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ComputernetzeSommersemester 2005
Prof. Dr. Thomas Wieland
Datennetze/Computernetze und Internet, Sommerrsemester 2005© Landes/Wieland, FH Coburg, FB Elektrotechnik / Informatik. Alle Rechte vorbehalten.
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OrganisatorischesAblauf
2 h Vorlesung pro Woche2 h Übung (Besprechung der Übungsaufgaben)Evtl. 4 h Praktikum statt Übung
In zwei Gruppen, jeweils 14-tägig
Jede Woche ein ÜbungsblattBewertung
Jede(r) muss zwei Übungsaufgaben vorrechnen/vorstellen, um zur Klausur zugelassen zu werden
Auswahl auf Freiwilligenbasis, sofern MeldungenAbschließende Note durch Klausur
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Datennetze/Computernetze und Internet, Sommerrsemester 2005© Landes/Wieland, FH Coburg, FB Elektrotechnik / Informatik. Alle Rechte vorbehalten.
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Literatur zur VorlesungL. Peterson, B. Davie: Computernetze. dpunkt.verlag, Heidelberg, 2004
www.dpunkt.de/lehrbuch/netzeJ. Kurose, K. Ross: Computernetze. Pearson Education, 2002
www.pearson-studium.deA. Tanenbaum: Computer-Netzwerke. 3. Aufl., Pearson Education, 1999 Viele, viele Internet-Sites
Seite zur Veranstaltung: http://www.fh-
coburg.de/4383.2.html
Einführung
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Verteilte Systeme als neues Paradigma
bis Mitte der achtziger Jahre zentralisierte Systemeein HauptrechnerVielzahl einfacher ASCII-Terminals (einfarbig)
http://www.columbia.edu/acis/history/carman.jpg
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Intelligente RechnerJeder Benutzer hat selbstständigen Rechner mit eigener Intelligenz (CPU)Geeignete Verbindung dieser Rechner ermöglicht
gemeinsame Nutzung von RessourcenDatenGeräteProgramme
Erhöhung der VerfügbarkeitInformationsaustausch zwischen Rechnerbenutzernbesseres Preis/Leistungsverhältnis
Vergleich Großrechner / (leistungs-fähiger) Mikroprozessor:
Leistung: 10 zu1Preis: 1000 zu 1
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Verteilte SystemeGrundlegende Voraussetzungen:
kostengünstige und leistungsfähige Prozessoren (-> PCs)schnelle Kommunikation über Hochleistungsnetze
Verteilte SystemeAnsammlung unabhängiger Rechner, die dem Benutzer als Einzelcomputer erscheinen (nach Tanenbaum)System, das nicht funktioniert, weil irgendein Rechner ausgefallen ist, von dem man bisher keine Ahnung hatte, dass es ihn gibt und wofür er gebraucht wird (nach Lamport)
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Wachstum des Internet
http://www.navigators.com/statall.gif
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Kommerzialisierung des Internet
http://www.navigators.com/statdom.gif
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Die Informationsgesellschaft
0100000200000300000400000500000600000700000800000900000
1998 1999 2000 2001 2004 2005(geschätzt)
Arbeitsplätze in der IuK-Branche in Deutschland
Quelle: http://www.bmwi.de/Homepage/download/infogesellschaft/Fortschrittsbericht.pdf
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Die Informations-gesellschaft (2)
Quelle: http://www.bmwi.de/Homepage/download/infogesellschaft/Fortschrittsbericht.pdf
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GB JPN I E F FIN A USA DK B D S
DSL-Anschlüsse je 1000 Einwohner im Jahr 2001
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Die Informations-gesellschaft (3)
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1.000.000
2.000.000
3.000.000
4.000.000
5.000.000
6.000.000
7.000.000
2000 2001 2002 2003 2004
DSL-Anschlüsse in Deutschland
DTAG Wettbewerber
Quelle: RegTP
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Die Informations-gesellschaft (4)
Internet-Nutzer ab 14 Jahren in Millionen in Deutschland 1998-2004
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10152025303540
Dez98
Jun 99 Dez99
Jun 00 Dez00
Jun 01 Dez01
Dez03
Dez05
Quelle: BMWA, ARD
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Begriffsdefinitionen
Datennetz
Verbindung mehrerer voneinander unabhängiger Datenstationen (→ DIN 44302)
Datennetz
Verbindung mehrerer voneinander unabhängiger Datenstationen (→ DIN 44302)
Rechnernetz
Verbund voneinander unabhängiger, geographisch verteilter Rechner
Rechnernetz
Verbund voneinander unabhängiger, geographisch verteilter Rechner
Verteiltes SystemRechnernetz, das dem Benutzer wie ein Einzelrechner erscheint
Verteiltes SystemRechnernetz, das dem Benutzer wie ein Einzelrechner erscheint
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Fragestellungen
Wie lässt sich dieKommunikation zwischenRechnersystemen kon-zeptuell beschreiben?
Wie lässt sich dieKommunikation zwischenRechnersystemen kon-zeptuell beschreiben?
Welche Aufgaben müssendabei bewältigt werden?
Welche Aufgaben müssendabei bewältigt werden?
Welche Lösungengibt‘s dafür?
Welche Lösungengibt‘s dafür?
Protokolle spielenzentrale Rolle
Protokolle spielenzentrale Rolle
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ProtokollKommunikationsregeln zwischen System(komponent)en
Systeme im Wesentlichen gleichberechtigtgleiche bzw. spiegelbildliche Aufgabe
⇒ horizontale BeziehungDefinition der ausgetauschten Nachrichten
syntaktischer AufbauBedeutung
Festlegung der Realisierung der Operationen, die zur Abwicklung der Kommunikation erforderlich sind
Kapselung, d.h. interne Realisierung transparent für Nutzer der Operationen (damit bessere Änderbarkeit)
Kapselung, d.h. interne Realisierung transparent für Nutzer der Operationen (damit bessere Änderbarkeit)
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Weitere DefinitionenProtokollstapel (protocol stack)Aufbau komplexer Protokolle aus Schichten „einfacherer“ Protokolle
Dienst (service)Funktionen, die Protokollschicht i-1 für unmittelbar übergeordnete Schicht i anbietet
Dienstzugriffspunkt (SAP, service access point)Schnittstelle, über die Schicht i Dienste der unmittelbar untergeordneten Schicht i-1 anfordern kann
eindeutig über ID ansprechbar
Analogien:Telefonsystem: Vorwahl+Rufnummer bildet ID für „SAP“ AnschlussdosePost: Ort+Straße+Hausnummer bildet ID für „SAP“ Haus
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Vorlesungsinhalte (1)1. Grundlagen
NetztopologienAnforderungen an ein Netz ISO/OSI-Referenzmodell für offene Systeme
ArchitekturAufgaben und Dienste der SchichtenISO/OSI und TCP/IP
Bandbreite und Performance
2. AnwendungsschichtInternet-AnwendungenProtokolle der AnwendungsschichtSOAP als Beispiel für ein RPC-Protokoll
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Vorlesungsinhalte (2)3. Transportschicht
Struktur von TCP/IPEinfache IP-ProtokolleSender/Empfänger-KoordinationTransmission Control Protocol (TCP)Überlastkontrolle
4. Vermittlungsschicht und RoutingDienstmodelle im NetzRouting-VerfahrenHierarchisches Routing und SubnetzbildungDas Internet-Protokoll IPAdressierung im InternetIP-Protokoll Version 6
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Vorlesungsinhalte (3)5. Sicherungsschicht
RahmenbildungFehlererkennung und Fehlerkorrektur Lokale NetzeEthernetVerbindungselementeLAN-Switches (Bridges)Zellenvermittlung (ATM)
6. Multimedia-AnwendungenReal-time Transport ProtokollSession Control und Call Control (H.323) Session Initiation Protocol (SIP)
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Übersicht Teil 11.1 Einführung1.2 Netztopologien1.3 Anforderungen an ein Netz 1.4 ISO/OSI-Referenzmodell1.5 ISO/OSI und TCP/IP1.6 Bandbreite und Performance
1.2 Netztopologien
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KomponentenEndsystem
• mit der Abwicklung von Anwendungs-programmen befasster Rechner
• im engeren Sinn Sender bzw. Em-pfänger von Nachrichten
Endsystem• mit der Abwicklung von Anwendungs-
programmen befasster Rechner• im engeren Sinn Sender bzw. Em-
pfänger von Nachrichten
Transitsystem• Rechner zur Abwick-
lung von Kommunika-tionsaufgaben
• im Wesentlichen Weiterreichen von Nachrichten
Transitsystem• Rechner zur Abwick-
lung von Kommunika-tionsaufgaben
• im Wesentlichen Weiterreichen von Nachrichten
Übertragungsmedium• Verbindung zwischen End- und
Transitsystemen
Übertragungsmedium• Verbindung zwischen End- und
Transitsystemen
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Vermittelte Netze
Zwei oder mehr Knoten, die durch einen Link verbunden sind, oder
Zwei oder mehr Netze, die durch zwei oder mehrKnoten verbunden sind
Ein Netz kann rekursiv definiert werden als ...
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Bus
Mit Terminierung (50 Ω)
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Ring
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Stern
HUB
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Stern-Stern
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Stern-Bus
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Baum
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Maschennetz
1.3 Anforderungen an ein Netz
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ZuverlässigkeitNetz und seine Dienste sollen 99,9.. % verfügbar seinDaher: Maßnahmen zur Erhöhung der ZuverlässigkeitHardware
Stromversorgung (Unterbrechungsfreie Stromversorgung)Ausfallsichere Hardware für Netzserver (z.B. mit ausreichender Kühlung)Mehrere, redundante Verbindungen innerhalb des Netzes (z.B. durch Ringform)
SoftwareSpezialisiertes und optimiertes Betriebssystem für Hochlastnetzverteiler (Router, Switches)Stabile und fehlertolerante Systeme bei StandardhardwareStabile Anwendersoftware, aufeinander abgestimmt
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Was geht schief im Netz?Ursachen
Fehler auf Bitebene (elektrische Interferenzen)Fehler auf Paketebene (Überlast)Verbindungs- und Knotenausfälle
FolgenNachrichten werden verzögert zugestelltNachrichten werden in falscher Chronologie zugestelltDritte können mithören!
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SkalierbarkeitNetz muss leicht an geänderte Bedingungen anpassbar sein
Zusätzliche Teilnehmer (Knoten)Weniger Teilnehmermehr Netzlast
Neue Anwendungen, z.B. Video-ÜbertragungGestiegene Nutzungsfrequenz
Veränderte Hardware Schnellere oder zusätzliche ProzessorenLeitungen mit höherer Bandbreite
Erforderlich: Skalierbarkeit auf allen EbenenLeitungen und ÜbertragungskapazitätenBetriebssysteme der NetzkomponentenServersoftware
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SicherheitStandort der Server sicher vor Brand/Wasserschäden, Sabotage etc.Regelmäßige Datensicherungen der Server, sichere Verwahrung der Backup-Datenträgerverteilte Datenhaltung (z. B. Raid Systeme)Informationssicherheit
Authentisierung (Sicherstellen der Identität eines Teilnehmers/Knotens)
Abfrage von Kennwörtern, Überprüfung der Hardware-IdentitätAuthorisierung (Rechte der Teilnehmer für Zugriff auf Ressourcen im Netz)Verschlüsselung vertraulicher Daten
Z.B. verschlüsselte Übertragung von KennwörternSicherstellung der unveränderten Übertragung von Daten
Zugang von außen geschützt durch eine FirewallProxy-Server für das Surfen im Netz
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GeschwindigkeitEffektiver Datendurchsatz wird durch Latenz und Bandbreite der einzelnen Verbindungselemente bestimmt
=> alle Elemente müssen aufeinander abgestimmt sein:
Anwendersoftware Worksstations am Arbeitsplatz Netzwerkkarte Verkabelung Transitstationen (Switches, Router, Gateways, Firewalls, Proxies)
1.4 ISO/OSI-Referenzmodell
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SchichtenbildungVerwende Abstraktionen, um die Komplexität zu verbergenAbstraktion führt natürlicherweisezu SchichtenbildungVerschiedene Abstraktionen in jederSchicht
Anfrage/Antwort-Kanal
Nachrichtenstrom-Kanal
Anwendungsprogramme
Hardware
Verbindung zwischen Hosts
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ISO/OSI-ReferenzmodellZielsetzung
Rahmen für die Standardisierung von Kommunikationsprotokollen bezüglich ihres Verhaltens nach außen
ISO = International Standardization OrganizationSchaffung der Grundlage für offene Systeme:
OSI = Open Systems Interconnection
Offenes System:Systeme, die darauf angelegt sind, mit anderen Systemen zu kommunizierenBasis ist die Erfüllung von Standards für den DatenaustauschKompatibilität unterschiedlicher und heterogener Systeme miteinander
Geschlossenes System:proprietäre Kommunikationsmechanismeninkompatibel mit anderen Systemen
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EntwurfsprinzipienReduzierung der Komplexität durch Definition einer Schichtenhierarchie
unterschiedliche Abstraktionsebenen der Schichtengenau definierte Funktion jeder Schichtgegenseitige Nutzung von Funktionen nur zwischen benachbarten Schichten
sinnvolle Balance zwischen Trennung unterschiedlicher Funktionenund Handhabbarkeit der Architekturminimaler Informationsfluss zwischen benachbarten SchichtenKompatibilität mit international genormten Protokollen bei Definition von Funktionen
Hierarchie aus 7 SchichtenHierarchie aus 7 Schichten
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Aufgaben der Anwendungsschicht (Schicht 7)
englische Bezeichnung: Application Layerspezifischer Anwendungsprotokolle für häufig benötigte Dienste, z.B.
Dateitransfer (ftp)Nutzung entfernter Rechner (telnet, rlogin)E-Mail (smtp, X.400)Verzeichnis- und Namensdienste (DNS, X.500)Elektronischer Datenaustausch (EDI)Informationsdienste (http)
Identifikation und Lokalisierung von Kommunikationspartnern, Authentisierung
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Aufgaben der Darstellungsschicht(Schicht 6)
englische Bezeichnung: Presentation Layergemeinsames Datenformat
Zahlenformate (Byte-Ordnung), StringdarstellungUmwandlung von lokaler in Transfersyntax (z.B. Abstract Syntax Notation (ASN.1) oder External Data Representation(XDR)) und umgekehrt
Datenverschlüsselung und -kompression
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Aufgaben der Sitzungsschicht(Schicht 5)
englische Bezeichnung: Session LayerDialogsteuerung während der Sitzung
Halb- oder VollduplexbetriebTransaktionskontrolle
Einstreuen von SynchronisationspunktenWiederaufsetzen auf dem letzten gültigen Synchronisationspunkt im Fehlerfall
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Aufgaben der Transportschicht (Schicht 4)
englische Bezeichnung: Transport LayerEnde zu Ende-Kommunikation
Kommunikation zwischen Quelle und ZielAufbau und Trennung von Verbindungen, FlusssteuerungUnabhängigkeit von beteiligten Subnetzen, deren Qualität und deren verwendeter Technologie
Mechanismen zur Steigerung des Durchsatzesggf. Aufbau mehrerer Verbindungen und parallele Nutzungüberlappende Nutzung einer Verbindung (Multiplexing)
Dienstgüte und -artVerhandlung zwischen beteiligten Parteien z.B. über
Umfang der FehlerbehandlungForm der Verbindungsnutzung (Punkt-zu-Punkt, Broadcast ...)
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Aufgaben der Vermittlungsschicht (Schicht 3)
englische Bezeichnung: Network LayerSteuerung des Subnetzes
Leitwegbestimmung für zu übermittelnde Paketestatische oder dynamische Festlegung der zu verwendenden Route
ÜberlastungssteuerungVermeidung bzw. Auflösung von Engpässen bei hohem Verkehrsaufkommen
Anpassung von Paketformaten und AdressierungsschemataUmsetzung beim Übergang zwischen heterogenen Netzen
vor allem wichtig im InternetSegmentierung von Paketen in Rahmen (senderseitig) bzw. Zusammenfügen von Rahmen zu Paketen (empfangsseitig)Abrechnungsfunktion
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Aufgaben der Sicherungsschicht (Schicht 2)
englische Bezeichnung: Data Link LayerStrukturierung des Bitstroms
Zerlegung des Bitstroms in Blöcke (Rahmen) fester oder variablerLängeKennzeichnung der Rahmengrenzen, z.B. durch Sondersymbole
Gesicherte Übertragung von DatenAustausch von Daten- und zugehörigen QuittungsrahmenFlusssteuerung zur Vermeidung von Datenüberflutung und -verlustFehlererkennung und -behebung
Kanalzugriffsregelungkonkurrierender oder gesteuerter Kanalzugriff
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Aufgaben der Bitübertragungsschicht (Schicht 1)
englische Bezeichnung: Physical LayerÜbertragung eines „rohen“ Bitstroms
über Kommunikationskanal, der zwei beteiligte Partnerinstanzen physisch miteinander verbindetungesicherte reihenfolgeerhaltende Datenübertragung
FestlegungenBetriebsart (Übertragungsrichtung, Parallelität, Synchronisation)Darstellungsform der Elementarinformation (Signalcodierung, Modulationsart, Trägerfrequenz)Übertragungsmedium (elektrische Spannung über Kabel, Lichtimpulse über Lichtwellenleiter, elektromagnetische Strahlung per Radio oder Mikrowellenübertragung)
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Gruppierung der SchichtenHäufig Unterscheidung zwischen
netzwerk-orientierten Schichten (Schicht 1 bis 4) undanwendungs-orientierten Schichten (Schicht 5 bis 7)
beziehungsweise zwischenTransitschichten (Schicht 1 bis 3)
sowohl in Transit- als auch Endsystemen erforderlichEndsystemschichten (Schicht 4 bis 7)
nur in Endsystemen erforderlich, nicht in Transitsystemen
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Übertragung im OSI-ModellDaten
DatenH7
DatenH6
DatenH5
DatenH4
DatenH3
DatenH2 T2
BitstromBitübertragungs-schicht
Anwendungs-schicht
Transport-schicht
Sitzungs-schicht
Darstellungs-schicht
Sicherungs-schicht
Vermittlungs-schicht
Bitübertragungs-schicht
Anwendungs-schicht
Transport-schicht
Sitzungs-schicht
Darstellungs-schicht
Sicherungs-schicht
Vermittlungs-schicht
SENDER EMPFÄNGER
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Prinzipielle Struktur einer OSI-Nachricht
Nutzdaten
Header Schicht 7
Header Schicht 6
Trailer Schicht 2
Header Schicht 4
Header Schicht 2
Header Schicht 3
Header Schicht 5
1.5 ISO/OSI und TCP/IP
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Internet-ArchitekturDefiniert von der Internet Engineering Task Force (IETF)"Doppelkegel"-DesignAnwendung vs. Anwendungsprotokoll (FTP, HTTP)
…
FTP HTTP NV TFTP
TCP UDP
IP
NET1 NET2 NETn
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Beziehung der Schichten
Application LayerApplication Layer
Host-to-HostTransport LayerHost-to-Host
Transport Layer
Internet LayerInternet Layer
Network Access Layer
Network Access Layer
AnwendungsschichtAnwendungsschicht
DarstellungsschichtDarstellungsschicht
SitzungsschichtSitzungsschicht
TransportschichtTransportschicht
VermittlungsschichtVermittlungsschicht
SicherungsschichtSicherungsschicht
BitübertragungsschichtBitübertragungsschicht
TCP/
IP
ISO
/OSI
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Gemeinsamkeiten und Unterschiede (1)
Modellarchitekturgemeinsamer Grundgedanke: Stapel unabhängiger ProtokolleISO/OSI-Modell
Ungleichgewicht der SchichtenSitzungs- und Darstellungsschicht kaum genutztVermittlungs- und Sicherungsschicht überladen
Adressierung, Flusssteuerung und Fehlerkontrolle über mehrere Schichten ver-teiltDatensicherheit und Verschlüsselung nicht berücksichtigt
TCP/IP-ModellVermischung von Sicherungs- und Bitübertragungsschicht
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Gemeinsamkeiten und Unterschiede (2)
Grundmodell und ProtokolleISO/OSI-Modell zunächst auf konzeptueller Ebene entwickelt, dann durch Protokolle unterlegt
Definition von Zwischenschichten aufgrund von Erkenntnissen bei Entwicklung/ Einsatz von Protokollen
Erweiterungen des ModellsModell schwierig zu implementieren
z.T. komplexe und unhandliche ProtokolleTCP/IP-Modell durch Abstraktion vorhandener Protokolle entstanden
TCP/IP-Modell passt nur zu TCP/IPkeine allgemeine theoretisch fundierte Architektureffiziente Implementierungen, z.B. in BSD UNIX
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Gemeinsamkeiten und Unterschiede (3)
GrundkonzepteISO/OSI-Modell
konzeptuelle Unterscheidung zwischenDiensten: Leistungsangebot für andere SchichtenSchnittstellen: Beschreibung der Zugriffsmöglichkeiten aufLeistungsangeboteProtokollen: Implementierung bestimmter Dienste
TCP/IP-Modellkeine klare Unterscheidung zwischen Diensten, Schnittstellen und Protokollen
⇒ Protokolle im ISO/OSI-Modell leichter austauschbar
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Gemeinsamkeiten und Unterschiede (4)
KommunikationsartenISO/OSI-Modell
ursprünglich stark auf verbindungsorientierte Dienste und Protokolle ausgerichtetverbindungslose Dienste und Protokolle erst im Nachhinein berücksichtigtauf Vermittlungsschicht verbindungsorientierte und verbindungslose Kommuni-kationauf Transportschicht nur verbindungsorientierte Kommunikation
TCP/IP-Modellauf Vermittlungs- (Internet-)schicht nur verbindungslose Kommunikationauf Transportschicht verbindungsorientierte und verbindungslose Kommunikation
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1.6 Bandbreite und Performance
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Performance-MetrikBandbreite (Datendurchsatz)
Pro Zeiteinheit übermittelte DatenmengeÜber eine Verbindung oder Ende-zu-EndeNotation:
KB = 210 bytesMbps = 106 bits per second
Latenz (Verzögerung)Zeit, um eine Nachricht von A nach B zu sendenUnidirektional oder "round-trip time" (RTT)Bestandteile
Latenz = Ausbreitungsverzögerung + Übertragungsverzögerung + WartezeitAusbreitungsverzögerung = Entfernung/LichtgeschwindigkeitÜbertragungsverzögerung = Paketgröße/ Bandbreite
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Bandbreite gegenüber LatenzRelative Bedeutung
1-byte: Latenz dominiert, 1ms statt 100ms bringt mehr als100Mbps Bandbreite statt 1Mbps25MB: Bandbreite dominiert, 100Mbps statt 1Mbps bringt mehrals 1ms Latenz statt 100ms
Roundtrip-Zeit überwiegtDurchsatz = TransferGröße / TransferZeitTransferZeit = RTT + 1/Bandbreite x TransferGrößeUnendliche Bandbreite: Transferzeit -> RTT
Eine 1-MB Datei über eine 1-Gbps-Verbindung verhält sichwie ein 1-kB Paket über eine 1-Mbps-Verbindung
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Produkt aus Verzögerung x Bandbreite
Datenmenge, die gerade “unterwegs” oder “in derPipeline” istBeispiel: 100ms x 45Mbps = 560KB
Bandbreite
Verzögerung
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AufgabeBerechnen Sie die Latenz (vom ersten gesendeten bis zum letzten empfangenen Bit) für ein 10 MBit/s-Ethernet mit drei Speichervermittlern (Store-and-Forward-Switche) auf der Strecke und einer Paketgröße von 5.000 Bit. Gehen Sie davon aus, dass jede Verbindungsleitung eine Ausbreitungs-verzögerung von 10 µs einführt und dass jeder Switchsofort, nachdem er ein Paket vollständig empfangen hat, mit der erneuten Übertragung beginnt.