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InhaltWahlmodul Netzwerke
1) Einführung2) Anwendungsschicht3) Transportprotokolle4) Netzwerkschicht5) Sicherungsschicht und LAN6) Bitübertragungsschicht7) Weiteres: Internet of Things, WLAN
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Kapitel 1Literatur
Computernetzwerke.Der Top-Down-Ansatz ,4. Ausgabe. Jim Kurose, Keith Ross, Pearson, Juli 2008.
Computernetze.Jürgen Scherff, Vieweg, 2006
Computernetze.Peterson, Davie. Dpunkt.lehrbuch, 2007
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Kapitel 1: Orientierung
1.1 Geschichte der Computernetzwerke
1.2 Was ist das Internet?
1.3 Randbereich des Netzwerkes
Endsysteme, Zugangsnetzwerke, Leitungen
1.4 Inneres des Netzwerkes
Leitungs- und Paketvermittlung, Netzwerkstruktur
1.5 Verzögerung, Verlust und Durchsatz in
paketvermittelten Netzwerken
1.6 Protokollschichten, Dienste
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Geschichte des Internets
• 1961: Kleinrock –
Warteschlangentheorie
zeigt die Effizienz der
Paketvermittlung
• 1964: Baran –
Paketvermittlung in
Militärnetzen
• 1967: ARPAnet von der
Advanced Research
Projects Agency geplant
• 1969: erster ARPAnet-
Knoten in Betrieb
• 1972:
– ARPAnet, öffentliche Vorführung
– NCP (Network Control Protocol),
erstes Protokoll zwischen Hosts
– Erstes E-Mail-Programm
– ARPAnet hat 15 Knoten
1961–1972: Paketvermittlung
http://www.michaelkaul.de/Geschichte/zakon/zakon.html
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Geschichte des Internets
Quelle: Salus 1995
Arpanet Dezember 1970
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• Das erste Datenpaket versucht im Oktober Charley Kline von UCLA nach SRI zu senden.
• Der erste totale Systemabsturz folgte, als er den Buchstaben G im Wort LOGIN eingab.
• Hier das originale, handschriftliche Protokoll vom 29.10.1969 :
Geschichte des Internets
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Geschichte des Internets
• 1970: ALOHAnet
Satellitennetzwerk auf Hawaii
• 1974: Cerf und Kahn –
Architektur für die Verbindung
von Netzwerken
• 1976: Ethernet: Xerox PARC
• Späte 1970er: proprietäre
Architekturen: DECnet, SNA,
XNA
• Späte 1970er: Pakete fester
Größe (später ATM)
• 1979: ARPAnet hat 200 Knoten
Cerf und Kahn: Prinzipien für die Verbindung von Netzen
– Minimalismus, Autonomie –keine internen Änderungen an den einzelnen Netzwerken
– Best-Effort-Dienst – keine Garantien
– Kein (Verbindungs-) Zustand in den Routern
– Dezentrale Kontrolle
Definition der aktuellen Internetarchitektur
1972–1980: Netzwerk von Netzwerken
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Geschichte des Internets
Quelle: Wikipedia
Arpanet Dezember 1970
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Geschichte des Internets
• 1983: Einführung von
TCP/IP
• 1982: Definition des SMTP-
E-Mail-Protokolls
• 1983: Definition von DNS zur
Übersetzung von Namen auf
IP-Adressen
• 1985: Definition von ftp
• 1988: Überlastkontrolle in
TCP
1980–1990: NeueProtokolle
• Anfang 1990er Jahre: ARPAnetwird eingestellt
• 1991: NSF hebt die Einschränkungen bezüglich der kommerziellen Nutzung des NSFnet auf
• Anfang 1990er Jahre: Web
– Hypertext [Bush 1945, Nelson 1960er]
– HTML, HTTP: Berners-Lee
– 1994: Mosaic, später Netscape
– Späte 1990er Jahre: Kommerzialisierung des Web
1990-200x: Kommerzialisierung
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Gesch
ichte
des Inte
rnets
Anzahl der Internetnutzer weltweit in den
Jahren 1997 bis 2014 sowie eine Schätzung
für die Jahre 2015 und 2016 (in Millionen)
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Geschichte des Internets
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Kapitel 1: Orientierung
1.1 Geschichte der Computernetzwerke
1.2 Was ist das Internet?
1.3 Randbereich des Netzwerkes
Endsysteme, Zugangsnetzwerke, Leitungen
1.4 Inneres des Netzwerkes
Leitungs- und Paketvermittlung, Netzwerkstruktur
1.5 Verzögerung, Verlust und Durchsatz in
paketvermittelten Netzwerken
1.6 Protokollschichten, Dienste
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Was ist das Internet: die Grundlagen
• Millionen vernetzter
Computer:
Hosts = Endsysteme
– Auf denen
Netzwerkanwendungen
laufen
Router
PC
Server
Laptop
Smart-phone
Leitungen
Access Points
Leitungen/Funkstrecken(links)
Glasfaser, Kupfer, Funk, Satellit
Übertragungsrate = Bandbreite
Router: leiten Datenpakete (Einheiten von Daten) weiter
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„Coole“ Endsysteme und
Anwendungen
Mini Webserver:
http://www-ccs.cs.umass.edu/~shri/iPic.html
IP picture frame
http://www.ceiva.com/
Internetbasierter Toaster +
Wettervorhersager
Hausautomation
WLAN
Internet of Things
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Kapitel 1: Orientierung
1.1 Geschichte der Computernetzwerke
1.2 Was ist das Internet?
1.3 Randbereich des Netzwerkes
Endsysteme, Zugangsnetzwerke, Leitungen
1.4 Inneres des Netzwerkes
Leitungs- und Paketvermittlung,
Netzwerkstruktur
1.5 Verzögerung, Verlust und Durchsatz in
paketvermittelten Netzwerken
1.6 Protokollschichten, Dienste
1.7 Angriff auf Netzwerke: Sicherheit
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Die Struktur eines Netzwerkes:
• Randbereich:Anwendungen und
Endsysteme
• Zugangsnetzwerke, physikalische Medien:Kabel und drahtloseVerbindungen
• Inneres des Netzwerkes: Router
Netzwerke von Netzwerken
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Der Randbereich des Netzwerkes:
zuverlässige Datenübertragung
Ziel: Datentransfer zwischen
Endsystemen
• Handshaking: die
Datenübertragung wird
vorbereitet
– Hallo? Hallo! Protokoll zwischen
Menschen
– Es wird ein Zustand in den
miteinander kommunizie-renden
Hosts erzeugt
– TCP – Transmission Control
Protocol
– Der zuverlässige Datentransport
im Internet
TCP-Dienste [RFC 793]
• Zuverlässige,
reihenfolgeerhaltende
Übertragung eines Bytestroms:
– Behandlung von Verlusten:
Bestätigungen und
Übertragungswiederholungen
• Flusskontrolle:
– Ein schneller Sender wird einen
langsamen Empfänger nicht
überfordern
• Überlastkontrolle:
– Sender werden gebremst, wenn
das Netzwerk überlastet ist
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Zugangsnetzwerke und physikalische
Medien
Frage: Wie werden Endsysteme an
das Netzwerk angebunden?
• Anbindung von Privathaushalten
• Anbindung von Institutionen
• Mobile Anbindung
Wichtige Eigenschaften:
• Bandbreite (Bits pro Sekunde) der
Anbindung
• Geteilte oder exklusive Nutzung der
Anbindung
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Drahtlose Zugangsnetzwerke
• Drahtlose Zugangsnetzwerke
verbinden Endsysteme mit einem
Router
– Über eine Basisstation (auch „Access
Point“)
• Wireless LANs:
– 802.11b/g (WiFi): 11/54 Mbit/s
• Drahtlose Weitverkehrsnetze
– Durch Serviceprovider (z.B. T-Mobile,
O2, E-plus etc.) bereitgestellt
– ~1 Mbit/s in zellulären Systemen
(EVDO, HSDPA)
– In Zukunft (?): WiMAX (mehrere 10
Mbit/s) im Weitverkehrsbereich
BaseStation
MobileEndgeräte
Router
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Heimnetzwerke
Typische Bestandteile eines
Heimnetzwerkes:
• DSL- oder Kabelmodem
• Router/Firewall/NAT
• Ethernet
• Basisstation
Basisstation/Access Point
MobileEndgeräte
Router/Firewall
Kabel-modem
Ethernet
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Kapitel 1: Orientierung
1.1 Geschichte der Computernetzwerke
1.2 Was ist das Internet?
1.3 Randbereich des Netzwerkes
Endsysteme, Zugangsnetzwerke, Leitungen
1.4 Inneres des Netzwerkes
Leitungs- und Paketvermittlung, Netzwerkstruktur
1.5 Verzögerung, Verlust und Durchsatz in
paketvermittelten Netzwerken
1.6 Protokollschichten, Dienste
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Das Innere des Netzwerkes
• Viele, untereinander
verbundene Router
• Übertragung der Daten:
– Leitungsvermittlung
– Paketvermittlung
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Leitungsvermittlung
Ende-zu-Ende-Ressourcen werden für einen Ruf reserviert
• Bandbreite auf Leitungen, Kapazität in Routern
• Dedizierte Ressourcen: keine gemeinsame Nutzung
• Garantierte Dienstgüte wie beim “Durchschalten” einer physikalischen Verbindung
• Vor dem Austausch von Daten müssen die notwendigen Ressourcen reserviert werden
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Ein Beispiel
• Wie lange dauert es, eine Datei mit
640.000 Bit von A nach B über ein
leitungsvermitteltes Netzwerk zu
übertragen?
– Alle Leitungen haben eine Bandbreite von
1.536 Mbit/s
– Alle Leitungen nutzen TDM mit 24
Zeitschlitzen/Sekunde
– 500 ms werden benötigt, um die Ende-zu-
Ende-Leitung zu schalten
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Paketvermittlung
Jeder Ende-zu-Ende-Datenstrom
wird in Pakete aufgeteilt
• Die Pakete aller Nutzer teilen sich
die Netzwerkressourcen
• Jedes Paket nutzt die volle
Bandbreite der Leitung
• Ressourcen werden nach Bedarf
verwendet
Wettbewerb um Ressourcen:
Die Nachfrage nach Ressourcen kann das Angebot übersteigen
Wie wird Überlast geregelt?
Was bedeutet Store and Forward?Aufteilung der Bandbreite in
Einheiten
Dedizierte Zuweisung
Reservierung von Ressourcen
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Struktur des Internets:
Netzwerk von Netzwerken
• Grob hierarchisch
• Im Zentrum: “Tier-1” Internet Service Providers (ISPs)
(Beispiele: Verizon, SprintLink, AT&T, Level 3)
– Behandeln sich als gleichberechtigte Partner
– Sind vollständig miteinander verbunden
Tier-1 ISP
Tier-1 ISP
Tier-1 ISP
Tier-1 ISPs sind miteinander verbunden (peering)
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Tier-1 ISP: Beispiel Sprint
…
Verbindung zu Kunden
Peering
Verbindung zum
Backbone
…
.
………
POP: point-of-presence
![Page 28: Inhalt Wahlmodul Netzwerke - dodo.fb06.fh-muenchen.dedodo.fb06.fh-muenchen.de/parzhuber/Netzwerke/Vorlesung/Netzwer… · Kapitel 1 Literatur Computernetzwerke. Der Top-Down-Ansatz](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090608/605e45412a8bdb4f7873ccc4/html5/thumbnails/28.jpg)
Tier-1 ISP: Liste
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Struktur des Internets• “Tier-2” ISPs: kleinere, oft nationale oder regionale ISPs
– Sind mit einem oder mehreren Tier-1 ISPs verbunden, oft auch mit anderen Tier-2 ISPs
– Streng genommen wäre die deutsche Telekom z.B. ein Tier-2 ISP, aufgrund ihrer Größe und lokalen Bedeutung wird sie häufig als Tier-1 ISP behandelt
Tier-1 ISP
Tier-1 ISP
Tier-1 ISP
Tier-2 ISPTier-2 ISP
Tier-2 ISP Tier-2 ISP
Tier-2 ISP
Tier-2 ISP bezahlt Tier-1 ISP für Konnektivität zum Rest des Internets: Tier-2 ISP ist Kunde eines Tier-1 ISP
Tier-2 ISPs führen auch direktes Peering durch
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Struktur des Internets
• “Tier-3” ISPs und lokale ISPs
– Zugangsnetzwerke (last hop, access network)
Tier-1 ISP
Tier-1 ISP
Tier-1 ISP
Tier-2 ISPTier-2 ISP
Tier-2 ISP Tier-2 ISP
Tier-2 ISP
lokalerISP
lokalerISP
lokalerISP
lokalerISP
lokalerISP Tier-3
ISP
lokalerISP
lokalerISP
lokalerISP
Lokale und Tier-3 ISPs sind Kunden von Tier-1 und Tier-2 ISPs, welche sie mit dem Rest des Internets verbinden
![Page 31: Inhalt Wahlmodul Netzwerke - dodo.fb06.fh-muenchen.dedodo.fb06.fh-muenchen.de/parzhuber/Netzwerke/Vorlesung/Netzwer… · Kapitel 1 Literatur Computernetzwerke. Der Top-Down-Ansatz](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090608/605e45412a8bdb4f7873ccc4/html5/thumbnails/31.jpg)
Kapitel 1: Orientierung
1.1 Geschichte des Internet
1.2 Was ist das Internet?
1.3 Randbereich des Netzwerkes
Endsysteme, Zugangsnetzwerke, Leitungen
1.4 Inneres des Netzwerkes
Leitungs- und Paketvermittlung, Netzwerkstruktur
1.5 Verzögerung, Verlust und Durchsatz in
paketvermittelten Netzwerken
1.6 Protokollschichten, Dienste
![Page 32: Inhalt Wahlmodul Netzwerke - dodo.fb06.fh-muenchen.dedodo.fb06.fh-muenchen.de/parzhuber/Netzwerke/Vorlesung/Netzwer… · Kapitel 1 Literatur Computernetzwerke. Der Top-Down-Ansatz](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090608/605e45412a8bdb4f7873ccc4/html5/thumbnails/32.jpg)
Wie entstehen Paketverluste und
Verzögerungen?
Vier Quellen der Verzögerung
• Verarbeitung im Knoten
• Warten auf die Übertragung
• Übertragungsverzögerung
• Ausbreitungsverzögerung
Pakete warten in den Puffern von Routern
• …wenn die Ankunftsrate die Kapazität der
Ausgangsleitungen übersteigt
![Page 33: Inhalt Wahlmodul Netzwerke - dodo.fb06.fh-muenchen.dedodo.fb06.fh-muenchen.de/parzhuber/Netzwerke/Vorlesung/Netzwer… · Kapitel 1 Literatur Computernetzwerke. Der Top-Down-Ansatz](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090608/605e45412a8bdb4f7873ccc4/html5/thumbnails/33.jpg)
Autokolonne als Analogie
• Autos „breiten“ sich mit 100 km/h „aus“
• Mautstation benötigt 12 Sekunden zur Abfertigung
(Übertragung) eines Autos
• Auto ~ Bit; Kolonne ~ Paket
• Frage: Wie lange dauert es, bis die Kolonne vor der
zweiten Mautstation steht?
Maut-station
Maut-station
Autokolonnemit 10 Autos
100 km 100 km
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Autokolonne als Analogie – Teil 2
• Autos „breiten“ sich nun mit 1000 km/h aus
• Mautstation benötigt nun
60 s, um ein Auto abzufertigen
• Frage: Werden Autos der Kolonne vor der zweiten
Mautstation ankommen, bevor alle anderen Autos die
erste Station passiert haben?
Maut-station
Maut-station
Autokolonnemit 10 Autos
100 km 100 km
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Paketverlust
• Warteschlange vor einer Ausgangsleitung hat endlich
viele Pufferplätze
• Wenn alle Pufferplätze belegt sind, werden neu
ankommende Pakete verworfen: Paketverlust
• Verlorene Pakete können vom vorangegangenen Knoten
oder vom Sender erneut übertragen werden – oder auch
gar nicht!
A
B
Übertragung
Pakete, die ankommen, wenn die Warteschlange voll ist, gehen verloren!
Puffer (Warteschlange)
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Durchsatz• Durchsatz: Rate (Bit/Zeiteinheit), mit der Daten
zwischen Sender und Empfänger ausgetauscht
werden
– Unmittelbar: Rate zu einem gegebenen Zeitpunkt
– Durchschnittlich: Rate über einen längeren
Zeitraum
Leitung, die Wasser mit der Rate
Rs Bit/s weiterleiten kann
Server sendet Bits (Wasser) in die
Leitung
Leitung, die Wasser mit der Rate
Rc Bit/s weiterleiten kann
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Durchsatz im Internet
• Durchsatz für
Ende-zu-Ende-
Verbindungen:
min(Rc,Rs,R/10)
• In der Realität:
Häufig sind Rc
oder Rs die
Engpässe 10 Verbindungen teilen sich den Engpass des Backbone-Netzwerkes
Rs
Rs
Rs
Rc
Rc
Rc
R
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Kapitel 1: Orientierung
1.1 Geschichte der Computernetzwerke
1.2 Was ist das Internet?
1.3 Randbereich des Netzwerkes
Endsysteme, Zugangsnetzwerke, Leitungen
1.4 Inneres des Netzwerkes
Leitungs- und Paketvermittlung, Netzwerkstruktur
1.5 Verzögerung, Verlust und Durchsatz in
paketvermittelten Netzwerken
1.6 Protokollschichten, Dienste
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Protokollstapel des Internets
• Anwendungsschicht: Unterstützung von
Netzwerkanwendungen
– FTP, SMTP, HTTP
• Transportschicht: Datentransfer zwischen
Prozessen
– TCP, UDP
• Netzwerkschicht (auch Vermittlungsschicht):
Weiterleiten der Daten von einem Sender zu einem
Empfänger
– IP, Routing-Protokolle
• Sicherungsschicht: Datentransfer zwischen
benachbarten Netzwerksystemen
– PPP, Ethernet
• Bitübertragungsschicht: Bits auf der Leitung
We reject kings, presidents
and voting. We believe in
rough consensus and
running code (Dave Clark)
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