichten werden dabei von oben nach unten durchlaufen (Anwendungsschicht, Transportschicht, Netzwerkschicht, Sicherungsschicht, physikalische Schicht)  dabei werden die wichtigsten grundlegenden Mechanismen von Rechnernetzen behandelt, die oft auch in anderen Netzen von Bedeutung sind  an einigen Stellen werden auch analytische Ansätze zur Auslegung vorgestellt  danach Netzwerksicherheit als übergreifender Aspekt  Vertiefung durch Programmierübungen und theoretische Übungen Rechnerkommunikation, Einführung

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Einführung      

Beispiele von Rechnernetzen Konzept der Lehrveranstaltung Klassifikation von Kommunikationssystemen Protokolle Geschichte Literatur

Rechnerkommunikation, Einführung

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Klassifikation von Kommunikationssystemen  Einige Unterscheidungsmerkmale …  Kommunikationsart  Unicast (Punkt-zu-Punkt): ein Sender, ein Empfänger  Multicast (Punkt-zu-Mehrpunkt, Gruppenruf): ein Sender, ein Gruppe von Empfängern  Broadcast (Rundruf): an alle Teilnehmer des Netzes  Anycast: ein Empfänger aus einer Gruppe möglicher Ziele

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Klassifikation von Kommunikationssystemen  Übertragungsart  Übertragungsrichtung - simplex: unidirektionale Verbindung - halbduplex: bidirektionale Verbindung mit Umschalten, also nicht gleichzeitig in beide Richtungen

(1) (2)

- (voll-)duplex: gleichzeitig in beide Richtungen

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Klassifikation von Kommunikationssystemen  Multiplexverfahren: Verwendung eines physikalischen Mediums durch mehrere Geräte - Frequenzmultiplex (Frequency Divsion Multiplex, FDM): Geräte verwenden verschiedene Teile des Frequenzspektrums - Zeitmultiplex (Time Divsion Multiplex, TDM): Geräte wechseln sich zeitlich ab FDM

4 KHz Kanal

Frequenzspektrum

4 KHz TDM 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 Zeitschlitz Rechnerkommunikation, Einführung

Rahmen

Zeit 19

Klassifikation von Kommunikationssystemen  Vermittlungsart - Leitungsvermittlung • zwischen Sender und Empfänger wird mittels Signalisierung ein Kanal zur Übertragung aufgebaut (z.B. durch Zeit- oder Frequenzmultiplex) • die zur Verfügung stehende Bitrate muß fest auf die Kanäle aufgeteilt werden • Standardverfahren in der Telefonie, bei schwankenden Datenaufkommen mit vielen Pausen ineffizient - Paketvermittlung • Sender schickt Daten in Paketen, die einzeln zum Sender gelangen • die Bitrate wird effizienter aufgeteilt • kurzfristiges höheres Datenaufkommen kann über Puffer abgefangen werden • dies kann zu Verzögerungen und Pufferüberläufen führen Rechnerkommunikation, Einführung

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Klassifikation von Kommunikationssystemen  Statistisches Multiplexen  vergleicht man Paketvermittlung mit den bei der Leitungsvermittlung bekannten Multiplexverfahren, so erscheint diese wie statistisches Multiplexen 10 Mbps Ethernet

A

C 1.5 Mbps

B

Puffer mit Paketen, die auf Weiterleitung warten

D Rechnerkommunikation, Einführung

E 21

Klassifikation von Kommunikationssystemen  Übertragungsmedium  leitungsgebunden - z.B. verdrillte Kupferdrähte, Glasfaser - Bitraten von Kbps bis viele Gbps - Signalausbreitungsgeschwindigkeit Teil der Lichtgeschwindigkeit, c  2108 m/s = 200 m/µs - kleine Bitfehlerraten, bei Glasfaser z.B. 10-10  drahtlos - z.B. Funk (terrestrisch, Satellit), Infrarot - Bitfehlerraten hoch wegen verschiedener Probleme bei der Ausbreitung von Funkwellen: 10-5 bis 10-2 - außerdem treten Bitfehler oft in Schüben (Bursts) auf

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Klassifikation von Kommunikationssystemen  Entfernung  Systembusse (z.B. PCI), Peripheriekommunikation (z.B. USB, Bluetooth)  lokale Netze (LANs) - einige Kilometer, Ausbreitungsverzögerung z.B. 2,5 km/c = 12,5 ms  Metropolitan Area Networks (MANs) - urbane Region, 50-100 km  Wide Area Networks (WANs) - weltweit, Ausbreitungsverzögerung z.B. 10.000 km/c = 50 ms

 Bitrate  56 Kbps für Modem bis viele Gbps (Glasfaser, Satellit)  Produkt von Bitrate und Ausbreitungsverzögerung gibt Daten auf Leitung - R = 10 Mbps, d = 2,5 km: Rd/c = 125 Bits - R = 1 Gbps, d = 10.000 km: Rd/c  500 MB

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Klassifikation von Kommunikationssystemen  Einige Beispiele für Übertragungsvolumina  Modem - Bitrate: 56 Kbps - Übertragungsvolumen pro Tag: 0,57 MB - Pro Monat: 17,3 MB  DSL - Bitrate: 16 Mbps - Übertragungsvolumen pro Tag: 83,3 GB - Pro Monat: 2,5 TB  Hochgeschwindigkeitsnetz - Bitrate: 10 Gbps - Übertragungsvolumen pro Tag: 100,5 TB - Pro Monat: 3160 TB = 3,16 EB

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Klassifikation von Kommunikationssystemen  Leistungsanalyse für Paketvermittlung

 Erste Fragestellungen:  Wie lange dauert die Übertragung eines Datenobjekts?  Welchen Einfluss haben Bitrate und Ausbreitungsverzögerung?  Wie groß ist die Speicherkapazität eines Datenkanals?

 Beispiele in den Übungen!  Mehr Infos zur Leistungsanalyse und deren Anwendung in Rechnernetzen kommt in Kapitel 3 (Transportschicht)

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Klassifikation von Kommunikationssystemen  Produkt aus Bitrate und Verzögerung  Bitrate R, Ausbreitungsverzögerung D vom Sender zum Empfänger  einfacher Kanal, A sendet ohne Unterbrechung an B

RD > 1:

RD < 1:

B

t = 0: A beginnt zu senden

A

B

t = D: erstes Bit erreicht B, RD Bits sind mittlerweile gesendet

A

B

t = 0: A beginnt zu senden

A

B

t = D: der Anfang des Bits erreicht B, RD·100% des Bits sind mittlerweile gesendet

A

B

t = 1/R: das Ende des Bits verläßt A

A

B

t = 1/R + D: das Ende des Bits erreicht B

A

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Klassifikation von Kommunikationssystemen  Kanalpuffergröße in Bits R D 

D d / v Ausbreitun gsverzöger ung   1 /R 1 /R Bitsendeze it

= Anzahl gesendeter Bits während sich das erste Bit vom Sender zum Empfänger ausbreitet = Kanalpuffergröße in Bits  Beispiel für RD > 1: - R = 100 Mbps, d = 4800 km, v = 3·108m/s bits 4800  103 m 3 - RD  100  10   1600  10 bits  195,3 KB 8 s 3  10 m / s 6

 Beispiel für RD < 1: - R = 10 Mbps, d = 10 m, v = 2·108m/s - RD  10  106

Bits 10 m   0,5 Bits 8 s 2  10 m / s

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Klassifikation von Kommunikationssystemen  Kanalpuffergröße in Paketen  mit Paketgröße L: a

R  D d / v Ausbreitun gsverzöger ung   L L /R Paketsende zeit

= Anzahl gesendeter Pakete während sich das erste Bit vom Sender zum Empfänger ausbreitet = Kanalpuffergröße in Paketen

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Klassifikation von Kommunikationssystemen  Normierung der Zeit durch Paketsendezeit (L/R = eine Zeiteinheit), dann - ist 1 Zeiteinheit die Zeit zum Senden eines Pakets (1 L/R) - sind a Zeiteinheiten die Ausbreitungsverzögerung (a  L/R = RD/L  L/R = D)

t0

A

B

t0

A

B

t0+1

A

B

t0+a

A

B

t0+a

A

B

t0+1

A

B

t0+1+a

A

B

t0+1+a

A

B

t0+1+2a

A

B

t0+1+2a

A

B

pkt

ACK

a>1 Rechnerkommunikation, Einführung

a 100 Millionen, Sicherheit wird wichtiges Thema, erste drahtlose Netze (WLAN)  00er Jahre: Crash, weiteres Wachstum, weitere Anwendungen, z.B. Internettelefonie, Peer-to-Peer-Systeme, Web2.0, weitere drahtlose Netze (Bluetooth, ZigBee, Wimax)  ausführlicher in Kurose/Ross

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Geschichte  Einige Gremien zur Standardisierung von Protokollen  International Standards Organization (ISO) - internationale Standards - national: American National Standards Institute (ANSI), ...  International Telecommunications Union (ITU) - Telekommunikationsstandards, PTTs - ITU-T (Telecommunications Sector, früher CCITT) - ITU-R (Radiocommunications Sector)  European Telecommunications Standards Institute (ETSI)  Internet Engineering Task Force (IETF) - Request for Comments (RFCs)  Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE)  Industrieforen zur schnelleren Entwicklung (vielleicht) und Zertifizierung interoperabler Produkte - World Wide Web Consortium (W3C), Object Management Group (OMG), MPLS Forum, WiFi Alliance, Bluetooth Special Interest Group, ZigBee Alliance, Wimax Forum, … Rechnerkommunikation, Einführung

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Einführung      

Beispiele von Rechnernetzen Konzept der Lehrveranstaltung Klassifikation von Kommunikationssystemen Protokolle Geschichte Literatur

Rechnerkommunikation, Einführung

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Literatur  Auswahl aus den zahlreichen Lehrbüchern  Kurose, Ross. Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet. 5th Ed., Addison Wesley, 2009 (deutsche Übersetzung der 4. Ausgabe: Computernetzwerke: Der Top-Down-Ansatz, Addison Wesley, 2008) - einfache und anschauliche Einführung, Fokus auf Internet, TopDown-Ansatz, Hauptquelle der Vorlesung  Leon-Garcia, Widjaja. Communication Networks: Fundamental Concepts and Key Architectures, 2nd Ed., McGraw Hill, 2004 - enthält auch Material über andere Netze, z.B. leitungsvermittelte Netze sowie analytische Aspekte  W. Stallings. Data and Computer Communications, 8th Ed., Pearson Education, 2006 - der Autor hat große Zahl von Netzwerk-Büchern geschrieben mit jeweils unterschiedlichem Schwerpunkt, werden häufig aktualisiert  Tanenbaum. Computer Networks. 4th Ed., Prentice Hall, 2003 (auch auf Deutsch erschienen) - Standardlehrbuch über Rechnernetze, war eins der ersten auf dem Markt Rechnerkommunikation, Einführung

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Literatur  Peterson, Davie. Computer Networks: A Systems Approach. Elsevier, 4th Ed., 2007 (auch auf Deutsch erschienen) - umfassende und sehr gut lesbare Einführung, macht viele Designentscheidungen nachvollziehbar  Halsall. Computer Networking and the Internet. Addison-Wesley, 2005 - sehr gründlich in technischen Einzelheiten  Comer. Computer Networks and Internets. 4th ed., Pearson Education, 2003 (auch auf Deutsch erschienen) - einfache Darstellung der wichtigen Mechanismen, weitere Bücher über Netze des Autors  Comer, Stevens. Internetworking with TCP/IP, Volumes I, II, III. Prentice Hall, 2005, 2007, 2000 (auch auf Deutsch erschienen) - 3-bändiges Standardwerk über Transport- und Netzwerkschicht  S. Tanenbaum, van Steen: Distributed Systems. Principles and Paradigms. 2nd Ed., Prentice Hall, 2006 (auch auf Deutsch erschienen) - Standardlehrbuch über Konzepte verteilter Systeme Rechnerkommunikation, Einführung

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