Inhalt Wahlmodul Netzwerke 1) Einführung 2) Anwendungsschicht 3) Transportprotokolle 4) Netzwerkschicht 5) Sicherungsschicht und LAN 6) Bitübertragungsschicht 7) Weiteres: Internet of Things, WLAN
InhaltWahlmodul Netzwerke
1) Einführung2) Anwendungsschicht3) Transportprotokolle4) Netzwerkschicht5) Sicherungsschicht und LAN6) Bitübertragungsschicht7) Weiteres: Internet of Things, WLAN
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
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
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
Geschichte des Internets
Quelle: Salus 1995
Arpanet Dezember 1970
• 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
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
Geschichte des Internets
Quelle: Wikipedia
Arpanet Dezember 1970
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
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)
Geschichte des Internets
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
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
„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
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
Die Struktur eines Netzwerkes:
• Randbereich:Anwendungen und
Endsysteme
• Zugangsnetzwerke, physikalische Medien:Kabel und drahtloseVerbindungen
• Inneres des Netzwerkes: Router
Netzwerke von Netzwerken
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
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
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
Heimnetzwerke
Typische Bestandteile eines
Heimnetzwerkes:
• DSL- oder Kabelmodem
• Router/Firewall/NAT
• Ethernet
• Basisstation
Basisstation/Access Point
MobileEndgeräte
Router/Firewall
Kabel-modem
Ethernet
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
Das Innere des Netzwerkes
• Viele, untereinander
verbundene Router
• Übertragung der Daten:
– Leitungsvermittlung
– Paketvermittlung
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
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
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
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)
Tier-1 ISP: Beispiel Sprint
…
Verbindung zu Kunden
Peering
Verbindung zum
Backbone
…
.
………
POP: point-of-presence
Tier-1 ISP: Liste
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
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
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
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
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
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
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)
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
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
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
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
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