Technik der digitalen Netze Teil 6 – Protokolle und Datenmodelle Stephan Rupp Nachrichtentechnik www.dhbw-stuttgart.de

Inhalt Protokolle und Datenmodelle IP basierende Netze Voice over IP SIP Happens Service Orientierte Architekturen Die Zukunft der Netze

IP basierende Netze - Subnetworks Subnetworks (Teilnetze) sind die kleinsten Netzbereiche im Internet. Üblicherweise entsprechen sie einem LAN-Segment. Sie bestehen aus Workstations und Servern - „Internet Hosts“. Jeder „Internet Host“ hat (mindestens) eine IP-Adresse. Router bilden den Übergang zwischen den Subnetworks. Host 4 Host 2 Host 6 Router LAN Sub- Net- Work Host 1 Host 3 Host 5 Quelle: Harald Orlamünder

Verbinden von Teilnetzen (1) Internet Nutzer IP Subnetwork IP Subnetwork IP Router Internet Nutzer IP Subnetwork IP Subnetwork IP Subnetworks werden durch IP Router miteinander verbunden. Der IP Router besitzt eine IP-Adresse per Port. Quelle: Harald Orlamünder

Verbinden von Teilnetzen (2) Internet Nutzer IP Subnetwork IP Subnetwork IP Router IP Router Internet Nutzer IP Subnetwork IP Subnetwork Um eine größere Strecke zu überwinden wird ein Router-Paar eingesetzt. Quelle: Harald Orlamünder

IP-Netze: Autonomes System Ein Autonomes System (AS) besteht aus einer Menge Router und Netze (Sub- networks), die einer gemeinsamen technischen Verwaltung unterstehen. Das Autonomes System ist charakterisiert durch: ein gemeinsames Routing-Protokoll (üblicherweise) volle Erreichbarkeit im AS IP Subnetwork IP Subnetwork Autonomous System IP Subnetwork In der OSI-Welt wird das Autonome System “Routing Domain” genannt. Quelle: Harald Orlamünder

Verbinden Autonomer Systeme Autonomous System 1 IP Subnetwork IP Subnetwork Interior Routing Protocols Exterior Routing Protocols IP Subnetwork IP Subnetwork IP Subnetwork IP Subnetwork IP Subnetwork Autonomous System 2 Autonomous System 3 IP Subnetwork IP Subnetwork Quelle: Harald Orlamünder

Internet Service Provider (ISP) Logische Sicht des Netzes Kunde des ISP mit permanentem Zugang (Mietleitung) R = Router S = Server N = Network Access Server Kunde des ISP mit Wähl-Zugang bzw. DSL zu anderen ISPs oder zum Backbone R R N R S N S ISP Quelle: Harald Orlamünder

Internet Service Provider (ISP) Physikalische Sicht des Netzes Übertragungs- technisches Netz PSTN/ISDN OVst zu anderen ISPs oder zum Backbone R R N R R = Router S = Server N = Network Access Server OVst = Orts-Vermittlungsstelle S N S ISP Standort B Standort A Quelle: Harald Orlamünder

Internet Das Internet als Netz CIX ISP 2 ISP 1 ISP 3 ISP 4 N = Network Access Server R = Router S = Server CIX = Commercial Internet Exchange R R ISP = Internet Service Provider ISP 2 ISP 1 N N S R S R R R N 1. N N ISP 3 R R S CIX 2. S N 3. R R Back- bone R Internet R ISP 4 N S R R 1. Router-Paar 2. unabhängiger Router „CIX“ 3. unabhängiges IP-Backbone N Quelle: Harald Orlamünder

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Sprachpakete im Internet Digitalisieren Kodieren Paketieren Übertragen Auspacken Dekodieren Zusammensetzen

Schichtenmodell A B Netzebene Terminal (Endgerät) Terminal (Endgerät) SIP: Signalisierung RTP: Sprachkanal Netzebene Modemebene Anwendungsebene WiFi DSL Ethernet SDH IP

Voice over IP Von Mund zu Ohr: Telefonieren verträgt wenig Verzögerungen

Öffentliche Netze Festnetz Media Servers PSTN IP Network (Carrier) announcements customised tunes conferences voice mail streaming media trunking gateways Media Server PSTN Trunking GW/ Signalling Gateway IP Network (Carrier) Call Server/ Gateway Controller PLMN Call Server session states SIP control H.323 control MGCP/Megaco Trunking GW Mobilnetz

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Telefonieren mit SIP – SIP User Agent SIP: Session Initiation Protocol (Signalisierungsprotokoll für Sessions) User Agent: Anwendungssoftware auf Terminals (SIP End Points) Terminals: PCs, Telefone, … Sind User Agents Clients oder Server? Client: Ich rufe an. Server: Ich nehme einen Anruf an. User Agent: Client + Server SIP User Agent SIP User Agent Request Response Quelle: Gerd Siegmund

Erst registrieren, dann telefonieren Register OK User Agent Registrar Registrar nimmt “REGISTER requests” an und registriert Teilnehmer Üblicherweise im SIP-Server implementiert Verwendet SIP Location Service im Informationen über Teilnehmer zugänglich zu machen Quelle: Gerd Siegmund

Location Server Location Service Registrar Proxy Server Redirect Server Enthält Information über den Aufenthaltsort des Teilnehmers im Sinne einer Anrufweiterleitung Location Servers können als Teil eines SIP Servers implementiert werden Quelle: Gerd Siegmund

SIP Server Proxy Server Redirect Server Server und Client zur Vermittlung von Sessions Verwaltet Zustände (states) oder wird zustandslos betrieben Redirect Server Nur Server Vermittelt Server-Adressen 1 2 1 4 2 3 Quelle: Gerd Siegmund

Verbindungsuafbau mit SIP SIP Transaktion SIP funktioniert wie HTTP (Web) oder SMTP (Mail) SIP ist ein textbasiertes Protocol wie HTTP Client schickt Service Requests und empfängt Service Responses Server empfängt Requests und verschickt Responses Eine SIP Transaktion besteht aus SIP Request (Anfrage) Ggf. Responses über Zwischenstände Response (Antwort) Transaktionen sind durchnumeriert (command sequence numbers, Cseq) Quelle: Gerd Siegmund

Universal Resource Locators (URL) SIP Adressen Universal Resource Locators (URL) Sind Namen, wie E-Mail Adressen (SMTP) Beispiele für SIP Addressen: sip:hans.muster@musterbau.de sip:hans.muster@10.1.1.1 sip:8972312345@musterbau.de Um die SIP Adresse in eine Netzadrese zu übersetzten, wird DNS (Domain Name Service) verwendet, sowie der Location Server Quelle: Gerd Siegmund

SIP Nachrichten (Messages) Request-Line Define transaction Status-Line generic message start line general-header Describe transaction message header request-header response-header entity-header CRLF CRLF Blank line message body message body SDP Exchange capabilities Quelle: Gerd Siegmund

Beispiel für eine SIP Nachricht Request/Status Zeile INVITE sip:watson@boston.bell-tel.com SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP kton.bell-tel.com From: A. Bell <sip:a.g.bell@bell-tel.com>;tag=3 To: T. Watson <sip:watson@bell-tel.com> Call-ID: 662606876@kton.bell-tel.com CSeq: 1 INVITE Contact: <sip:a.g.bell@kton.bell-tel.com> Subject: Mr. Watson, come here. Content-Type: application/sdp Content-Length: ... v=0 o=bell 53655765 2353687637 IN IP4 128.3.4.5 s=Mr. Watson, come here. t=3149328600 0 c=IN IP4 kton.bell-tel.com m=audio 3456 RTP/AVP 0 3 4 5 a=rtpmap:0 PCMU/8000 a=rtpmap:3 GSM/8000 a=rtpmap:4 G723/8000 a=rtpmap:5 DVI4/8000 Header Body Quelle: Gerd Siegmund

Jeder Request löst eine Server-Methode aus SIP definiert 6 Methoden SIP Requests Jeder Request löst eine Server-Methode aus SIP definiert 6 Methoden REGISTER registers with location service INVITE initiates call ACK confirms final response CANCEL cancels a pending request BYE for terminating sessions OPTIONS queries feature support by remote side Quelle: Gerd Siegmund

Wie HTTP Response Codes SIP Status Codes Wie HTTP Response Codes 1xx Informational ( e.g. 100 Trying, 180 Ringing ) 2xx Successful ( e.g 200 OK) 3xx Redirection ( e.g. 302 Moved Temporarily ) 4xx Request Failure ( e.g 404 Not Found, 482 Loop Detected ) 5xx Server Failure ( e.g 501 Not Implemented ) 6xx Global Failure ( 603 Decline ) Quelle: Gerd Siegmund

SIP mit Rufumleitung (Redirect) berlin.de cologne.de munich.de INVITE 1 Redirect Server 302 Move temporarily 2 ACK 3 alice@berlin.de bob@munich.de INVITE munich.de 4 100 Trying Proxy Server INVITE 5 6 180 Ringing 180 Ringing 8 7 200 OK 10 9 200 OK ACK 11 Media Session 12 BYE 13 200 OK 14 Quelle: Gerd Siegmund

SIP mit Verzweigung (Call Forking) berlin.de INVITE munich.de INVITE SIP enabled mobile phone 1 3 100 Trying 5 CANCEL 2 6 200 OK INVITE SIP enabled Organizer 3 alice@berlin.de Proxy Server INVITE 3 SIP Phone INVITE 3 4 200 OK SIP Client bob@munich.de ACK BYE 200 OK Media Session 8 7 9 10 Quelle: Gerd Siegmund

Session Description Protocol (SDP) SDP wird verwendet um die Medienformate zu spezifieren (Audio, Video, Codecs etc) Format: Parameter = Value SIP transportiert SDP im Message Body SDP ist ebenfalls textbasierend SDP ist specifiziert in RFC 2327 Quelle: Gerd Siegmund

SIP SDP SIP und SDP Internet IPv4 Zieladresse c=IN IP4 128.59.19.38 macrosoft.com INVITE sip:bob@macrosoft.com SIP/2.0 To: sip:bob@macrosoft.com From: sip:alice@wonderland.com Call-ID: 1234@a.wonderland.com Cseq: 1 INVITE Contact: alice@a.wonderland.com c=IN IP4 128.59.19.38 m=audio 5100 RTP/AVP 0 INVITE sip:bob@macrosoft.com SIP/2.0 To: sip:bob@macrosoft.com c=IN IP4 128.59.19.38 m=audio 5100 RTP/AVP 0 Internet IPv4 Zieladresse c=IN IP4 128.59.19.38 m=audio 5100 RTP/AVP 0 SDP Audio Port Transp.=RTP G.711 Quelle: Gerd Siegmund

Ein Beispiel SDP im SIP Message Body Protocol version number INVITE sip:watson@boston.bell-tel.com SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP kton.bell-tel.com From: A. Bell <sip:a.g.bell@bell-tel.com>;tag=3 To: T. Watson <sip:watson@bell-tel.com> Call-ID: 662606876@kton.bell-tel.com CSeq: 1 INVITE Contact: <sip:a.g.bell@kton.bell-tel.com> Subject: Mr. Watson, come here. Content-Type: application/sdp Content-Length: ... v=0 o=bell 53655765 2353687637 IN IP4 128.3.4.5 s=Mr. Watson, come here. t=3149328600 0 c=IN IP4 kton.bell-tel.com m=audio 3456 RTP/AVP 0 4 a=rtpmap:0 PCMU/8000 a=rtpmap:4 G723/8000 Protocol version number Owner/creator and session identifier Session name Time session starts and stops Connection information Media information Attributes Quelle: Gerd Siegmund

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Die Evolution der Programmierung Computer Program ... 1. Linear 3. Objekt- orientiert Computer Main Program Objekte 1. Method 2. Method 3. Method Im Netzwerk 4. Verteilte Objekt- orientiert Computer 1 Main Program 2 1. Method 2. Method 3. Method 2. Strukturiert Computer Main Program Funktionen, Prozeduren 1. Sub 2. Sub 3. Sub Quelle: Harald Orlamünder

Verteilte Programmierung LAN and WAN Internet Format: objektorientiert nicht objekt- orientiert In Sun‘s NFS: XDR eXternal Data Representation Microsoft-Way DCOM Distributed Component Object Model RPC Remote Procedure Call Zeit Based on: Transported via: SOAP Simple Object Access Protocol XML eXtended Markup Language HTTP, SMTP, ..... Unabhängig von Betriebssystem und Sprache Web- Service CORBA Common Object Request Broker Architecture IDL Interface Definition JAVA-Way RMI Remote Method Invocation Quelle: Harald Orlamünder

Interface and Implementation repositories CORBA Server Client IDL Skeleton IDL Stub Messages Application Objects Interface and Implementation repositories Client und Server mit unterschiedlichen Betriebssystemen und Sprachen Common Request Broker Architecture

CORBA im Detail

Rekonstruktion des Clients aus formaler Kontext-Definition Ein anderer Ansatz Rekonstruktion des Clients aus formaler Kontext-Definition Client System A Server System B Kontext Anfrage 1 Kontext-Definition Service Anfrage 3 2 Rekonstruktion der Service Anfrage (Client-Stub) aus der Kontext-Definition

Beispiel: Java Client aus Kontext Server Proxy- Objekt Server- Object Kontext Anfrage: get WSDL Service Aufruf (Service Invocation) 1 3 2 Rekonstruction des Client Proxy- Objekts aus WSDL (Kontext) durch ein Werkzeug (z.B. WSDL2Java) JRE xRE WS - Server Dynamic WSDL Server Objekt publizieren WSDL: Web Service Description Language JRE: Java Runtime Environment xRE: x-beliebige Laufzeitumgebung

Web-Service Komponenten Verzeichnis UDDI = „Broker“ Informationen über einen Dienst suchen SOAP find publish SOAP Informationen (Meta-Daten) über Dienstangebot publizieren Liefert Referenzen (Zeiger) für Dienste (vgl. “Gelbe Seiten” Web Service User = „Requester“ = „Provider“ Web Service Provider Dienstbeschreibung (Kontext)) WSDL application of a service SOAP bind Quelle: Harald Orlamünder

Dienstverzeichnis (UDDI) Dienst- beschreibung XML eXtended Markup Language WSDL Web Services Description Language Format transported over: HTTP, SMTP, ..... Based on: Dienst = Web-Service Dienst- verzeichnis UDDI Universal Description Discovery and Integration White Pages General information about the organisation offering the service Yellow Pages Information sorted by certain criteria UDDI liefert einen Zeiger (URL) auf die WSDL-Beschreibung des Dienstes Green Pages Methods and Parameters valid for the service Quelle: Harald Orlamünder

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Benutzerprofile und Geräteprofile Beschreiben Anwendungen und Anwendungsgebiete Benutzerprofil z.B. Mobilfunkkunde Nutzer und beanspruchte Dienste Geräteprofil dem Benutzerprofil assoziiert beschreibt Gerät, Hersteller, Hardware und Softwarestand Außerdem: Kennzeichnungssysteme Semantische Daten Metadaten: Ort, Zugriff, Dienstbeschreibung Nutzer Geräte Gerät HW FW SW

Erweitertes Referenzmodell Layer 9 Warum? Wozu? – Sinn, Zweck, Nutzen Philosophical Was? - Kennzeichnungssystem, Datenmodelle, Werkzeuge Layer 8 Semantics Application Layer 7 Telefonieren, VoIP, SMS, E-Mail, Web, … Presentation Session Layer 4 Transport Ende-zu-Ende Verbindung, Socket, … Adressraum, Paketzustellung, … Layer 3 Network Layer 2 Link Frames, Prüfsummen, … Layer 1 Physical Hardware, Modulation, …

Infrastruktur für neue Dienstangebote Identitäts-Manager Semantisches Modell (Domain Model) Meta-Information (Dienstverzeichnis, Dienstzugriff) Verzeichnisdienste Neue Netzinfrastruktur Nutzer und Geräte Neue Dienstangebote Service Geräte & Software (Hersteller, ASP) ASP: Application Service Provider (Cloud etc)

Rollen für Dienstleistungen Verteilung der Rollen Nutzer: verwendet Geräte und nimmt Dienstleistungen in Anspruch (Vertragspartner z.B. für Konfigurationsmanagement) Identity Provider: überprüft Identitäten (Ist dieses Gerät bei diesem Kunden eingetragen?, Ist dieser Servicetechniker authorisiert?, Passt diese Software auf das Gerät?, ...) Gerätehersteller bzw. ASP: Pflege von Softwareständen für Geräte und ggf. Remote Configuration bzw. Remote Updates Service: vertragliche Betreuung des Kunden und ggf. Leistungen vor Ort Benötigt werden ein gültiges Kennzeichnungssystem neue Netzinfrastruktur (Inventories, Authentisierung, Sicherheit).

Meta-Information und Semantik Wo findet sich was? Wie lassen sich Informationen abfragen? z.B. Web-Services (UDDI/Inventory und WSDL) Semantische Modelle: Information wird sichtbar (vorher in Anwendungen eingeschlossen) Wer benutzt Information? Was wird benötigt? Wie wird Information benutzt? Welche Begriffe werden verwendet? Ermöglicht Design zusammen mit dem Kunden Welche Datenbestände werden verwendet und wie kombiniert? Wie werden Ergebnisse abgelegt und dargestellt?

Nutzen eines Referenz-Datenmodells Anwendung 1 Referenz- Datenmodell Gerät 1 Editor Netzwerk nach Industriestandard bzw. herstellerspezifisch Gerät 2 Anwendung 2 Geräte mit Daten nach Referenzmodell

Schematransformation Gerätespezifische Modelle werden auf das Referenzschema abgebildet Referenz- Datenmodell gerätespezifisches Datenmodell Design-Tool Schema für die Transformation

Beispiel Datenmodelle und Schema-Transformationen flexibel anpassen Regeln zur Konvertierung der Datenmodelle internes dynamisches Datanmodell Data Handler Design Tool Semantic Engine Data Base Servers Protocol Handler Referenz Datenmodell CORBA WS, SOAP LDAP other Protokolle Protokolldaten GUI OSS HLR MMS Video mail … Administration Anwendungen

Technik der digitalen Netze ENDE Teil 6 – Protokolle und Datenmodelle