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H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 1 Rechnernetze und verteilte Systeme (BSRvS II) WS 2010/2011 Prof. Dr. Heiko Krumm FB Informatik, LS IV, AG.

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1 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 1 Rechnernetze und verteilte Systeme (BSRvS II) WS 2010/2011 Prof. Dr. Heiko Krumm FB Informatik, LS IV, AG RvS Universität Dortmund Computernetze und das Internet Anwendung Transport Vermittlung Verbindung Multimedia Sicherheit Netzmanagement Middleware Verteilte Algorithmen

2 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 2 Literatur Zentrale Literatur u J. F. Kurose, K. W. Ross: Computernetze; Pearson Studium 2002 bzw. die neuere englische Ausgabe: J. F. Kurose, K. W. Ross: Computer Networking, 3rd Ed., Pearson 2005 Weitere Empfehlungen u A. Tanenbaum: Computer Netwerke; Pearson Studium 2000 u D. E. Comer: Computernetzwerke und Internets; Pearson Studium u L. L. Peterson, B. S. Davie: Computernetze; dpunkt Verlag 2000.

3 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 3 Folien Zusammenstellung aus folgenden Quellen: u Foliensatz zum Buch J. F. Kurose, K. W. Ross: Computernetze; Pearson Studium 2002 u Foliensatz der VorlesungBetriebssysteme, Rechnernetze und verteilte Systeme II, WS 2003/2004, H. Wedde, LS III u Foliensatz der VorlesungBetriebssysteme, Rechnernetze und verteilte Systeme II, WS 2006/2007, H. Krumm, LS IV u Foliensatz der VorlesungBetriebssysteme, Rechnernetze und verteilte Systeme II, WS 2007/2008, P. Buchholz, LS IV u Foliensatz des Kurses Computer Networks, SS 2004, S. Lam, University of Texas at Austin u Foliensatz der VorlesungRechnernetze und verteilte Systeme, WS2002/2003, H. Krumm, LS IV u Zusätzliche neue Folien

4 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 4 Rechnernetze und verteilte Systeme u Rechnernetz: Durch Telekommunikationssystem verbundene Rechnerknoten u Telekommunikationssystem: System, das Teilnehmern Kommunikationsdienste anbietet (in der Regel selbst durch Rechnernetz implementiert) u Verteiltes System: Anwendung, deren Komponenten sich an verschiedenen Orten befinden, Komponenten sind in Rechnernetz installiert, werden lokal von den Rechnerknoten ausgeführt und kommunizieren miteinander mit Hilfe eines Telekommunikationssystems.

5 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 5 Besonderheiten verteilter Systeme u Kommunikation –unzuverlässig, teuer, langsam u Lose Kopplung –Kommunikation selten –Synchronisation schwach –Fehlertoleranz u Nebenläufigkeit (Concurrency) –weitgehend unabhängige Fortschritte u Dezentrale Kontrolle –weitgehende Autonomie –lokale Kontrolle auf Basis partieller Sichten –vollständige Sicht des globalen Systemzustands wird vermieden, da das zu teuer ist (Einfrieren) Instanz Entfernung

6 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 6 Verteilung verdeckbar? Unzuverlässigkeit! t Treffen am in Dortmund?! Bitte quittieren! erreicht! HH M Vollständig zuverlässige Übereinkunft unter Fristsetzung ist nicht möglich! Ok! Aber bitte Quittung der Quittung quittieren! Ok! Aber bitte Quittung quittieren! Gäbe es ein Protokoll, das dieses mit n Nachrichten leisten könnte, dann müsste es auch den Verlust der letzten Nachricht tolerieren, also dieses auch mit (n-1) Nachrichten leisten können. Dann müsste es auch den Verlust der (n-1)-ten Nachricht tolerieren, …

7 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 7 Anwendungen: Trends

8 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 8 Anwendungen: Trends

9 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 9 Anwendungen: Trends

10 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 10 Anwendungen: Trends

11 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 11 Anwendungen: Trends Eigenschaften Nebenläufigkeit Systemgröße Systemlebensdauer Örtliche Verteilung Veränderungen (Umgebungen und Anforderungen) Anpassungen Erweiterungen Entwicklungslinien Web-Orientierung Dienste-Orientierung (SOA) Ubiquität und Mobilität

12 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 12 Rechnernetze WAN LAN Rechner Verbindungseinrichtung Datennetz (Internet) Mobile Computing Nomadic Computing

13 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 13 Rechnernetz - Übersicht Rechner Peripherie Kommunikationssystem Endsystem End- system Lokales Netz Hub End- system Öffentliches Vermittlungsnetz TS End- system End- system Lokales Netz End- system Hub

14 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 14 Dienstleistende Systeme u Instanzen –Menge von Dienstnehmern –Diensterbringer (offenes Subsystem) u Kommunikation –vertikale Kommunikation »Abwicklung von Dienstleistungen zwischen Dienstnehmer und Dienstleister –horizontale Kommunikation »zwischen Dienstnehmern u Kommunikationssysteme –in der Zeit Datenhaltungssystem –im Raum Telekommunikationssystem »Dienstleistungen dienen dem Nachrichtenaustausch zwischen Dienstnehmern »Diensterbringer interpretiert Nachrichten nicht Dienst- nehmer Diensterbringer Dienst- nehmer Dienst- nehmer

15 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 15 Kommunikationsdienst Ein Kommunikationsdienst bietet Teilnehmern Dienstleistungen zum Nachrichtenaustausch an. Wichtige Eigenschaften der Dienstleistungen betreffen: Partneradressierung Datagramme (verbindungslose Kommunikation, z.B. UDP) Verbindungsorientierung: Verbindungen und virtuelle Verbindungen (z.B. TCP) Zwei- / Mehrpartner-Kommunikation (Uni- / Multi- / Broadcast) Richtung (Simplex, Duplex, Halbduplex) Kommunikationsdienst User Dienstleistung Dienstzugangspunkt

16 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 16 Kommunikationsdienst – Sichten Statische Sicht Die Dienstschnittstelle, ist gegliedert in Dienstzugangspunkte, welchen Dienstadressen zugeordnet sind. Dynamische Sicht An der Dienstschnittstelle treten im Verlauf der Zeit Ereignisse auf: Die Anforderung und Ausführung einer Dienstleistung repräsentiert sich in zusammengehörigen Dienststimuli und Dienstreaktionen Briefkasten Schlossallee Briefkasten Hauptpost Wohnungs- briefkasten Maier t Stimulus Brief- einwurf Reaktion Brief- auslie- ferung Dienstleistung Brieftransfer

17 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 17 Dienstnehmer-Rollen und Dienstformen Zentrale Idee zur Nutzung von Ressourcen in Rechnernetzen: Anbieten und Aufrufen von Diensten Initiator Anrufer Client Kunde Beantworter Ausführer Server Dienstleister Unbestätigter Dienst Request Anforderung Indication Anzeige Bestätigter Dienst Request Anforderung Indication Anzeige Response Antwort Confirmation Bestätigung Rollen Grundformen

18 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 18 Kommunikationsformen – Partneranzahl Unicast (2 Partner) Multicast (an eine Gruppe) Broadcast (an alle)

19 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 19 Kommunikation und Kontext – Datagramme und Verbindungen Kommunikation ohne Kontext – Datagram Dienst enthält alle benötigten Informationen z.B. Brief, Telegramm, UDP-Datagramm Kommunikation im Kontext – Verbindung Verbindung wird aufgebaut, Kommunikation entlang der Verbindung, Verbindung wird abgebaut z.B. Telefon, TCP-Verbindung

20 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 20 Kommunikationsdienste – Richtungsbetrieb simplex A B Z.B. Feuermelder, Sensoren duplex A B Z.B. Telefon halbduplex A B Z.B. Wechselsprech- anlage t

21 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 21 Kommunikationsdienst - Nachrichtenreihenfolge Auslieferungsdisziplin: reihenfolgentreu (FIFO) zufällig priorisierte FIFO-Queues 4321 Dienstzugangspunkt Verbindungsendpunkt Verbindung puffert wie Queue Nachricht

22 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 22 Kommunikationsdienst: Qualität Leistung Nachrichtenlaufzeit, Verzögerung Durchsatz (Bandbreite, Bitrate) Entfernung Zuverlässigkeit Verfügbarkeit Fehler Verlust, Verfälschung, Vertauschung,… Kosten Grundkosten Dienstleistungskosten Datensicherheit Verfälschung / Integrität Vertraulichkeit Zurechenbarkeit … t x HHM 8 h 775 km

23 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 23 Kommunikationsdienst: Zuverlässigkeit / Fehler / Störungen

24 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 24 Protokolle: Ablauf in der Zeit

25 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 25 Ziel-Kommunikationsdienst Schicht Protokolle: Definition Basis-Kommunikationsdienst Instanz Ein Protokoll ist eine Menge von Regeln und Formaten (semantisch und syntaktisch), die das Kommunikationsverhalten von Instanzen zur Ausführung von Funktionen regelt (ISO 7498). Alle Kommunikationsaktivitäten im Internet werden von Protokollen bestimmt. Protokollstandards ermöglichen die Offenheit des Internets für Komponenten unterschiedlichster Bauart.

26 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 26 Protokolle: Definition Ein Kommunikationsprotokoll definiert das Kommunikationsverhalten von Instanzen, welche einen Basis-Kommunikationsdienst nutzen, um einen (höherwertigen) Ziel- Kommunikationsdienst zu erbringen. Es wird definiert über: Zieldienst Basisdienst Instanzenverhalten PDU-Formate Ziel-Kommunikationsdienst Schicht Basis-Kommunikationsdienst Instanz PDU

27 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 27 Schichtung von Diensten und Protokollen Nachrichtentransportsystem Steuermann (Brücke) Maschinen- Telegraph

28 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 28 Schichtung von Diensten und Protokollen User mit Kooperationsbeziehung Schiff fahren Direkt anwendungsbezogene Kommunikationsdienstleistungen: - Übertrage Volle Kraft voraus Allgemeine Nachrichtenübermittlung - Übertrage winkelcodierte Nachricht Kommunikation Arbeit

29 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 29 Schicht 3: - erbrachter Dienst - Instanzen und Protokoll der Schicht Schicht 2: - erbrachter Dienst - Instanzen und Protokoll der Schicht Schicht 1: - erbrachter Dienst - Instanzen und Protokoll der Schicht Schichtung von Diensten und Protokollen Basisdienst – Medium (Schicht 0)

30 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 30 Internet Millionen vernetzter Computer (Endsysteme, Hosts) PCs, Server Toaster, Cola-Automaten Kommunikationsleitungen Kupfer-, Glasfaserleitungen, Funk, Satellitenfunk Transitsysteme (Router) leiten Daten weiter

31 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 31 Internet - Struktur Netz-Peripherie: End-Systeme (PCs, Workstations, Server) Netz-Kern: Transitsysteme (Router, ein Netz von Netzen) Subnetze Teilnetze Übertragungsmedien: Kommunikationsleitungen

32 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 32 Internet - Peripherie u End-Systeme (Hosts) –beherbergen Applikationen und Server-Programme –sind Endpunkte der Verbindung u Client-Server-Modell –Client stellt Anfragen und erhält Service –Server ist immer verfügbar u Peer-To-Peer-Modell –keine dedizierten Server z. B. KaZaA

33 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 33 Internet – Datentransportdienste Ziel: Datentransfer zwischen End-Systemen TCP – Transmission Control Protocol [RFC793] verbindungsorientiert u Zuverlässiger Datentransfer in richtiger Reihenfolge UDP – User Datagram Protocol [RFC768] verbindungslos / Datagramm u Unzuverlässiger Datentransfer

34 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 34 Internet – Kern Geflecht von verbundenen Routern Wie werden die Daten durch das Netz übertragen? u Leitungsvermittlung (circuit switching) –pro Verbindung eine Leitung (Telefonnetz) u Paketvermittlung (packet switching) –Daten werden in einzelnen Paketen durch das Netz geschickt (Briefpost)

35 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 35 Netz-Kerne (allgemein): Multiplexing Benutzung einer Verbindungsleitung durch mehrere Verbindungen u Die Netz-Resource (z. B. Bandbreite) wird aufgeteilt. u Die Teile werden einzelnen Verbindungen zugeteilt. u Keine Mitbenutzung unbenutzer Teile durch andere Verbindungen. Die Aufteilung der Bandbreite erfolgt durch u Frequenzmultiplexing (frequency division) oder u Zeitmultiplexing (time division).

36 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 36 Netz-Kerne (allgemein): Multiplexing

37 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 37 Netz-Kerne (allgemein): Paketvermittlung Der Datenstrom wird in separat zu transportierende Pakete aufgeteilt. u Mehrere Verbindungen teilen sich eine Leitung. u Jedes Paket nutzt die volle Bandbreite. u Die Ressourcen werden nach Bedarf genutzt. u Keine garantierte Bandbreite für den Datenstrom. –Die Summe der benötigten Ressourcen kann die Summe der vorhandenen übersteigen. u Pakete im Puffer warten auf freie Ressource (Store and Forward - Prinzip).

38 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 38 Netz-Kerne (allgemein): Routing u Datagramm-Netz –Die Zieladresse bestimmt den nächsten Hop. –Verschiedene Pakete desselben Datenstroms können unterschiedliche Wege nehmen. u Virtual-Circuit Netz (VC, virtuelles Leitungsnetz) –Jedes Paket hat eine Marke (Tag), die den nächsten Hop bestimmt. –Pfad wird beim Verbindungsaufbau festgelegt. –Router speichern Verbindungsdaten.

39 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 39 Netz-Kerne (allgemein): Taxonomie

40 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 40 Physikalische Medien Verdrillte Adernpaare (geschirmt, ungeschirmt) Koaxialkabel Glasfaser Funkkanäle (erdgebunden, Satelliten)

41 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 41 Verzögerung in Paketnetzen Knoten-Verarbeitung Warteschlangen-Aufenthalt Übertragungsverzögerung (Paketlänge und Übertragungsrate) Signalverzögerung (Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signale in Medium)

42 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 42 Verzögerung-Bandbreiten-Produkt u Relative Bedeutung von Nachrichtenlaufzeit und Bandbreite –für kurze Nachrichten (z.B. 1 Byte) ist die Laufzeit (z.B. 1 ms gegenüber 300 ms) wichtiger als die Bandbreite (z.B. 1 Mbps gegenüber 1 Gbps). –für lange Nachrichten (z.B. 600 Mbyte) ist die Bandbreite wichtiger als die Laufzeit. u Produkt aus Bandbreite x Laufzeit –Es entspricht der Datenmenge, die sich im Transit befinden kann. u Beispiel –Bei 100 ms Laufzeit und 45 Mbps Bandbreite können sich bis zu 560 Kbyte Daten im Transit befinden

43 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 43 Schichtung von Diensten und Protokollen

44 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 44 Schichtenmodelle u ISO/OSI –Kommunikation Offener Systeme – Basis-Referenzmodell –allgemeines Modell, das sich auf die logische Architektur konzentriert (Welche Funktionen können in welchem Zusammenhang in einer Kommunikation auftreten?) –(ISO 7498) u TCP/IP –Internet-Protokollstack –Für (beinahe) alle Systeme implementiert. –(RFCs, IEEE-Normen)

45 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 45 ISO/OSI-Basisreferenzmodell 2-1 Transportsystem Anwendungs- prozess

46 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 46 ISO/OSI-Basisreferenzmodell: Schichten u Anwendungsschicht (Application Layer) –höchste Ebene, stellt die Kommunikationsdienstleistungen bereit, die direkt von einer Anwendung benötigt werden –Beispiel: Übertrage das Kommando eine Datei zu öffnen u Darstellungsschicht (Presentation Layer) –reicht die Dienstleistungen des Session-Dienstes weiter –stellt Dienstleistungen bereit, mit denen sich Anwendungsprozesse über die Syntax der Nachrichten abstimmen können u Kommunikationssteuerungsschicht (Session Layer) –bietet Dienstleistungen an, die zur Eröffnung, Durchführung und Beendigung einer Kommunikationsbeziehung (Session) nötig sind –Dienstleistungen zur Realisierung anwendungsnaher Fehlerbehandlungsmaßnahmen: Synchronisation, Wiederaufsetzen, Stornieren, Unterbrechen, Wiederaufnehmen

47 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 47 ISO/OSI-Basisreferenzmodell: Schichten u Transportschicht (Transport Layer) –erweitert Endsystemverbindungen (Rechner–Rechner) zu Anwenderverbindungen (Anwender–Anwender) –Anwender = Anwendungsprozesse –behandelt Ende-zu-Ende-Qualitätsaspekte u Vermittlungsschicht (Network Layer) –unterstützt beliebige Konnektivität im Netz u Sicherungsschicht (Data Link Layer) –stellt zuverlässige Links zur Verfügung –Flußkontrolle, Fehlererkennung und -korrektur u Bitübertragungsschicht (Physical Layer) –stellt ungesicherte Links für die Übertragung von Bitfolgen zur Verfügung. je Link bildet Daten- netz bildet Trans- port- system

48 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 48 ISO/OSI-Basisreferenzmodell: Begriffe Ziel-Kommunikationsdienst Schicht Basis-Kommunikationsdienst Instanz PDU (N)-Schicht (N)-layer Alle Instanzen einer Hierarchie-Ebene (peer-entities). Diese kommunizieren über den Basiskommunikationsdienst (N-1)-Dienst und erbringen den Zielkommunikationsdienst (N)-Dienst. (N)-Dienst (N)-service Fähigkeit der (N)-Schicht (und der Schichten darunter), die der (N+l)-Schicht an der Grenze zwischen (N)-Schicht und (N+l)-Schicht zur Verfügung gestellt wird. (N)-Protokoll(N)-protocol Verhaltens- und Formatfestlegungen (semantisch und syntaktisch) zum Kommunikationsverhalten der (N)-Instanzen.

49 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 49 ISO/OSI-Basisreferenzmodell: Begriffe Ziel-Kommunikationsdienst Schicht Basis-Kommunikationsdienst Instanz PDU (N)-Dienstzugangspunkt (N)-service-access-point Punkt, an dem der (N)-Dienst den (N+1)-Instanzen (oder Nutzern) zur Verfügung gestellt wird. (N)-Adresse(N)-address Kennung, zur Identifikation eines (N)-Dienstzugangspunkts. (N)-Protokolldateneinheit(N)-PDU (N)-protocol data unit Nachricht welche (N)-Instanz gemäß (N)-Protokoll einer anderen (N)-Instanz sendet, besteht aus (N)-Protokollkontrollinformation: (N)-PCI Nutzdaten der (N+1)-Instanzen PCINutzdaten PDU

50 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 50 TCP/IP Protokollstapel (Protocol Stack)

51 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 51 TCP/IP Protokollstapel application layer unterstützt verteilte Applikationen (umfasst die ISO/OSI-Schichten 5, 6 und 7) Anwendungsprotokolle FTP, SMTP, HTTP, SNMP, DNS, … transport layer Datenübertragung von Anwendung zu Anwendung (Port zu Port) Transportprotokolle TCP, UDP network layer transportiert (routet) Datagramme von Endsvstem zu Endsystem Internet-Protokoll IP, Routing- Protokolle data link layer Datentransfer zwischen benachbarten Systemen PPP, Ethernet, … physical layer Bitübertragung auf der Leitung oder im Funkkanal RS-232, Ethernet, …

52 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 52 Beispiel für lokales TCP/IP-Netz

53 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 53 Logische Kommunikation - Transportschicht

54 H. Krumm, RvS, Informatik IV, Uni Dortmund 54 Physikalische Kommunikation


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