Offene Systeme, Rechnernetze und das Internet Institut für Kartographie und Geoinformation Prof. Dr. Lutz Plümer Geoinformation III Vorlesung 11 Offene Systeme, Rechnernetze und das Internet

Veranstaltungshinweis Am Montag, den 10. 2., findet um 16:00 s.t. die Vorbesprechung zum Seminar GIS IV in Hörsaal VIII statt. Alle Studierenden, die teilnehmen möchten, werden gebeten, sich bei Frau Schmacke (unverbindlich) anzumelden. Email: schmacke@ikg.uni-bonn.de Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Einleitung zum dritten Vorlesungsblock Bislang Zumeist monolithische Geoinformationssysteme; eher „Insellösungen“ Fernzugriff erfolgt über Versenden von oder Netzwerkdateizugriff auf GIS-Daten(banken) in proprietären (herstellerspezifischen) Formaten Zukunft Verteilte Geodatenbanken Direkter Zugriff auf Funktionen entfernter Geoinformationssysteme Vernetzung von Katasterämtern, Vermessungsbüros, Lverm-Ämter (z.B. ALKIS) WebGIS Anforderungen Offene Systeme zur Sicherung der Interoperabilität Systeme verschiedener Hersteller arbeiten unmittelbar zusammen Kommunikation direkt über standardisierte Dienstschnittstellen Standardisierte Modelle und Übertragungsformate für Geodaten Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Übersicht über den dritten Vorlesungsblock 1. Offene Systeme, Rechnernetze und das Internet Die eXtensible Markup Language XML 2. Grundlagen, Dokumentenstruktur 3. Document Type Definitions (DTDs) 4. XML Schema 5. Geographic Markup Language GML: der vom OpenGIS-Consortium als XML-Anwendung definierte Standard für Geo-Objekte Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Offene Systeme; ISO/OSI-Referenzmodell Offenes System Hersteller- und Geräteunabhängigkeit Keine Festlegung auf Rechner- oder Netzarchitektur Endsysteme arbeiten eigenverantwortlich und sind auch unabhängig vom Offenen System arbeitsfähig Verteilte Anwendungen ohne Zusatzaufwand realisierbar Endsysteme sprechen dieselbe Sprache (durch Protokolle festgelegt) Das ISO-Modell für Open System Integration ist das wichtigste Referenzmodell für die Realisierung offener, interoperabler Systeme ISO-Norm 7498 7 hierarchisch aufeinander aufbauende Schichten Ebenen 1-4 modellieren ein anwendungsunabh. Transportsystem Ebenen 5-7 beschreiben anwendungsspezifische Aufgaben Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Das ISO/OSI-Referenzmodell Rechner A Rechner B Anwendung Anwendung 7 APDU Schnittstelle Darstellung Darstellung 6 PPDU Schnittstelle Sitzung Sitzung 5 SPDU Transport Transport 4 TPDU Vermittlung Vermittlung 3 Paket Sicherung Sicherung 2 Rahmen Bitüber-tragung Bitüber-tragung 1 Bit Physikalisches Medium Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Schicht i Aufbau einer Schicht Erbringt Dienst- Leistung für Schicht i+1 Jede Schicht i repräsentiert ein u.U. abstraktes Medium, für das bestimmte Zusicherungen gemacht werden Jede Schicht hat eine Schnittstelle nach oben und unten Schicht i bietet Dienste für Schicht i+1 an Die Implementierung der Dienste verwendet Dienste der Schicht i-1 Ablauf der Kommunikation und Sicherstellung der zugesicherten Eigenschaften wird durch ein geeignetes Protokoll realisiert. Schicht i (abstraktes) Medium i Nimmt Dienst der Schicht i-1 in Anspruch Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Horizontale Kommunikation Vertikale Kommunikation Sicherungsprotokoll Vermittlungsprotokoll Transportprotokoll Sitzungsprotokoll Darstellungsprotokoll Anwendungsprotokoll Horizontale Kommunikation Rechner A Vertikale Kommunikation Rechner B Transportprotokoll Sitzungsprotokoll Darstellungsprotokoll Anwendungsprotokoll Vermittlungsprotokoll Transportprotokoll Sitzungsprotokoll Darstellungsprotokoll Anwendungsprotokoll Sitzungsprotokoll Darstellungsprotokoll Anwendungsprotokoll Sicherungsprotokoll Vermittlungsprotokoll Transportprotokoll Sitzungsprotokoll Darstellungsprotokoll Anwendungsprotokoll Sicherungsprotokoll Vermittlungsprotokoll Transportprotokoll Sitzungsprotokoll Darstellungsprotokoll Anwendungsprotokoll Darstellungsprotokoll Anwendungsprotokoll Anwendungsprotokoll Anwendung Anwendung 7 APDU Schnittstelle Darstellung Darstellung 6 PPDU Sitzung Sitzung 5 SPDU Transport Transport 4 TPDU Vermittlung Vermittlung 3 Paket Sicherung Sicherung 2 Rahmen Bitüber-tragung Bitüber-tragung 1 Bit Physikalisches Medium Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Schicht 1: Bitübertragung (physical layer) In der untersten Schicht findet die räumliche Übertragung der Informationen über ein physikalisches Medium statt. Wesentliche Charakteristika Bandbreite (Angabe in [Hz] oder [bps] (Bit pro Sekunde)) Qualität (Signal-/Rauschabstand) Konnektivität (z.B. Rundfunk oder Punkt-zu-Punkt) Übertragungsrichtung (simplex, halbduplex, vollduplex) Mehrfachnutzung (z.B. per Zeit- oder Frequenzmultiplex) Häufigste Übertragungsmedien: Kupfer- und Glasfaserkabel (z.B. Ethernet, Telefon) Richtfunkstrecken (z.B. Satellitenverbindung) Rundfunk (z.B. GPRS, Wireless LAN) Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Schicht 2: Sicherung (data link layer) Regelung des Medienzugangs Vermeidung von Kollisionen gerechte Zuteilung des Mediums („Aushungern“ vermeiden) gerechte Zuteilung unter hoher Last dauerhafte Belegung durch einen Teilnehmer verhindern gezieltes Ansprechen einzelner Rechner im Teilnetz Definition des Adressierungsschemas für physikalisch am selben Medium angeschlossenen Geräte Beispiel Ethernet: MAC-Adresse der Netzwerkkarte (a.b.c.d.e.f); fehlerfreie Übertragung von Datenpaketen Prüfsummenverfahren zur Fehlererkennung und -korrektur bei erkanntem Fehler wird das Paket erneut übertragen Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Schicht 3: Vermittlung (network layer) Realisierung der netzübergreifenden Kommunikation Definition eines globalen Adressierungsschemas zum gezielten Ansprechen einzelner Rechner im Gesamtnetz Routing: Bestimmung des Pfades von Paketen durch das Netzwerk Flusskontrolle: lastabhängige Veränderung von Routing-Pfaden Multiplex-Mechanismus zur Ermöglichung des gleichzeitigen Nutzens des darunterliegenden Mediums von vielen Netzteilnehmern Zeitmultiplex durch Zerlegung von Daten in kleine Pakete; Pakete verschiedener Teilnehmer werden abwechselnd geschickt Bevorzugte Behandlung bestimmter Datenpakettypen (z.B. bei Video-Daten) Abrechnung bei Dienstleistungserbringern (Providern), deren Abrechnung auf dem Transfervolumen basiert Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Schicht 4: Transport (transport layer) Stellt ein universelles, zuverlässiges und anwendungs-unabhängiges Transportsystem zwischen allen beteiligten Rechnern bereit. gezieltes Ansprechen einzelner Prozesse auf einem Rechner Übertragung beliebig langer Datenströme über beliebige Dauer Zerlegung von Datenströmen in Sequenzen kleiner Pakete Pakete können in veränderter Reihenfolge eintreffen Transportschicht sorgt beim Empfänger für das korrekte Zusammensetzen des ursprünglichen Datenstroms Verbindungsorientierte und verbindungslose Dienste Verbindungsaufbau, Datenübertragung, Verbindungsabbau Datagramme Schicht 4 stellt oftmals die Schnittstelle zwischen Betriebssystem und Anwendungsprogrammen dar Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Schicht 5: Sitzung (session layer) Sitzungsmanagement Aufbau und Aufrechterhaltung von länger andauernden Verbindungen (z.B. bei Datenbanken, Buchungssystemen, Online-Banking) über Trennungen der Netzverbindung hinweg Synchronisierung u.a. Überbrückung von Netzausfällen Rücksetzung zu definierten Wiederaufsetzpunkten („Rollback“) Übernahme typischer Aufgaben der sog. „Middle-Ware“ Middleware bezeichnet die Teile des Systems, die zwischen Betriebssystem und Anwendungsprogrammen angesiedelt sind Bereitstellung gemeinsamer Datenbereiche für verteilte Anwendungen Authentifizierung und Rechtevergabe Remote Procedure Call RPC/ Remote Method Invocation RMI Beispiele: CORBA, Microsoft DCOM, Java Beans, Java RMI, Sun RPC Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Schicht 6: Darstellung (presentation layer) Verschlüsselung Daten werden vor Weiterleitung an bzw. nach Empfang von Schicht 5 für die Anwendung transparent ver- bzw. entschlüsselt Beispiel: https implementiert verschlüsselte WWW-Verbindungen Datenkompression Daten werden vor Weiterleitung an bzw. nach Empfang von Schicht 5 für die Anwendung transparent ge- bzw. entpackt Konvertierung u.a. Zeichensatzanpassungen (z.B. ISO-8859-1  MS-DOS) Wandlung von Binärformaten auf unterschiedliche Plattformen Dienste für Anwendungsprogramme virtuelle Terminals Protokolle zur Durchführung von Dateitransfern Protokolle zur Durchführung von Aufträgen Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Schicht 7: Anwendung (application layer) Jede Anwendung besitzt ihr eigenes, auf den Diensten der darunterliegenden Schichten aufbauendes Protokoll Anwendungsprogramme können auf alle Dienste der Schichten 4-6 zurückgreifen. Beispiel: WWW setzt direkt auf Schicht 4 auf, die Schichten 5 und 6 werden zum einfachen „Web-Surfen“ nicht benötigt. Beispielanwendungen: Internet: World Wide Web, Email, News, IRC Dateitransfer und –zugriff über das Netz Datenbankabfragen Reise- und Konzertbuchungssysteme Verteilte, netzfähige Geoinformationssysteme (z.B. ArcInfo mit ArcSDE) Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Dienste Dienst umfasst Schnittstelle zwischen Teilnehmer (Nutzer) und Diensterbringer Protokoll (Ablauf / Reihenfolge der Kommunikation) Datenformat (Aufbau der einzelnen Nachrichten) Dienstelemente bzw. Dienstschnittstellenereignisse Request: ein Teilnehmer möchte einen Dienst veranlassen, etwas zu tun Indication: ein Teilnehmer soll über ein Ereignis informiert werden Response: ein Teilnehmer möchte auf ein Ereignis reagieren Confirmation: ein Teiln. soll über eine Anforderung informiert werden Standarddienste der Ebenen 2-5 Datagramm-Übertragung (verbindungslose Datenübertragung) Verbindungsorientierte Kommunikation Verbindungsaufbau Verbindungsabbau Übertragung von Nutzdaten Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Bsp.: Verbindungsaufbau in der Vermittlungsschicht Request Indication Response Confirm Rechner A Schicht i Rechner B Dienst- benutzer Dienstleister Schicht i-1 Zeit Weg Anforderung [ request ] [ confirmation ] Bestätigung [ response ] Antwort [ indication ] Anzeige Vermittlungs- schicht Der Ablauf einer Kommunikation lässt sich gut durch Sequenz-diagramme (vgl. GIS III, 7. Vor-lesung) darstellen. Sicherungs- schicht Bitüber- tragungs- schicht Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Protokolle Aufgaben einer Schicht müssen dezentral gelöst werden, da Instanzen räumlich verteilt und nur lose (über die darunter liegenden Schichten) miteinander gekoppelt sind. Protokolle stellen Verhaltensvorschriften dar, wie die miteinander kommunizierenden, aber autonom arbeitenden Instanzen die Aufgaben einer Schicht gemeinsam lösen können. Wichtige Protokollmechanismen Zuteilung geteilter Medien Fehlererkennung und –behebung, Ausnahmebehandlung Längenanpassung / Zerlegung und Rekomposition Flusskontrolle Weiterleiten Übertragungsleistungsanpassung Ausnahme- und Fehlerbehandlung machen in der Praxis den größten Teil aus Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Protokollspezifikation Protokollspezifikation mittels Zustandsübergangsdiagramm Zustände beschreiben stabile Situationen innerhalb des Mediums zwischen ausgelösten Reaktionen (Nachricht an höhere Schicht) und dem Eintreffen neuer Stimuli Zustandsübergang wird durch das Eintreffen eines Stimulus eingeleitet bevor der neue Zustand erreicht wird, wird eine Reaktion hervorgerufen Neben Stimuli der Dienstschnittstelle müssen auch „von außen“ hervorgerufene Spontanübergänge berücksichtigt werden z.B. bei Verbindungstrennung oder Herunterfahren des Rechners Weitere Spezifikationsmöglichkeiten Petri-Netze Protokollbeschreibungssprachen wie z.B. STL („Estelle“) Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Protokollkorrektheit Korrektheit bedeutet Protokoll realisiert genau die für das Medium spezifizierte und über die Dienstschnittstelle erreichbare Funktionalität Korrektheit muss für jedes Protokoll nachgewiesen werden formaler Beweis ist möglich Erfordert die Untersuchung aller global möglichen Zustände z.B. durch Aufbau eines Erreichbarkeitsgraphen ist für komplexe Protokolle entsprechend aufwändig Typische Fehler Verzögerungen: es existieren Schleifen, die endlos durchlaufen werden, ohne dass Zieldienst-Ereignisse auftreten; es existieren aber auch andere Übergänge (mit Zieldienst-Ereignissen) Deadlocks: Medium erreicht einen Zustand ohne weitere Ausgänge Toter Ereignistyp: ein Ereignistyp tritt im Erreichbarkeitsgraph nicht auf Toter Instanzenzustand: ein Zustand fehlt im Erreichbarkeitsgraph Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Protokollspezifikation mittels Zustandsübergangsdiagramm am Beispiel des Verbindungsaufbaus Rechner A Rechner B Connect Request Connect Confirmation - Connect Confirmation + Abort Indication 1 Abort Indication 2 Connect Response + Connect Response - Connect Indication Schicht i AboInd1 AboInd2 „Höhere Gewalt“ Schnittstellen zur Schicht x+1 zur Schicht i+1 „Höhere Gewalt“ AboInd1 AboInd2 Ruhe zustand Verbindung aufgebaut ConRes- ConCon- Verbindung In Aufbau ConRes+ ConCon+ ConReq AboInd1 ConReq ConInd .... Reaktion Stimulus Zustand Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Protokollablauf: Aufbau und Abbruch einer Verbindung Rechner A Rechner B ConCon+ Connect Confirmation + Connect Confirmation + Connect Request ConReq Connect Request AboInd1 AboInd2 Abort Indication 1 Abort Indication 2 ConInd Connect Indication ConRes+ Connect Response + Connect Response + Connect Indication Connect Confirmation - Abort Indication 2 Connect Response - Abort Indication 1 Schicht i AboInd1 AboInd2 z.B. Netzwerkkabel unterbrochen „Höhere Gewalt“ „Höhere Gewalt“ AboInd1 AboInd2 „Höhere Gewalt“ Verbindung In Aufbau Ruhe zustand Ruhe zustand Verbindung aufgebaut Verbindung aufgebaut In Aufbau ConCon- Ruhe zustand ConRes- Verbindung aufgebaut ConCon+ Verbindung In Aufbau ConReq ConInd ConRes+ ConReq AboInd1 .... .... .... Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Rechnernetze Schichten 1-3 werden durch Rechnernetzwerke realisiert Rechnernetze sind Voraussetzung für räumlich verteilte Systeme Schicht 4 wird häufig vom Rechnerbetriebssystem implementiert Beispiele: UNIX (Linux), Windows, Mac-OS Rechnernetze werden unterschieden in Lokale Netze (Local Area Network LAN) Nahbereichsnetze (Metropolitan Area Network MAN) Weitverkehrsnetze (Wide Area Networks WAN) Oftmals werden LANs zu MANs und WANs zusammengeschaltet Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Struktur von Netzwerken Bei der Betrachtung einer Netzwerkstruktur wird zwischen a) der physikalischen und b) der logischen Struktur unterschieden, da beide voneinander unterschiedlich sein können. Physikalische Struktur: Technisch realisierte Verknüpfung der Komponenten Logische Struktur: Organisation der Kommunikation, Konnektivität der verschiedenen Dienste Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Netzwerktopologien Stern Ring Bus Baum Graph Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Beispiel für eine konkrete Vernetzung Sog. Aktive Komponenten eines Rechnernetzwerkes Rechner A Rechner B 4-7 4-7 Router Ebenen 3 3 3 Bridge (z.B. Switch) 2 2 2 2 Repeater (z.B. Hub) 2 1 1 1 1 1 1 1 Teilnetz 1 Teilnetz 1 Teilnetz 2 Teilnetz 2 Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Internet Bedeutung: Internet ist „das Netz der Netze“ weltweit größter Zusammenschluss von Rechnernetzen ging aus dem in den 60er Jahren entw. US Militärnetz ARPANET hervor Ende 2001 ca. 66 Millionen Rechner Technisch: Internet ist ein Netz von Netzen, die allesamt das TCP/IP-Protokoll zur Kommunikation verwenden wesentliche Eigenschaften: dezentrale Steuerung, Graphtopologie Zum Internet werden i. a. auch die Anwendungen gezählt, z. B.: Elektronische Post (Email) World Wide Web (WWW) Dateitransfer und –fernzugriff (FTP, NFS, Microsoft Dateidienste) Internet Relay Chat (IRC) Video- und Musikserver (Video- und Audiostreaming, z.B. online Radio) Verteilte (Geo-)Informationssysteme Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Internet – Internet Protocol IP [DoD MIL-STD-1777] implementiert OSI-Schicht 3 (Verbindungsschicht) Definiert das globale Adressierungsschema, die sog. IP-Adressen: a.b.c.d mit 0  a,b,c,d  255 (232 Einzeladressen) Beispiel: 131.220.71.205 ist die IP-Adresse des IKG-Webservers Datenübertragung erfolgt ausschließlich per (kleiner) Datagramme Legt dynamisch die Route abgehender Datenpakete fest Routen sind störungs-, last-, qualitäts- und kostenabhängig Pfadbestimmung erfolgt dezentral hierarchisch: wenn Ziel nicht direkt erreichbar, dann wird das Paket an den nächsthöheren Internet-Router weitergeleitet Internet nicht zyklenfrei: Gefahr der endlosen Weiterreichung Lösung: „Pakete altern beim Weiterreichen“; Terminierung nach 30 Schritten Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Hierarchische Struktur des Internet am Beispiel der USA Die Netzverbindungen der höchsten Ebene bilden das sog. Backbone („Rückgrat“). Hauptrouter niedrig Bandbreite der Verbindung hoch Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Internet – Transmission Control Protocol TCP [DoD MIL-STD-1778] implementiert OSI-Schicht 4 (Transportschicht) Bietet verbindungsorientierte und verbindungslose Dienstleistungen an Anwendungen können beliebig große Dateien bzw. Datenströme (bei stehender Verbindung) in beide Richtungen gleichzeitig (duplex) über 65536 verschiedene, auswählbare Kanäle (den sog. Sockets) verschicken. Datenströme werden in kleine Datagramme (typ. 15KB) zerlegt verschickt Pakete werden nummeriert fehlerhafte oder verlorengegangene Pakete werden neu angefordert Schnittstelle zu den Anwendungen: 65536 Sockets / Ports Vergleichbar einem Steckfeld der frühen Telefonvermittlung Anwendungen kommunizieren über festgelegte Portnummern Anwendungen werden automatisch benachrichtigt, wenn neue Verbindungen aufgebaut werden sollen Daten eingetroffen sind oder vollständig gesendet wurden Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11

Internet – Wichtige Standarddienste Belegung der Portnummern von 0 bis 1023 (die sog. „well-known ports“) ist vorgeschrieben. Beispiele: Domain Name Service DNS (Port 53) Umsetzung von Rechnernamen zu IP-Adressen Jeder Provider betreibt min. einen Nameserver, der unter einer bekannten IP-Adresse erreichbar ist EMail (Port 25; smtp-Protokoll) FTP (Ports 20, 21; FTP-Protokoll) World Wide Web (Port 80; http-Protokoll) Thomas H. Kolbe - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 11