Rechnernetze

Computer Networks

Erik Jacobson Fachbereich MND Fachhochschule Frankfurt am Main

WS 2000/2001 Offene Verteilte Verarbeitung

(ODP = Open Distributed Processing):

Normen: ISO 10 764, X.900

Modelle und Methoden zur verteilten Datenverarbeitung.

Ein System wird unter verschiedenen Blickwinkeln, von unterschiedlichen Standpunkten aus betrachtet (Viewpoints on a system)

- Enterprise: Struktur des Unternehmens

- Engineering: Architektur

- Information: Datenbasen

- Computation: Software

- Technology: Hardware

ODP umfaßt: - Hardware - Betriebssysteme - Netzwerke - Programmiersprachen - Datenbanken - Verwaltung  .  .ODP beschreibt Funktionen wie: - Speicherung - Verarbeitung - Zugang - Kommunikation - Management - Sicherheit

Kapitel 1

Netze (networks)

Grundbegiffe (DIN/ISO 2382-18, ISO/IEC 2382-18.01.01)

[figure: N; \overline{N}; E; Z]_{Bild n1p01} . .Netz: Eine Anordnung von Knoten und den sie ver- bindenden Zweigen (Strängen). Knoten (node) z.B. DV-Anlagen. Zweige (branch) z.B. Leitungen.

Endknoten (end node): Ein Knoten, der an genau einem Zweig sitzt. Zwischenknoten (intermediate node) Ein Knoten, der an mehreren Zweigen sitzt Nachbarknoten (adjacent nodes): Zwei Knoten, die durch einen Zweig direkt

miteinander verbunden sind.

Pfad (path): . .In einem Netz jeder beliebige Weg zwischen zwei Knoten. Ein Pfad kann aus einem oder mehreren Zweigen bestehen. Zwischen zwei Knoten kann mehr als ein Pfad existieren.

Allgemeine Netzwerke

a) Telefonnetz:  . .– Endknoten  = Telefone – Zwischenknoten = Vermittlungsstellen – Zweige  = Telefonleitung – Problemstellung: Vermittlung, Wegewahl

b) Energieversorgungsnetze:. .– Endknoten  = Erzeuger und Verbraucher – Zwischenknoten = Verteiler – Zweige  = Versorgungsleitungen – Problemstellung: Energieverteilung

c) Computernetze:  . .– Endknoten  = DV-Anlagen – Zwischenknoten = DV-Anlagen – Zweige  = DFÜ-Leitungen – Problemstellung: Datenübermittlung, Verteilte Verarbeitung

1.1 Computer-Netzwerk-Anwendungen

Klassen verteilter Datenverarbeitung

1.1.1 Datenverbund

Zweck: Datenübermittlung ohne Festlegung oder Koordinierung der (vorangehenden oder nachfolgenden) Datenverarbeitung. Voraussetzung: Einheitliche Datenformate. Aufgaben: Datenübertragung Varianten

- On-line [synchron]: Zwei Partner (inter-)aktiv.

- Off-line [asynchron]: Jeweils ein Partner aktiv. Beispiele: Datenträgeraustausch zwischen Banken, FTP, FTAM Analogien: Telegramm, Telex, FAX Anmerkungen:

– Die transportierten Datenmengen sind von sehr unterschiedlichem Umfang

– Der Datenträgeraustausch ist die Urform des Datenverbundes.

1.1.2 Informationsverbund

Zweck: Austausch von Nachrichten zwischen Wissensträgern (Menschen) Voraussetzung: Kommunikationsregeln (Protokolle), einschließlich einheitlicher Datenformate Datenverbund als Grundlage Aufgaben: Transport und Verteilung von Nachrichten Varianten:

- On-line [synchron]: Zwei Partner (inter-)aktiv.

- Off-line [asynchron]: Jeweils ein Partner aktiv. Beispiele: Elektronische Post (Electronic Mail, E-mail) Analogien: Briefpost, Telefondienst Anmerkungen:

– Die transportierten Datenmengen sind in der Regel vergleichsweise klein (1 KB bis 1 MB pro Tag)

– Information durch Informationsanbieter wird zur Handelsware (Dataware).

1.1.3 Funktionsverbund

Zweck: Gemeinsame Benutzung von peripheren Betriebsmitteln (resource sharing),

- Ein-/ Ausgabeperipherie, z.B. Plotter, Drucker, Terminals

- Massenspeicher, z.B. Platten, Optische Datenträger, Archive Voraussetzung: Datenverbund als Grundlage Kommunikationsregeln (Protokolle) gemeinsame Verarbeitungsstruktur Aufgaben: automatische Verteilung von Datenströmen von und zu bestimmten Geräten. Varianten: Server-Netze, Client-Server-Systeme Beispiel: Novell-Netze Anmerkung: in der Regel ein heterogenes Netz (verschiedenartige Rechner)

[figure: DVA; DVA; Terminal-; Server; Printer-; Server; File-; Server; Netzwerk]

Bild n1p02

1.1.4 Leistungsverbund

Zweck: Verteilung von Aufgaben auf verschiedene Rechner entsprechend deren Ausstattung und Leistung (statisch). DDP hier: Dedicated Data Processing Voraussetzung: Datenverbund als Grundlage Kommunikationsregeln (Protokolle) gemeinsame Verarbeitungsstruktur Aufgaben: Vermittlung von Daten nach Bedarf (Benutzeranfrage) Beispiele:

– PCs für Büro-Anwendungen

– Workstations für Graphik-Anwendungen (CAD)

– Host als File-Server

– Backend-Rechner zur Bearbeitung aufwendiger Numerik (z.B. FEM). Analogien: arbeitsteilige Produktion Anmerkung: In der Regel ein heterogenes Netz (verschiedenartige Rechner) Die Grenze zwischen Funktions- und Leistungsverbund ist unscharf. Im Zentrum steht oft ein ”Host” (Sterntopologie).

[figure] Frontend-Rechner Host

Backend-Rechner

PC

[figure] Terminal Drucker Massenspeicher

Spezialrechner

z.B. Numbercruncher

[figure] [figure] [figure] [figure] [figure]

Bild n1p03

1.1.5 Lastverbund

Zweck: Verteilung von Aufgaben auf verschiedene Rechner entsprechend ihrer aktuellen Belastung zur optimalen Nutzung von Rechenleistung. Voraussetzung: Homogener Rechnerverbund (gleichartige Rechner), Strategien und Algorithmen zur Verteilung. Aufgaben: automatische (transparente) Verteilung von DV-Leistung Beispiele: VAX- Cluster Anmerkung: DDP hier: Distributed Data Processing

[figure: Terminals; DVA; DVA; DVA; DVA; Rechner]

Bild n1p04

1.1.6 Verfügbarkeitsverbund

Zweck: Ausfallsicherung bei kritischen Systemen, i.a. Realzeitverarbeitung Voraussetzung:

– homogener Verbund: Spiegelung

– inhomogener Verbund: Vermeidung gleichartiger Fehler. Aufgaben: (automatische) Umschaltung auf einen Reserverechner bei Ausfall eines Rechners. Varianten:

- Mehrere Rechner an derselben Aufgabe (Hot-Stand-By), Mehrheitsentscheid

- Ein Rechner ist in Reserve (Cold-Stand-By)

- Ein Reserverechner ist bereit (Warm-Stand-By)

Hot-Standby: n Programme n Datensätze Cold-Standby: 1 Programm 1 Datensatz Warm-Standby: n Programme 1 Datensatz

1 Programm n Datensätze

Beispiele: Flugzeug, Kernkraftwerk Analogien: Reserverad im PKW. Anmerkung: extremer Lastverbund (Sicherheit durch Redundanz)

1.2 Rechnerkopplung

Minimalnetz aus zwei Rechnern (Netzausschnitt).

Rechner

Programme  Daten Dienst- Anwender- Dateien Ein-/ Betriebssystem Verbindungen (Bus) CPU  Memory  Peripherie- Anschlüsse Ausgabe- Daten^{Programme} ^{Programme}  Anwendungen Basismaschine_{Bild n1p05} .  .Die Basismaschine (Hardware plus Betriebssystem) ist statisch, die Anwendung ist dynamisch. Die Programme ändern sich selten, die Daten ändern sich rasch.

Begriffe

Systembus: Bus innerhalb der Zentraleinheit eines Rechners.

Bandbreite: Übertragungskapazität (in Bits pro Sekunde, bps) eines Übertragungskanals, z.B. des Systembus (zu unterscheiden von der Bandbreite in der Elektrotechnik).

Bandbreiten-Längen-Produkt (BLP): Das Produkt aus Bandbreite B und physikalischer Länge L eines Übertragungskanals.

Kanal Ein- / Ausgabekanal zur Nahperipherie Schnittstelle zu Massenspeichern (z.B. SCSI)

1.2.1 Multiprozessor-Systeme

Massiv-parallele Systeme Merkmale: hohe Anzahl von Rechenwerken (n ≤ 2^{16} = 65536) Kopplung der Prozessoren z.T. durch reguläre Netze. Voraussetzungen: gemeinsames (verteiltes) Betriebssystem. Anwendung: Schaffung extremer Verarbeitungsleistung Parallelverarbeitung eines Programms Beispiele:

– Transputer unter OCCAM

– HYPERCUBE-Rechner

– SUPRENUM (GMD u.a.)

Anwendung  Daten Betriebssystem Hardware CPU #1 CPU #2 CPU #3 CPU #n Memory Memory Memory Memory  Peripherie internes Netzwerk

Bild n1p06

1.2.2 Mehrprozessor-Systeme

Parallelverarbeitung mehrerer Programme (Prozesse) oder Aufgaben (Tasks) durch mehrere CPUs (Multiprocessing) unter einem Betriebssystem. Merkmale: Kopplung der Anwendungen über gemeinsame Speicherbereiche: Semaphore, Pipes (Intertask-Kommunikation). Voraussetzungen: geeignetes Betriebssystem Anwendung: – Lastverbund Beispiel: DMA-Controller

Anwendung 1 Anwendung 2 Anwendung 3 Anwendung m Betriebsssystem Systembus CPU 1 CPU 2 CPU n Memory Peripherie

Bild n1p07

Betriebssystem Common, Semaphore Task #m Task #1 Task #2 Adreßraum

Bild n1p08

1.2.3 Buskopplung (homogen)

Kopplung von 2 gleichartigen Rechnern durch einen gemeinsamen Systembus. Merkmale Merkmale für die Leistungsfähigkeit:

Datenübertragungsrate d ≈ 10Mbps (abhängig. von Takt f und Busbreite b)

Bandbreitenlängenprodukt (BLP = s ∗ d) BLP ≈ 10 · 10^{6}bm/s Voraussetzungen: identische Rechner, modifiziertes Betriebssystem. Anwendung – Vorzugsweise Lastverbund

– auch Verfügbarkeitsverbund Beispiel: Tandem-Rechner

[figure: Anwendungen; Betriebssystem; Systembus; CPU; Memory; Peripherie; Anwendungen; Betriebssystem; Systembus; CPU; Memory; Peripherie; Kopplung]

Bild n1p09

1.2.4 Kanalkopplung (inhomogen)

Prinzip: Ein Rechner ’sieht’ den anderen als Massenspeicher. Merkmale Kopplung: Heterogen (Verschiedene Rechner möglich) Übertragung: Blöcke, Byte seriell (Bit parallel) Datenrate: 5 Megabit pro Sekunde [Mbps] (Bandbreite) Entfernung: ca. 10 Meter Bandbreiten/Längenprodukt (BLP) = 50 ∗ 10^{6}bm/s Voraussetzungen Gemeinsame (parallele) Schnittstelle (z.B. SCSI) einschließlich geeigneter Treiber Anwendung – Funktionsverbund

– Leistungsverbund

– Lastverbund – Verfügbarkeitsverbund Beispiele: Lokale Netze (LANs), NOVELL-Cluster

[figure: Anwendungen; Betriebssystem; Systembus; CPU; Memory; Peripherie; Anwendungen; Betriebssystem; Systembus; Kopplung; Peripherie; Memory; CPU]

Bild n1p10

1.2.5 Indirekte Kopplung

Prinzip: Gemeinsame Platte, gemeinsamer Speicher Merkmale Datenrate: \frac{1}{2} * 5 Megabit pro Sekunde [Mbps] (Bandbreite)

Entfernung: ca. 2 * 10 Meter (Zwei Kabellängen)

Bandbreiten/Längenprodukt (BLP) =50 · 10^{6}bm/s

Vorteil: Rechner laufen asynchron, Daten werden auf Platte gepuffert.

Nachteil: Dual ported Drive (Gleichzeitig lesen und schreiben auf Platte) Voraussetzungen:Hardware, d.h. geeignete Peripherie Anwendung: Verfügbarkeitsverbund

[figure: Anwendungen; Betriebssystem; Systembus; CPU; Memory; Peripherie; Anwendungen; Betriebssystem; Systembus; Kopplung; Peripherie; Memory; CPU]

Bild n1p11

1.2.6 Lose Kopplung

Prinzip: Ein Rechner ’sieht’ den anderen als Peripherie (z.B.: Terminal). Merkmale Datenrate: 10^{4} bps ≃ 0, 01 Mbps

Entfernung: ca. 10^{3}Meter = 1Kilometer

Bandbreiten/Längenprodukt (BLP) = 10 ∗ 10^{6}bm/s Voraussetzungen Kompatible Terminalschnittstellen (in der Regel asynchron seriell nach RS-232C), geeignet Software auf Anwenderebene. Anwendung: Datenverbund bis Leistungsverbund Beispiel: Wide Area Networks (WANs)

[figure: Anwendungen; Betriebssystem; Systembus; CPU; Memory; Peripherie; Anwendungen; Betriebssystem; Systembus; Kopplung; Peripherie; Memory; CPU]

Bild n1p12

1.2.7 Datenträgeraustausch

Prinzip: Transfer von Daten auf Datenträgern Merkmale Datenmenge: 1 Gigabyte = 8 · 10^{9}bit

Entfernung: 5 km - 500 km

Transportgeschwindigkeit: ca. 20m/s (72 km/h)

Bandbreiten/Längenprodukt (BLP) = 160 · 10^{9}bm/s Vorteil: Hohe BLP, asynchron, off-line möglich Nachteil: Unsicher, nur bedingt einsetzbar (ab 1 MB)

Voraussetzungen: Hardware, d.h. kompatible Peripheriegeräte Anwendung: Datenverbund Beispiel: Verteilung von Software per Post.

[figure: Anwendungen; Betriebssystem; Systembus; CPU; Memory; Peripherie; Anwendungen; Betriebssystem; Systembus; Kopplung; Peripherie; Memory; CPU]

Bild n1p13

1.3 Kommunikation

Kommunikationsteilnehmer Kommunikationspartner:

– gleichgestellte Partner (peers)

– hierarchische Beziehung: Diensterbringer, Dienstbenutzer Kommunikationsrollen – Sender (Datenquelle)

– Empfänger (Datensenke)

– Vermittler:

– Verteiler (Schalter, switches)

– Umsetzer (Anpassung, adapter)

– Speicher (Puffer, stores)

1.3.1 Transferdiagramm (Ereignis/Zeit-Diagramme)

Das Transferdiagramm veranschaulicht die Datenübertragung zwischen zwei Kommunikations-Partnern, es zeigt die von ihnen verursachten und die bei ihnen eintreffenden Ereignisse im Zeitablauf. [figure: Partner; A; Partner; B; Zeit t; Senden; Empfangen; Datenübertragung; Beginn; Ende; Block; t_{l}; t_{d}; Quittung; HDX; FDX; Verlust; Störung; Verzögerung; timeout; Entfernung s]_{Bild n1p14} ..t_{l} = s/c = Laufzeit t_{d} = D/r = Übertragungszeit = Datenmenge / Übertragungsrate Maßeinheiten: [D] = 1 bit [r] = 1 bit/s HDX: half duplex = Wechselsprechbetrieb FDX: full duplex = Gegensprechbetrieb SMX: simplex = Richtungsbetrieb

1.3.2 Strategien und Protokolle

Kommunikationsstrukturen

a) Beziehungen (statisch)

– broadcasting (Rundspruch):  einer an alle  1 : m

– multicasting (Gruppenrundspruch): einer an Gruppe 1 : n ≤ m

– mono cast (Punkt zu Punkt): einer an einen 1 : 1 (unicast) point-to-point

– multipoint Konferenzschaltung: einige an einige n : m

b) Zugriff (zum Medium, Netz) (dynamisch)

Chaotisch: Jeder und immer (RAM). Time-sharing: Jeder zu seiner Zeit (Zeitintervalle), wenn er dran ist. Resource-sharing: Jeder wenn er kann (und darf), wenn Betriebsmittel frei sind.

c) Kommunikationsprotokolle (als Impulsdiagramme und Transferdiagramme)

– Quittungsverfahren (acknowledging): nach der Übertragung erfolgt eine Bestätigung (Q)

[figure: Empfänger; Sender; Q; Q; Block; Block; Quittung]_{Bild n1p17}  . .  [figure: Block]_{Bild n1p16}

– Handschlagverfahren (handshaking): die Übertragung wird von einer gegenseitigen Bestätigung der Bereitschaft begleitet. [figure: Daten(M/S); A; Block; Abmelden; Slave; Master; Anmelden; bereit; belegt (BUSY)] Bild n1p19. .[figure: Block; Block; Abmelden; Anmelden; belegt; bereit; Master; Slave]_{Bild n1p18} – Flußsteuerung (flow control): Unterbrechung und Fortsetzung der Datenübert- ragung auf Anforderung (NAK und ACK) des Empfängers bei drohendem Pufferüberlauf. Dabei können Fragmente entstehen, für deren Behand- lung weitere Vereinbarungen (Protokolle) getrof- fen werden müssen.. . [figure: Block; Block; Block; NAK; ACK; Wait; ∼; ∼; Fragment]_{Bild n1p20}

– Synchronisation: nach jeder Übertragung wird auf eine Bestätigung gewartet; fällt diese negativ aus (NAK), wird die Übertragung wiederholt.. . [figure: Block n; Block n; Block n-1; ACK; NAK; ACK]_{Bild n1p22}

– Fenstertechnik (windowing): es wird zunächst eine festgelegte Anzahl (hier w = 3) von Blöcken übertragen und dann auf eine Bestätigung für den ersten davon (n) abgewartet, bis der nächste Block (n+w) übertragen wird.. .[figure: Block; ACK; n; n+1; n+2; w=3; n+3]_{Bild n1p23} – Zeitschrankenüberwachung (time-out): Mit jeder Übertragung wird ein Timer (eine Stopuhr) gestartet; er wird bei rechtzeitiger Rückmeldung (ACK) zurückgesetzt(toc = time- out cancellation); andernfalls liefert er ein time- out Signal (Ereignismeldung) an den Sender.. . [figure: Block; Block; timer; timer; time-out; ACK; ACK; toc]_{Bild n1p24}

1.3.3 Der Übertragungskanal

Das BRM der Informationsverarbeitung

[figure: Information; information; Daten; data; Signale; signals; Wissen; knowledge]

Bild b1p01

← − → : Kommunikation, Übermittlung ⟷ : Übertragung, Verarbeitung, Speicherung ↓ : Darstellung, Repräsentation, Codierung ↑ : Erwerb, Interpretation, Decodierung

Netzstrukturen

2.1 Verbindungsstrukturen

[figure: A; D; C; B; Netz; 1; 2; 3; 4]_{Bild n2p01} . .1. Punkt-zu-Punkt-Verbindung (A → B) – Mehrpunktverbindungen 2. Gruppenrundspruch (A → B,C) 3. Rundspruch (A → B,C,D) 4. Konferenzschaltung (A,C,D)

2.2 Netzklassen

Nach räumlicher Ausdehnung

2.2.1 GAN - Global area network, Globales Netz

Netz aus Netzen In der Regel Kombination von WANs und LANs Merkmale:

- Ausdehnung (s) ≈ 10.000 km (weltumspannend)

- Übertragungsrate (r) = 1 Mb/s (Megabit pro Sekunde, Mbps)

- Laufzeit T_{l} ≤ 4 s

- Das Netz ist meist privat Anwendung – Informationsverbund Beispiele

- SNA (IBM)

- DECnet (DEC)

- Internet Probleme:

- Datensicherheit (Datenverlust, -verfälschung), Schutz durch Redundanz

- Datenschutz (Abhörsicherheit), Schutz durch Kryptographie

2.2.2 WAN - Wide area network, Weitverkehrsnetz

Merkmale:

- Ausdehnung (s) ≤ 10.000 km (landes- oder kontinentweit)

- Übertragungsrate (r) ≤ 100 Kb/s (Kilobit pro Sekunde, Kbps)

- Laufzeit T_{l} ≤ 1 s

- Das Netz ist öffentlich (der Betreiber kann eine öffentliche oder private Einrichtung sein).

Anwendung – Informationsverbund Beispiele

- Telefon, Fax, ISDN

- DATEX-L

- DATEX-P Probleme

- Einheitliche Protokolle von CCITT

- Dienste garantieren keine Sicherheit, keine Verschlüsselung

- Fehlerrate ≈ 10^{−6}

2.2.3 MAN - Metropolitan area network, Regionales Netz

Merkmale:

- Ausdehnung (s) = 10 - 100 km (regional)

- Übertragungsrate (r) = 10 Mb/s (Megabit pro Sekunde, Mbps)

- Laufzeit T_{l} ≤ 0.1 s (Lichtwellenleiter)

- Fehlerrate ≤ 10^{−8} pro Bit

- Das Netz ist öffentlich, Anwendung: Datenverbund, Leistungsverbund Beispiele

– DATEX-M Problem: Mithören (Datenschutz)

2.2.4 LAN - Local area network, Lokales Netz

Merkmale:

- Ausdehnung (s) = 1 - 10 km (auf dem Gelände eines privaten Betreibers)

- Übertragungsrate (r) = 10 Megabit /Sek. (Mbps)

- Laufzeit T_{l} ≤ 100 ms

- Netz ist privat (Private Protokolle, private Nutzungsvorschriften) Anwendung: Datenverbund .. Leistungsverbund Beispiele

- Ethernet

- Token Ring

- Nebenstellenanlage (Private automatic branch exchange, PABX ) Probleme

- Mithören (Datenschutz)

- Management

2.2.5 Cluster

Homogenes Verbundsystem, Merkmale:

- Ausdehnung (s) = 10 m (in einem Raum)

- Übertragungsrate (r) = 1 Gb/s (Gigabit pro Sekunde, Gbps)

- Laufzeit T_{l} ≤ 1ms

- Netz ist (sehr) privat Anwendung: Datenverbund .. Lastverbund Beispiele

– Bürosysteme Probleme

- Durchsatz

- Management

2.2.6 VLAN - Very local area network Sehr lokales Netz

Merkmale:

- Ausdehnung (s) ≤ 10 m (in einem Gehäuse)

- Übertragungsrate (r) = 0,1 Gb/s (Gigabit pro Sekunde, Gbps)

- Laufzeit T_{l} ≤ 1μs

- Netz ist (sehr) privat

- Kopplungsstärke steigt mit sinkender Entfernung. Anwendung Lastverbund .. Verfügbarkeitsverbund Beispiele

- Transputer

- Multiprozessorsysteme, z.B. Suprenum Probleme

- Durchsatz

- Geschwindigkeit

2.3 Netztopologien

Netz := Knoten + Zweige

2.3.1 Vollständiges Netz

(Vollständig vermaschtes Netz) Jeder Knoten wird mit jedem anderen verbunden. [figure: Bild n2p02] . .Konfiguration: n Knoten (gleichberechtigte) z Zweige: z = n · (n − 1)/2 Pfadlänge p = 1 oder mehr, falls die Knoten auch als Vermittler (Zwi- schenknoten) agieren

Vorteile: schnell,

sicher (abhörsicher, ausfallsicher)

Nachteile: teuer,

starr, unflexiblel (nicht leicht erweiterbar)

Anwendung: Verfügbarkeitsverbund

2.3.2 Stern

Ein zentraler Vermittler (Zwischenknoten) [figure: Bild n2p03] . .Konfiguration: 1 zentraler Vermittler (Zwischenknoten) n Endknoten z Zweige: z = n Pfadlänge p = 2

Vorteile: flexibel: leicht erweiterbar

billig: ein Anschluß je Endknoten (der Vermittler ist teuer)

Nachteile: langsam: Stau (congestion) im Vermittler, Flaschenhals (bottle neck)

unsicher (Ausfall des Vermittlers, Abhören im Vermittler),

Anwendung: Daten- bis Leistungsverbund, vorzugsweise im LAN Beispiele: Hub (Nabe), Verteiler

Konzentrator Multiplexer Varianten: [figure: Terminals; Host]_{Bild n2p04} . .Konzentrator (vgl. Terminal-Server), un- symmetrischer Stern

[figure: MUX; Demux]_{Bild n2p05} . .Multiplexer (1 virtueller Knoten, zweige- teilter Vermittler)

2.3.3 Baum

= gekoppelte Sterne [figure: Bild n2p06] . .Konfiguration: n Knoten n_{1} Endknoten n_{2} Zwischenknoten) z Zweige: z = n − 1 Pfadlänge: 2 ≤ p ≤ n_{2} + 1 Es gibt genau 1 Pfad zwischen 2 (End)Knoten

Vorteile: flexibel, billig (vgl. Stern)

sicherer: bei Ausfall eines Vermittlers bleiben Subnetze erhalten.

Nachteile: unsicher (Ausfall eines benachbarten Vermittlers)

langsam: mehrere Flaschenhälse in einem Pfad

Anwendung: Daten- bis Leistungsverbund im LAN und im WAN Variante: Hierarchischer Baum [figure: Bild n2p07] . .Knoten sind sowohl Vermittler als auch Verar- beitungsrechner (Hybridknoten). Einsatz: CIM

2.3.4 Maschennetz

= gekoppelte Bäume [figure: Bild n2p08] . .Konfiguration: n Knoten (Hybrid-, End- oder Zwischenknoten) n_{1} Endknoten z Zweige: z ≥ n Pfadlänge: 1 ≤ p < n − n_{1} + 1 Es gibt mindestens 1 Paar von (End)Knoten, zwischen denen es mehr als 1 Pfad gibt.

Vorteile: flexibel relativ billig, Zwischenknoten sind teuer relativ ausfallsicher: bei Ausfall eines Vermittlers kann es Ausweichstrecken geben

Nachteile: Wegewahl im Zwischenknoten Management für das Gesamtnetz Jede Änderung eines Zwischenknotens betrifft ganzes Netzmanagement

Anwendung: Daten- bis Leistungsverbund, typische Topologie für WAN

2.3.5 Liniennetz

= verkümmerter Baum [figure: Bild n2p09] . .Konfiguration: 2 Endknoten n-2 Zwischenknoten (Hybridknoten) z Zweige: z = n − 1 Pfadlänge: 1 ≤ p < n − 1 Es gibt genau 1 Pfad zwischen 2 Knoten

Vorteile: einfache Struktur billig relativ flexibel (erweiterbar) relativ ausfallsicher: Überbrückung eines Knotens bei Ausfall, andernfalls entstehen Subnetze

Nachteile: abhörbar langsam: viele Zwischenknoten Belastung der (hybriden) Zwischenknoten

Anwendung: selten

2.3.6 Ring

= geschlossenes Liniennetz [figure: Bild n2p10] . .Konfiguration: n hybride Knoten z Zweige: z = n − 1 Pfadlänge: 1 ≤ p < n − 1 Es gibt genau 2 Pfad zwischen 2 Knoten (bidirektionaler Ring) oder genau 1 Pfad zwischen 2 Knoten (unidirektionaler Ring)

Vorteile: einfach, relativ billig relativ flexibel (erweiterbar) relativ ausfallsicher (Überbrückung oder Subnetze)

Nachteile: abhörbar Engpässe in den hybriden Vermittlern Management zur Koordinierung und Lastverteilung

Anwendung: Daten- bis Lastverbund, typisch für LAN Varianten:

1. Trennung von Verarbeitungs- und Vermittlungsaufgaben in den Knoten [figure: R; V; R; V]_{Bild n2p11} . .In den Knoten werden sehr lokale Subnetze ein- geführt: der Vermittler V (eine Netzwerkkarte mit eigenem Prozessor) wird über eine Buskopp- lung mit dem Verarbeitungsrechner R gekop- pelt; er bildet einen rudimentären Stern.

2. Stern-Ring-Netz [figure: Bild n2p12] . .- Zur strukturierten Verkabelung wird ein Stern- koppler eingefügt, zu dem von allen Knoten 2 Leitungen führen. - zur dynamischen Konfigurierung können im Sternkoppler ausgefallene Knoten (automatisch) überbrückt werden.

2.3.7 Bus

= Stern ohne Vermittler

[figure: V; R]

Bild n2p13

Die Vermittlungsaufgaben werden dezentralisiert; in jedem Endknoten gibt es einen integrierten Vermittler in Form einer Netzwerkkarte (vgl. 1. Variante des Ring). Die Anschlüsse am gemeinsamen Stamm (trunk) sind passiv.

Konfiguration: n bzw. 2n Knoten: n Endknoten (und n Zwischenknoten) Zweige: z = 1 bzw. n + 1 Pfadlänge: p = 1 bzw. 3 Es gibt genau 1 Pfad zwischen 2 Endknoten Vorteile: einfachste Topologie

sehr flexibel (leicht erweiterbar)

billig: nur die Endknoten müssen aufgerüstet werden ausfallsicher

Nachteile: abhörbar: alle hören alles (broadcasting)

Engpaß auf dem gemeinsamen Zweig

Gefahr durch Dauerbelegung (jabber = sabbern) Zugriffsprotokolle notwendig

Anwendung: Daten- bis Verfügbarkeitsverbund, typisch für LAN

2.3.8 Reguläre Netze

Struktur des Netzes läßt sich als Koordinatensystem beschreiben. Fällt ein Rechner aus, so ist das Netz nicht mehr regulär.

Vorteile: reguläre Architektur, vereinfachte Protokolle Nachteile: Lösungen für Spezialanwendungen, nicht universell einsetzbar Anwendung: Last- und Verfügbarkeitsverbund; VLANs;

massiv parallele Systeme (Superrechner).

a) Gitter = d-dimensionales Liniennetz [figure: Bild n2p14] . .Konfiguration: Kantenlängen a, b, ... n Knoten (Hybridknoten): n = a · b... z Zweige: z = (a − 1) · (b − 1)... Pfadlänge: 1 ≤ p < (a − 1) + (b − 1) + ...) Kommunikation in der Regel nur zwi- schen Nachbarknoten.

Knoten-Klasse Zweige pro Knoten Anzahl Knoten
- Ecken  d  2^{d}
- Kanten  d+1  2 · (a − 2 + b − 2 + ...)

-

- Innen  2d  (a − 2)(b − 2)...

b) Hyperwürfel = d-dimensionaler Würfel der Kantenlänge 2 es gibt nur 2^{d} Eckknoten mit je d abgehenden Zweigen [figure: d=3; Bild n2p15] . .[figure: d=4; Bild n2p15a]

Realisierung: Hypercube (Thinking Machines) mit n = 2^{16} = 65536 Rechnern (d=16)

c) Hyperring = d-dimensionaler Ring [figure: d=2; Bild n2p16] ..[figure: d=3 (3-dim Erweiterung eines 2-dim Gitters); Bild n2p17]

d) Spidernet (Spinnennetz) = Hybrid aus Stern und Ringnetz . .[figure: Bild n2p18]

2.3.9 Mischtopologien

Verknüpfungen von Subnetzen mit jeweils einheitlicher Topologie.

a) Ethernet LAN = Baum von Bussen und Sternen [figure: Bus; Bus; Bus; Bridge; Bridge; Hub; Bus; Bus]_{Bild n2p19} ..die angschlossenen End- knoten sind nicht hier ein- gezeichnet

b) FDDI-Backbone Ring mit Ringen, Bussen und Sternen

[figure: B; B; B; B; Bridge; H; Bus; Stern; Ring; Backbone]

Bild n2p20

2.4 Netzarchitekturen

Datenübermittlung in Netzen, Vermittlungsstrukturen

Übersicht

feste Durchschaltung

gewählte Durchschaltung

feste virtuelle Verbindung (PVC) gewählte virtuelle Verbindung (SVC) virtuelle Verbindung Datagramme Paketvermittlung Sendungsvermittlung Durchschalteverbindungen Teilstreckenvermittlung

Leitungsvermittlung Datenübermittlung

Bild n2p21

2.4.1 Feste Verbindungen

Zwei Prinzipien:

- Punkt-zu-Punkt-Verbindung: Durchschalteverbindung, Standleitung, abgeschlossenes Medium wie Kabel, Lichtwellenleiter (LWL)

- Mehrpunktverbindung (Rundspruch): gemeinsames offenes Medium, wie z.B. Bus, Äther

Merkmale: - Passives Netz, keine aktiven Komponenten - Physikalische Grundlage für alle Netze . . [figure: Daten; Daten; /]_{Bild n2p22}

Vorteile:

- ständig verfügbar,

- keine Verzögerungen für Verbindungsaufbau,

- schnell: keine Signalverzögerung,

- maximale Übertragungsgeschwindigkeit: c^{∗} = c_{0}/n = c_{0}/\sqrt{με} ≈ 200000km/s

- einfach: keine vorgegebenen Protokolle, nur vorgegebene Signalbandbreite

- ausfallsicher: keine Unterbrechung, höchstens Übertragungsstörungen,

- geringe Bitfehlerrate

- abhörsicher nur bei Punkt-zu-Punkt-Verbindungen Nachteile:

- unflexibel, da physikalisch festgelegt.

- unwirtschaftlich, da in der Regel nicht ausgelastet

- Engpass bei Überlastung

- abhörbar bei Rundspruch

- in der Regel nur SMX (simplex) oder HDX (half duplex) Topologien: Bus (Rundspruch), Linie (Sequenz von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen) Anwendung: Basis für alle anderen Architekturen Beispiele:

- HfD (= Hauptanschluß für Direktruf der Telekom)

- SFV (= digitale Standardfestverbindung der Telekom)

- Äther im Funkverkehr (Ursprung des Ethernet)

- Luft für (Ultra-)Schallübertragung

2.4.2 Wählverbindungen

Leitungsvermittlung, gewählte Durchschaltung (circuit switching)

Merkmale: Drei Phasen der Wählverbindung: - Verbindungsaufbau - Datenübertragung wie bei fester Verbindung, Standleitung - Verbindungsabbau (-auslösung) durch Kommunikationspartner (A, B) oder durch das Netz (Ver- mittler V). .[figure: Block; Rufannahme; FDX; auslösung; Rufabweisung; Verbindungsaufbau; A; Partner; Netz; Partner; B; Datenübertragung; Verbindungs-; V; call; NAK; Signal; ACK]_{Bild n2p23}

Vorteile:

- flexibel: Auswahl eines Partners möglich

- bessere Netzauslastung durch (zeitliche) Mehrfachnutzung Nachteile:

- erfordert mindestens einen Zwischenknoten (Vermittler),

- Vermittler bildet Engpaß,

- Protokolle des Vermittlers müssen beachtet werden,

- unsicher (Ausfall des Vermitters, Abhören),

- Verbindungsaufbau /-abbau ist (zeit)aufwendig Topologien: Stern u.ä. (Masche, Baum...) Anwendungen: im LAN und WAN Beispiele:

- Telecom: Datex-L, Telefax

- Privat: PABX (private automatic branch exchange) = Nebenstellenanlage

2.4.3 Teilstreckenvermittlung

Speichervermittlung (Store and forward)

Merkmale: - segmentierter Datenstrom: die Daten werden in abgschlossenene Mengen (Nachrichten, Paketen) übertragen. - die Daten werden in Zwischenknoten (Vermittler V) empfangen und gespei- chert (store) - der Pfad zum nächsten Knoten muß (statisch oder dynamisch) vorgegeben sein oder ermittelt werden (Wegewahl, routing, switching) - die Daten werden nach Empfang wei- tergegeben (forward).. .[figure: Block; A; Partner; Netz; Partner; B; Datenübertragung; Store & Forward; Block; Umsetzung; Store & Forward; Wegewahl; Wegewahl; V]_{Bild n2p24}

[figure: A; B; C; D; vermittlungsstation; Daten-; Speicher; (store); Wegewahl; (switch); Exchange DSE; Data Switching]

Bild n2p27

Vorteil: Asynchrone Datenübermittlung

- Sender und Empfänger müssen nicht gleichzeitig bereit sein

- Sender und Empfänger können mit unterschiedlichen Datenraten arbeiten

- Sender und Empfänger können unterschiedliche Protokolle verwenden Nachteile:

- aufwendige Vermittler

- Verzögerung bei der Zwischenspeicherung Topologien: Stern u.ä. (Masche, Baum...), Linie, Ring Anwendungen: im WAN Beispiele:

– Telecom: Datex-P

2.4.4 Sendungsvermittlung

Nachrichtenvermittlung (message switching)

Merkmale: Nachrichten beliebiger Länge werden übertragen. Vorteile:

- einfache Protokolle

- schneller, da weniger Protokollaufwand (Overhead) Nachteile:

– Speicher in den Zwischenknoten können überlaufen Anmerkung: künftig wegfallend

2.4.5 Paketvermittlung

(packet switching)

Merkmale:

- Pakete fester Minimal- und Maximalgröße

- Eine Nachricht wird in m Pakete zerlegt oder n Nachrichten werden in ein Paket gepackt.

Vorteile:

– geringere Speicherprobleme Nachteile:

– höherer Verwaltungsaufwand bei den Anwendern (Teilnehmern A, B): Zerlegen von Nachrichten zu Paketen und Zusammenfassen von Paketen zu Nachrichten 2.4. NETZARCHITEKTUREN 33

2.4.6 Datagramme

Daten-Telegramme Merkmale: - Datenpakete mit Ziel- (und Quell)- adresse. - Jedes Datagramm kann seinen eigenen Weg gehen Vorteile: - optimale Auslastung des Netzes - Umgehung von Engpässen (Ausfällen) Nachteile: - Wegewahl für jedes Datagramm - Datagramme können zwischen denselben Knoten unterschiedliche Laufzeiten ha- ben z.B. auf den Wegen (a) ACDB oder (b) AEB - Datagramme können unbemerkt verlo- rengehen - Datagramme können fälschlicherweise dupliziert werden - Empfänger muß eine Kontrolle durch- führen Topologien: Maschennetze Anwendungen: im WAN und im GAN (Internet) Beispiele: – IP (Internet Protokoll). .[figure: A; B; C; D; E; Bild n2p25; 1; A; Partner; C; Partner; B; D; E; 2; 1; 2; (a); (b); Netzknoten; Bild n2p26]

Virtuelle Verbindungen

Alle Pakete einer Nachricht durchlaufen denselbe Weg im Netz Bei fester virtueller Verbindung ist der Weg vorher festgelegt worden, bei gewählten virtuellen Verbindungen wird der Weg beim Verbindungsaufbau festgelegt und beim Abbau freigegeben.

2.4.7 Feste virtuelle Verbindung

PVC (permanent virtual circuit)

Merkmale: - Fester Leitweg für jeden Pfad zwischen 2 Endknoten, - alle Vermittler liegen fest. - In jedem Vermittler gibt es dazu ei- ne 1:1 - Zuordnung von ankommenden und abgehenden Leitungen (ports), die bei Einrichtung der Verbindung in Ta- bellen festgelegt wird. Vorteile: - schnell, da kein Verbindungsaufbau notwendig - effektiv, da die Datenpakete keine Adressen benötigen Nachteile: - starr, da keine Auswahl des Zielknotens möglich ist Anwendungen: im WAN Beispiele: – DATEX-P10 der Telekom. . [figure: A; B; C; D; E; Bild n2p30; A; C; D; E; B; Partner; Netzknoten; Partner; Bild n2p28; E; A; 1; 17; Bild n2p31] 2.4. NETZARCHITEKTUREN 35

2.4.8 Gewählte virtuelle Verbindung

SVC (switched virtual circuit) Merkmale: 3 Phasen - Verbindungsaufbau durch ein Data- gramm (Scout). - Datenübertragung wie bei einer festen virtuellen Verbindung. - Verbindungsabbau durch einen der Kommunikationspartner (A oder B) oder durch einen Netzknoten Vorteile: - flexibel: Partnerwahl möglich - bessere Auslastung des Netzes - bessere Ausnutzung der Betriebsmit- tel in den Vermittlern Nachteile: - langwierige Aufbauphase - kritische Aufbauphase (nicht immer wird hier der optimale Weg gefunden) Anwendungen: im WAN und im GAN Beispiele: – DATEX-P20 der Telekom. .[figure: A; B; C; D; E; Bild n2p30; A; C; D; E; B; Partner; Netzknoten; Partner; Verbindungs-; aufbau; durch ein; Datagramm; Bestätigung; Daten-; übertragung; Verbindungs-; auslösung; (durch; das Netz); Bild n2p29] 36 KAPITEL 2. NETZSTRUKTUREN

.

Das ISO-OSI-7-Schichtenbasisreferenzmodell

(OSI-BRM)

Open Systems Interconnection, OSI

Deutsche, Europäische und Internationale Norm: EN ISO/IEC 7498: 1995 entwickelt von der ISO (International Organization for Standardization) und der IEC (International Electrotechnical Commission) in Zusammenarbeit mit ITU-T (International Telecommunications Union, Telecommunication Standardization Sector) als CCITT/ITU-T Recommendation X.200. Beginn der Normung 1977, erste Ausgabe 1984.

3.1 Kommunikation Offener Systeme

3.1.1 Das OSI-Environment

Anwendungen in Offenen Systemen (Kommunikationssystemen) arbeiten zusammen und bilden eine Assoziation (association), eine verteilte Anwendung.

Anwendung A application B Assoziation

Protokolle

Dienste

Physikalische Verbindung, Medium (medium)

Offenes

Offenes

Kommunikations-Kommunikations-Schicht / layer Instanz entity

services

[figure] [figure]

association

protocols

system A

system B

Bild n3p01

Begriffe aus ISO 7498:

- Reales System (real system):

DV-Anwendung = Computer, Bediener und Anwender

- Reales offenes System (real open system):

Reales System, das den Bedingungen von OSI entspricht

- Offenes System (open system): Abstraktes Modell eines realen offenen Systems - Open Systems Interconnection (OSI):

Verbindung ’Offener Systeme’, entsprechend den Standards (von ISO oder IEC)

- OSI-Referenzmodell (RM):

ein Modell, das die allgemeine Prinzipien von kommunizierenden ’Offenen Systemen’ beschreibt

3.1.2 Das Schichtenmodell

Das Architekturkonzept:

- Unterteilung in Schichten

- Instanzen (Partner) bilden in jeder Schicht die aktiven Elemente

- Instanzen kommunizieren miteinander nach bestimmten Regeln (Protokolle)

- Instanzen kommunizieren mit Hilfe von Diensten der darunter liegenden Schicht (Basismaschine).

[figure: Medium *; Bitdarstellung; physical; PL; Sicherung; data link; DL; Vermittlung; network; N; Transport; transport; T; Kommunikations; -steuerung; session; S; Darstellung; presentation; P; Anwendung; application; A; Protokolle; Dienste; 7; 6; 5; 4; 1; 2; 3; Schicht; layer]

Bild n3p02

- keine Schicht darf umgangen werden, aber eine Schicht kann leer sein!

- obere Schichten sind Dienstbenutzer

- untere Schichten sind Diensterbringer

- die Schnittstelle heißt Dienstzugangspunkt (Service Access Point, SAP)

3.1.3 Modell einer Schicht

a) Hierarchie (Vertikale Struktur)

- Jede Schicht bildet eine abstrakte Maschine, die Funktionen ausführt.

- Die Funktionen werden von Instanzen ausgeführt.

- Je höher die Schicht, um so abstrakter und komplexer sind die Funktionen.

(N+1)-Instanz (N+1)-Partnerinstanz

(N+1)-Schicht-Protokoll

(N)-Instanz (N)-Partnerinstanz

(N)-Schicht-Protokoll

(N-1)-Instanz (N-1)-Partnerinstanz (N-1)-Schicht-Protokoll

(N)-Schicht-Basismaschine

(N-2)-Schicht-Basismaschine

N-SAP

Bild n3p03

- (N+1)-Instanz ist ein Dienstbenutzer in der Schicht (N+1).

- (N)-Schicht-Basismaschine ist Diensterbringer der Schicht (N) für (N+1)-Instanzen - (N-1)-Instanz ist ein Diensterbringer in der Schicht (N-1) für (N)-Instanzen

Dienstzugangspunkte (service access points, SAP):

[figure: I; I; I; I; I; I; I; I; I; I; I; I; I; I; mögliche Konfigurationen; unzulässige Konfigurationen; (a); (b); (c); (d); (e); (N+1); (N); N-SAP]

Bild n3p04

- Eine N-Instanz (I) bedient einen (a) oder mehrere (b) Dienstzugangspunkte (N-SAPs), d.h. erbringt einen oder mehrere Dienste bzw. führt eine oder mehrere Funktionen aus.

- Eine (N+1)-Instanz benutzt einen oder mehrere (N)-Dienstzugangspunkte (c).

- Ein (N)-Dienstzugangspunkt (N-SAP) wird immer nur von einer Instanz bedient und nicht von mehreren (d).

- Ein (N)-Dienstzugangspunkt wird immer nur von einer (N+1)-Instanz benutzt (b) und nicht von mehreren (e).

- Dienstzugangspunkte haben zwei Adressen:

– eine aus Sicht der darüberliegenden Schicht (N+1)

– eine andere aus Sicht der eigenen Schicht (N)

b) Kommunikation (Horizontale Struktur) Verbindung (connection):

- Jedes System besitzt in jeder Schicht (N) mindestens ein Paar von Instanzen, die als Partner mit Hilfe eines Diensterbringers zusammenarbeiten.

- Instanzen kooperieren nach festgelegten Regeln (Protokollen).

- es gibt verbindungsorientierte Dienste (Connection Oriented Network Services, CONS) z.B. Standleitungen, die inder Regel (voll- oder halb-)duplex sind

- es gibt verbindungslose Dienste (Connectionless Network Services, CLNS) (z.B. Datagramme), die unidirektional (simplex) ablaufen.

- d.h. es gibt reale und virtuelle Verbindungen Protokoll (protocol): Satz von Regeln für die Kommunikation zwischen zwei Partnerinstanzen innerhalb derselben Schicht; es sind Regeln für die Benutzung von Diensten der darunter liegenden Schicht. Kommunikation (communication): Die Kommunikation zwischen zwei Partnerinstanzen erfolgt durch Dienstprimitive (service primitives), den Austausch von Nachrichten (Protokolldatenenheiten) mit Hilfe von Diensten.

3.1.4 Modell einer Instanz

Eine (N)-Instanz ist eine Funktionseinheit innerhalb einer Schicht (N), welche die Schichten (N+1) und (N-1) als Nachbarn hat (ausgenommen die Schichten 1 und 7).

– Die Schicht 0 (Physikalisches Medium) ist nicht im OSI-BRM enthalten, wird aber im folgenden so behandelt wie die übrigen Schichten. –

Eine Instanz kann, je nach Schicht in der sie sich befindet, als Hard- oder Softoder Firmware realisiert sein. a) Aufbau einer Instanz Eine (N)-Instanz kann in 3 Funktionsschichten gegliedert werden, die nach dem EVA-Prinzip (Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe) zusammenarbeiten. [figure: DP; DP; SAP; PP; DP; DP; SAP; (N+1); (N); (N-1); Dienstprozesse; Protokollprozeß; Dienstprozesse]_{Bild n3p05} . .Dienstprozesse sorgen für die Annahme und Weitergabe von Dateneinheiten, ein Protokollprozeß führt die eigentliche Verarbeitung durch, d.h. er sorgt für die Einhaltung der Regeln des Protokolls, indem er die ankommenden Dienstda- tenenheiten (Service Data Units, SDU) zusammen mit Protokollsteuerungsin- formationen (Protocol Control Infor- mation, PCI) in eine neue Dateneinheit, die Protokolldateneinheit (Protocol Da- ta Unit, PDU) pakt und an die darun- terliegende Schicht weitergibt.

b) Datenübergabe zwischen den Schichten Senden von Dateneinheiten: Eine Protokolldateneinheit einer höheren Schicht, die (N+1)-PDU wird an einem (N)-Dienstzugangspunkt (Service Access Point, SAP) an die darunterliegende Schicht (N) abgegeben. Dort wird sie als (N)-Dienstdateneinheit (Service Data Unit, SDU) angenommen. [figure: (N)-SDU; SDU; (N)-SAP; (N+1); (N); (N-1); (N)-PCI; PCI; (N)-PDU; (N-1)-SAP; (N-1)-SDU; (N+1)-PDU]_{Bild n3p06} . .Der Protokollprozeß fügt die (N)-Protokollsteuerungsinformation (PCI) hinzu. Es ist Sache des Protokolls, an welcher Stelle die PCI zur SDU hinzugefügt werden, das kann am Anfang, am Ende oder zwischen den Daten der SDU sein (vgl. Start-Stop-Protokoll V.4). Ein Protokollprozeß kann auch PDUs ohne SDUs erzeugen, die dann nur Protokollsteuerungsinformation (N-PCI) enthalten und zur autonomen Koordination der entsprechenden Partnerinstanzen dienen. Die so entstandene (N)-Protokolldateneinheit (der Schicht (N)) wird an den Dienstzugangspunkt der darunterliegenden Schicht (N-1-SAP) weitergegeben. Dabei werden die Dateneinheiten immer umfangreicher.

Empfang von Dateneinheiten: Beim Empfang beim Partner einer (N)-Instanz wird eine N-PDU an einem SAP angenommen, der Verpackungsvorgang rückgängig gemacht, von der N-Instanz die Protokollsteuerungsinformation N-PCI ausgewertet und dementsprechend eine N-SDU an die darüberliegende Schicht abgegeben bzw. ihr angeboten. Beispiel: V.7 (s.w.u.)

c) Prozeßbeschreibung Ein Endlicher Automat (Finite State Machine) wird beschrieben durch:

– das Eingabealphabet {E},

– das Ausgabealphabet {A},

– die Zustandsmenge {Z},

– den Anfangszustand Z_{0},

– die Ausgabefunktion A = λ(E,Z),

– die Zustandsübergangsfunktion Z’ = δ(E,Z) Ein Endlicher Automat wird modelliert durch:

- Zustandsdiagramme

- Zustandstafeln, -übergangstabellen

- Beschreibungs- oder Spezifikationssprachen, z.B.: CC-Pascal (= Concurrent Pascal), CHILL (= CCITT High Level Language, Z.100) SDL (= Specification Description Language von CCITT, Z.200)

d) Komplexere Funktionen einer Instanz 1.) Segmentieren (Segmentation) [figure: SDU; SDU; SAP; (N+1); (N); (N-1); PCI; PCI; SDU; PDU; SDU; PCI; PCI; PDU; SAP; SDU]_{Bild n3p07} . .Dienstdateneinheiten (SDU), die zu groß sind, um durch die tieferliegende Schicht (N-1) transportiert zu werden, werden hier in Segmente geeigneter Größe zerlegt, mit eigener Protokollkontrollinformation (PCI), insbesondere einer Folgenummer versehen, und übertragen. Auf der Gegenseite müsen die Segmente wieder in der richtigen Reichenfolge zusammengesetzt werden (Reassembling), und der darüberliegenden Schicht (N+1) übergeben werden.

2.) Blocken (Blocking) [figure: SDU; SAP 0; (N+1); (N); (N-1); PCI; PCI; PDU; SDU; PCI; PCI; PDU; SAP; SDU; SDU; PDU; SDU; SAP 0; t; (N+1)-Instanz]_{Bild n3p08} . .Wenn vom Dienstbenutzer (einer (N+1)-Instanz) zu kleine Pakete als SDUs angeliefert werden, können sie (im Laufe der Zeit t) zu größeren Blöcken zusammengefaßt werden. Zwischen den Paketen muß geeignete Protokollkontrontroll- information (PCI) eingefügt werden, um die Pakete auf der Gegenseite wieder trennen zu können (Deblocking).

3.) Multiplexen (Multiplexing) [figure: SDU; SAP 1; (N+1); (N); (N-1); PCI; PCI; PDU; SDU; PCI; PCI; PDU; SAP; SDU; SDU; PDU; SDU; SAP 2; Instanz; Instanz]_{Bild n3p09} . .Wenn unterschiedliche (N+1)-Instanzen kleine Pakete anliefern, die vom Diensterbringer der Schicht N zu größeren Einheiten zusammengefaßt und an dieselbe Gegenstelle übertragen werden können, spricht man vom Multiplexen. Das Gegenstück ist das Demultiplexen.

3.1.5 Dienste

a) Dienstgruppen

– Allgemeine Dienstgruppen, die in (fast) allen Schichten vorhanden sind:

- CONNECT  zum Verbindungsaufbau (in der Regel ein bestätigter Dienst)
- DISCONNECT zum Verbindungsabbau (in der Regel ein bestätigter Dienst)
- DATA  zur Datenübertragung (in der Regel ein unbestätigter Dienst)
- ERROR  zur Fehlerbehandlung

– Schichtspezifische Dienstgruppen sind z.B.:

S-START ACTIVITY  Beginn einer Aktivität der Schicht 5 (session)
P-SELECT CONTEXT Auswahl eines Contexts in der Schicht 6 (presentation)

b) Diensttypen

(1) .request Anforderung (2) .indicate Anzeige (3) .response Antwort (4) .confirm Bestätigung 1–2 für unbestätigte Dienste 1–4 für bestätigte Dienste 1, 2, (4) für lokale Dienste . . [figure: .request; .confirm; .indicate; .response; Dienst; Bestätigung; A; B]_{Bild n3p10}

[figure: (N)-Instanz; (N)-Instanz; .req; .conf; .resp; .ind; (N-1)-Diensterbringer]

Bild n3p11

c) Dienstprimitive (Service Primitives) Schicht-Gruppe.Typ [parameter] Beispiele:

T-CONNECT.request (∼ call, wählen, Wählton)
T-CONNECT.indicate (∼ ring, klingeln, beim Partner)
T-CONNECT.response (∼ off-hook, abheben)
T-CONNECT.confirm (∼ connection indicator, Ende Rufton,Sprechbereitschaft)

Rückmeldung können aus verschiedenen Systemen kommen (z.B. Rufton als Bestätigung des Klingelns.

PL-DATA.request  (∼ senden, schreiben)
PL-DATA.indicate  (∼ empfangen, lesen)
DL-ERROR.indicate (Lokaler Dienst, es gibt nur dieses Dienstprimitiv bei Error)

ERROR-Anzeige kann sein: Interrupt oder Flag

3.1.6 Protokolle

- Vereinbarte Regeln zur Kommunikation zwischen Partnern.

- Regeln zur Nutzung der gemeinsamen Basismaschine.

- Festlegung des Protokollprozesses (der Protokollmaschine).

- Regeln für die Erzeugung und die Interpretation von PDUs.

Die Protokolle der einzelnen Schichten werden für jede Schicht gesondert in den folgenden Abschnitten dargestellt.

3.2 Die OSI-Schichten

- Jede Schicht hat eine darüberliegende und eine darunterliegende Nachbarschicht, ausgenommen die unterste und die oberste Schicht.

- Die einzelnen Schichten arbeiten weitgehend unabhängig voneinander.

- Die einzelnen Schichten werden unabhängig voneinander realisiert

- Die Instanzen der Schichten sind unterschiedlich realisiert,

- Die Instanzen können als Hard-, Soft- oder Firmware vorliegen

- Die Dienstzugangspunkte sind schichtspezifisch realisiert

- Jede Schicht bietet schichtunabhängige Dienste (z.B. CONNECT, DISCONNECT, DATA)

- Jede Schicht beinhaltet schichtspezifische Dienste

- Jede Schicht hat ihre eigenen Protokolle

Die Kommunikationspartner bilden eine Assoziation (association) in den Anwendungsorientierte Schichten (7,6,5) eine Verbindung (connection) in den Transportorientierte Schichten (4,3,2,1)

3.2.0 Das Medium

Zweck: Übertragung von Signalen Dienste: M - DATA.request (senden, Signale abgeben) M - DATA.indicate (empfangen, Signale annehmen) Instanzen: Das Medium (nur eine Instanz (!), daher nicht im BRM)

- Drähte (z.B. twisted pair)

- Coaxialkabel

- Lichtwellenleiter (LWL)

- Der ”Äther” (bei Funk- oder Infrarotübertragung)

- Luft (bei akustischer Übertragung) Dienstzugangspunkte, SAPs:

- Stecker, Kontakte (bei Drähten)

- Kontaktflächen (bei LWL)

- Antennen (beim Funk)

- Lautsprecher, Mikrofon (bei akustischer Übertragung) Dienstdateneinheiten, SDUs: Signale Protokolldateneinheiten, PDUs: keine Funktionen: Transport von Energie. Protokolle:

- Strom/Spannung (bei Drähten)

- Wellenlänge (bei LWL und Funk)

- Frequenz (bei akustischer Übertragung)

3.2.1 Die Bitübertragungsschicht (Physical layer)

Zweck: Bitübertragung zwischen Nachbarsystemen (Knoten) Dienste: Datenübertragung zwischen Nachbarsystemen (Knoten) PL-DATA.request PL-DATA.indicate Instanzen: Sender, Empfänger (beides Hardware) Dienstzugangspunkte, SAPs: Stifte, Buchsen Dienstdateneinheiten, SDUs: Bits Protokolldateneinheiten, PDUs: Signale Funktionen: Umsetzung von Bits in Signale und umgekehrt. (Signalcodierung) Protokolle: Die Darstellung von Daten (Bits) erfolgt in der Regel durch isochrone Signale, in Schritten gleicher Länge (Taktschritten). Die Datenübertragungsrate r wird in bps (Bits per second) gemessen, die Taktfrequenz (Baudrate) in Baud. Kanalkapazität: Die maximale Datenübertragungsrate r wird durch die Art des Übertragungskanals bestimmt: r_{max} = 2*B ld(n) beim rauschfreien Kanal, mit B = Bandbreite (in Hz) (die Baudrate ist 2*B) und n = Modulationstiefe (Anzahl unterschiedlicher Signalelemente), der ld = log_{2} (Logarithmus dualis) hat die Maßeinheit bit (Nyquist 1922). r_{max} = B ld(1 + S/N) beim rauschenden Kanal, S/N = Signal-Rausch-Verhältnis.

(Shannon 1948)

BER = \frac{1}{2} erf(X) ≈ \frac{e^{−X}}{2\sqrt{πX}} mit X = \frac{S}{N} \frac{Δf}{r} ist die Bitfehlerrate (Bit Error Ratio) (Sweeney 1992)

a) Basisbandverfahren(Gleichstromtelegraphie) Die Darstellung von Daten erfolgt durch (Gleichstrom-)Signale, deren Pegel oder Pegelwechsel die Information enthalten. Die einzelnen Taktschritte bzw. die darin enthaltenen Signalelemente können von sehr kurzer Dauer sein und erscheinen meist als Züge von Rechteckimpulsen. Ähnliche Verfahren findet man auch bei der Aufzeichnung von Daten auf Datenträgern (Magnetband, -platte, CD-ROM)

[figure: 1; 0; 1; 1; 0; 0; 1; 1; 1; 0; 0; 0; 1; 0; 1; Richtungstaktschrift; NRZ-Space; Wechselschrift; Return To Zero; Non Return to Zero; Daten; NRZ; RTZ; NRZ-1; Manchester-Code]

Bild n3p20

– Pegelorientierte Basisbandverfahren: Zur Darstellung von Bits (Binärzeichen) werden Gleichspannungs- oder -stromwerte verwendet.

- Einfachstrom-Verfahren: Signale mit nur einer Polarität, z.B. TTL und 20-mA-Stromschleife (Current Loop): ’1’ = 20 mA, ’0’= 0 mA.

- Doppelstromverfahren: Signale beider Polarität, z.B. V.28, V.11

- Richtungsschrift: Darstellung eines Bits durch einen konstanten Pegel des Signals über einen Taktschritt, z.B. NRZ (Non Return to Zero)

- Rückkehr nach Null, RTZ (Return To Zero): nur in der ersten Hälfte eines Taktschritts wird der dem Bit entsprechende Pegel dargestellt, in der zweiten Hälfte geht der Pegel auf Null zurück. Pegel: z.B.: V.28 (V.24) ’1’ = –15 bis –3 V ’0’ = +15 bis +3 V V.11 ’1’ = –5 bis –0,3 V ’0’ = +5 bis +0,3 V

– Flankenorientierte Basisbandverfahren: (Taktschrift) Zur Darstellung von Bits (Binärzeichen) wird der Wechsel zwischen zwei Pegeln verwendet, der in der Regel in der Mitte des Taktschritts erfolgt.

- Wechselschrift: Darstellung eines Bits durch Übergang (transition) zwischen zwei Zuständen (Pegelwechsel) in der Mitte eines Taktschritts, falls das Bit einen bestimmten Wert hat. Der Übergang wird auch als Flanke bezeichnet. z.B. NRZ-1 ≡ NRZ-mark

’1’ = Pegelwechsel ’0’ = kein Pegelwechsel

- Wechseltaktschrift (Two Frequency Encoding):

Pegelwechsel bei jedem Taktschritt, zusätzlicher Wechsel in der Taktmitte, falls das Bit einen bestimmten Wert hat, z.B. ’1’. Dadurch wird für einen Wert doppelt so viele Flanken erzeugt, was eine doppelt so hohen Pulsfrrequenz entspricht.

- Richtungstaktschrift (Phase Encoding, PE):

Darstellung des Bitwerts durch die Phasenlage eines isochronen Impulszuges, z.B.

- Manchester-Codierung (Bi-Phase-inverted): Darstellung eines Bits durch seinen Komplementwert in der ersten Hälfte eines Taktschritts und seines Werts in der zweiten Hälfte, bzw, durch einen negativen (0) oder positiven (1) Pegelwechsel in der Mitte des Taktschritts.

- Manchester-Differenzcodierung: Darstellung eines Bits durch Abwesenheit (0) oder Vorhandenseins (1) eines Pegelwechsels am Beginn eines Taktschritts, während in der Mitte immer ein Pegelwechsel erfolgt. Dieses Verfahren liefert dieselben Impulszüge wie die Wechseltaktschrift, allerdings um 1/2 Taktlänge verschoben.

- Alle Taktschriften erlauben die Wiedergewinnung der Datenrate. b) Breitbandverfahren (mit Modulation eines Trägers) Träger ist eine Schwingung oder Welle mit der Darstellung y(t) = A · sin(ωt + φ) Die Gesamtheit der Signalparameter (A, ω, φ) stellt den Signalzustand dar. Alle 3 Signalparameter (A, ω, φ) können zur Darstellung von Daten (Bits) verwendet werden.

[figure: 1; 0; 1; AM; FM; PM; A=1; A=0; A=1; ω = ω_{1}; ω = ω_{0}; φ = 0; φ = 1π; ω = ω_{1}; φ = 0]

Bild n3p22

Eine Modulation kann kontinuierlich (analog) erfolgen oder diskret (digital) als Umtastung, die mehrere (n) Zustände zuläßt, dann können pro Taktschritt mehr Daten übertragen werden: Die Daten- oder Bitrate (bit rate) r gemessen in Bits pro Sekunde (bit/s oder bps) ist dann gegeben durch:

r = f_{i} · log_{2}(n)

wobei f_{i} die Modulationsrate (Schrittgeschwindigkeit), d.h, die Zahl der Taktschritte pro Sekunde, gemessen in Baud, und n die Zahl der unterschiedlichen Signalzustände ist.

- Amplitudenmodulation (AM), Amplitudenumtastung (Amplitude Shift Keying, ASK): Darstellung von (Binär)zeichen durch unterschiedliche Werte der Amplitude A einer Schwingung oder Welle. NB: es empfiehlt sich, den Amplitudenwert A = 0 nicht zu verwenden, da sonst eine Unterbrechung der Übertragung als Signal gewertet wird. Diese Modulation ist störungsanfällig.

- Frequenzmodulation (FM), Frequenzumtastung (Frequency Shift Keying, FSK):

Darstellung von (Binär)zeichen durch unterschiedliche Werte der Frequenz ω einer Schwingung oder Welle. Falls Trägerfrequenz und Modulationsfrequenz nicht in einem ganzzahligen Verhältnist stehen, treten an den Schrittgrenzen diskontinuierliche Änderungen des Signals auf.

- Phasenmodulation (PM), Phasenumtastung (Phase Shift Keying, PSK): Darstellung von (Binär)zeichen durch unterschiedliche Werte der Pasenlage φ einer Schwingung oder Welle. Hier treten an den Schrittgrenzen fast immer diskontinuierliche Signaländerungen auf.

- PDM = Phasendifferenzmodulation:

Darstellung des Binärzeiches durch Abwesenheit (0) oder Anwesenheit (1) eines Phasenwechsels in der Taktmitte (vgl. Wechselschrift).

- Pulscodemodulation, PCM: Vorgang, bei dem ein Signal abgetastet, jeder Abtastwert unabhängig von den anderen Abtastwerten quantisiert und die sich ergebende Folge von quantisierten Werten durch Codierung in ein digitales Signal umgesetzt wird. (IEV 702-06-59). Zum Beispiel:

- Pulsfrequenzmodulation, PFM: Pulszeitmodulation, bei der sich die Pulsfrequenz in Übereinstimmung mit einer gegebenen Funktion des Wertes des modulierenden Signals ändert. (IEV 702-06-58 )

c) Eine Auswahl von Normen zur Breitbandübertragung: CCITT (ITU-T) unterscheidet zwischen 2-Draht-Leitungen (über das öffentliche Telefonnetz - public switched telephone network PSTN bzw. general switched telephone network PSTN) und (gemieteten 4-Draht-Standleitungen - point-to-point 4-wire leased telephone-type circuits)

- V.21: Modem 300 Baud, FM (FSK), full duplex FDX, 2-Draht-Leitung A: ’0’ = 1180 Hz ’1’ = 980 Hz B: ’0’ = 1850 Hz ’1’ = 1650 Hz

- V.22: Modem 600 - 1200 Baud, PM (PSK), half duplex, 2-Draht-Leitung Trägerfrequenzen: Kanal 1: 1200 Hz, Kanal 2: 2400 Hz.

A: 600 Baud synchron 2-wertige PM: ’0’ = +90^{∘}
’1’ = −90^{∘}
B: 1200 Baud asynchron 4-wertige PM: ’00’ = +90^{∘}
’01’ =  0^{∘}
’10’ = −90^{∘}
’11’ = 180^{∘}

- V.23 Modem 600/1200 Baud auf 2-Draht-Wählleitungen: HDX-Übertragung mit 2wertiger FSK (’0’ = 450 Hz, ’1’ = 390 Hz) mit Signalisierungshilfskanal (75 Baud).

- V.27 Modem 4800 bps auf 4-Draht-Standleitungen: FDX-Übertragung von 3- Bitgruppen durch 8-wertige Phasendifferenzmodulation mit 1600 Baud auf 1800 Hz Träger.

- V.29 Modem 9600 bps auf 4-Draht-Standleitungen: FDX-Übertragung von 2-, 3oder 4-Bitgruppen im kombinierten ASK und PSK mit 2400 Baud auf 1700 Hz Trägerfrequenz. Darstellung der Signalcodierung in Polarkoordinaten (A, φ)

[figure: 9600 bps (1111); 7200 bps ( 111); 4800 bps ( 11); 1000; 0000; 0001; 1001; 1010; 0010; 1011; 0011; 1111; 0111; 1110; 0110; 0100; 1100; 1101; 0101; 1; 2; 4; 5]

Bild n3p24

- V.32bis Modem mit Übertragungsraten bis zu 14400 bps auf 2-Draht-Leitungen im öffentlichen Telefonnetz. (A duplex modem operating at data signalling rates of up to 14 400 bit/s for use on the general switched telephone network and on leased point-to-point 2-wire telephone-type circuits) FDX-Übertragung auf der gleichen Trägerfrequenz (f=1800 Hz) mit Echounterdrückung, kombinierte ASK und DPSK mit 2400 Baud, zusätzlicher Codierung von 6 in 7 bit Gruppen (Trellis-Codierung) zur Fehlererkennung. (bei 4800 bps uncodiert, vgl. V.29).

Modem = Modulator + Demodulator

– Amplitudenmodulation

– Amplitudenumtastung: (stark vereinfacht) Zur Modulation dient im einfachsten Fall ein Gatter, das das Trägersignal (mit der Trägerfrequenz f_{0} durchläßt oder sperrt) Zur Demodulation dient ein einfacher Einweggleichrichter (Diode D) und ein RC-Glied zur Glättung (Filter).

Modulator [figure: f_{0}; &; Träger; Daten; AM] Bild n3p25a  .  .^{^{R}  \overline{}^{AM} ⊳}_{Bild n3p26a}^{Demodulator}

– Frequenzmodulation

– Frequenzumtastung: (stark vereinfacht) Zur Modulation dient im einfachsten Fall ein Umschalter zwischen 2 Trägerfrequenzen (f_{0} und f_{1}), der hier aus 2 Gattern dargestellt wird, die mit dem Datensignal bzw. seinem Inversen angesteuert werden wie bei der Amplitudenumtastung und jeweils das eine oder das andere Trägersignal durchlassen. Anschließend werden beide Signale zusammengeführt (+) und übertragen. Zur Demodulation sind 2 Filter (Bandpässe) notwendig, die auf die beiden Trägerfrequenzen abgestimmt sind, und entweder das eine oder andere Trägersignal durchlassen. Anschließende werden beide Signale (in Gegenrichtung) gleichgerichtet, wie bei der Amplitudenmodulation und zusammengeführt; diese Demodulation enthält eine gewisse Redundanz.

Modulator [figure: f_{1}; Träger; Daten; f_{0}; Träger; \overline{Daten}; &; &; +; FM] Bild n3p25b  .  .Demodulator [figure: f_{1}; f_{0}; FM; AM; AM] Bild n3p26b

– Phasenmodulation

– Phasenumtastung: (stark vereinfacht) Zur Modulation dient im einfachsten Fall ein Umschalter zwischen dem Trägerfrequenzsignal (f_{0}) und seinem Inversen (180^{∘} Phasendrehung) wie bei der Frequenzumtastung. Zur Demodulation wird das phasenmodulierte Signal mit einem Referenzsignal gleicher Frequenz (f_{0}) gemischt; in diesem Beispiel werden beide Signale einfach addiert, so daß das phasenrichtige Signal verdoppelt und das phasengedrehte Signal anulliert wird. Voraussetzung hierfür ist, daß die Amplituden und die Phasen von Träger und Referenzsignal übereinstimmen. Anschließend muß wieder eine Amplitudendemodulation (Gleichrichtung) erfolgen.

Modulator [figure: f_{0}; Träger; Daten; Inverter; \overline{Daten}; &; &; +; –; PM] Bild n3p25c  .  .[figure: f_{0}; Träger; ⊕; PM; Daten]_{Bild n3p26c}^{Demodulator}

3.2.2 Die Sicherungschicht (Data-link layer)

Zweck: Gesicherte Datenübertragung zwischen Nachbarsystemen. Dienste: DL-CONNECT.** DL-DISCONNECT.** DL-DATA.* DL-ERROR. indicate (wichtig!) {.** bedeutet bestätigte Dienste: request, indicate, response, confirm} {.* bedeutet unbestätigte Dienste: request, indicate} Instanzen: Hardware, und zwar:

– ICs, z.B.

UART (=Universal Asynchronous Receiver/Transmitter),

PUSART (=Programmable Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)

– (Netzwerk-)Karten. Dienstzugangspunkte, SAPs: Register von Integrierten Bausteinen (USART, PUSART) Dienstdateneinheiten, SDUs: Bits, Bytes, Blöcke, Pakete Protokolldateneinheiten, PDUs: Bits, Bitgruppen (Nibbles) Funktionen:

- Aktivieren und Deaktivieren von Systemverbindungen für die Dienste CONNECT und DISCONNECT

- Datenübertragung (Ein-/Auspacken von Nutzdaten SDU/PDU) für den DATA-Dienst

- Datensicherung, für ERROR.indicate Fehlererkennung z.B. mit Prüfbits, ... , CRC (= Cyclic Redundancy Check) Fehlerbehebung z.B. mit ECC

- Flußkontrolle (Start-/Stopbetrieb)

- Splitten auf mehrere PL-Schicht-Diensterbringer, z.B. auf Parallelübertragung

[figure: 2; 2; 1a; 1b; 1c]

Bild n3p30

Protokolle: Eine Auswahl von Normen und Standards:

- ISO 8886 (OSI- Data Link Service)

- ISO 3309 (HDLC Frame Structure)

- ISO 7776 (HDLC - X.25 LAPB - Link Access Procedure Balanced mode)

- ISO 8471 (HDLC address resolution and negotiation)

- ISO 7478 (multi link procedures)

- CCITT V.24 (serielle Schnittstelle)

- CCITT X.21 (seriell, synchron)

- CCITT X.25 (Datex-P)

- CCITT T.70/71 (Dienste und Protokolle im Telexnetz)

- CCITT I.440/441 (ISDN Interface)

- IEEE 802 = ISO 88802 = CCITT X.200 (LAN-Protokolle) Beispiel: V.24 (RS-232 C, DIN 66020) Die V.24-Schnittstelle ist viel älter als ISO-OSI. Sie läßt sich aber mit etwas Umsicht in OSI einordnen: Ein Teil von V.24 und den damit zusammenhängenden CCITT-Empfehlungen gehören zur Schicht 1 (PL), die übrigen zur Schicht 2 (DL).

– Zur Schicht 1 (Bitdarstellung) gehören:

a) Die Signale

- TxD Transmit Data = DATA.request

- RxD Receive Data = DATA.indicate

- CTS Clear to send ≈ CONNECT. indicate

- RTS Request to send ≈ CONNECT. request

- DTR Data terminal ready

- DSR Data set ready Die letzten vier Signale dienen zur Modemsteuerung (handshaking)

b) Die Pegel nach V.28 (s.w.o.)

– Zur Schicht 2 (Sicherung) gehören:

1. Unterschiedliche Datenübertragungsprotokolle

a) ein asynchrones Protokoll: V.4

[figure: 1; 0; Ruhe; S; Start; 5-8 Datenbits; (P); MSB; LSB; Prüf; bit; Stp; Stop-; bits; =; Mindest-; ruhezeit; bit]

Bild n3p31

b) verschiedene synchrone Protokolle, z.B.

- BSC (= binary synchronous communication protocol)

- SDLC (Synchronous Data Link Control)

- HDLC (High-level Data Link Control)

- LAPB (Link Access Control Balanced mode)

Byte Byte + Rahmen  Byte + Rahmen Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Pause Pausenzeichen a) b)

Bild n3p32

- a) Asynchrone Übertragungsprotokolle zeichnen sich dadurch aus, daß es Ruhezeiten beliebiger Länge (größer als die Mindestruhezeit der Stop-bits) gibt, nach denen ’asynchron’ also zu einem beliebigen Zeitpunkt, ein Bitrahmen (s.o.) übertragen wird.

- b) Synchrone Übertragungsprotokolle ergeben einen andauernden Strom von Bits und Bytes, während der Pausen werden Pausenzeichen (z.B. das ASCII-Zeichen ’SYNC’ = 16_{16}) übertragen. NB: Ein anderes bekanntes Protokoll der Schicht 2 ist die parallele Schnittstelle

nach Centronics. Hier werden die Daten auf mehrere (8) Schicht-1-Maschinen gesplittet und dort nach TTL-Protokoll übertragen.

2. Unterschiedliche Fehlererkennungsprotokolle

- a) beim asynchronen Protokoll V.4:

optionale Paritätsprüfung für n Datenbits, Rahmenprüfung auf Eintreffen der Stoppbits nach 1+n+p Schritten, Flußprüfung auf Einhalten der Mindestruhezeit (s Stoppbits).

- b) bei den synchronen Protokollen: BSC, SDLC, HDLC, LAPB wird keine Prüfung auf der Bit/Zeichenebene durchgeführt, sondern meist in höheren Schichten, wo Prüfsummen über Zeichenfolgen erzeugt und auf Schicht 2 als ’normale’ Daten übertragen werden.

3.2.2.1 Verfahren zur Fehlererkennung und -behebung

a) Erkennbarkeit und Korrigierbarkeit von Fehlern nach Hamming (1950)

- der Hamming Abstand d ist der (theoretische) Mindestabstand von zwei korrekten Bitmustern = Anzahl der unterschiedlichen Stellen in zwei richtigen Bitmustern.

- Um x Fehler zu erkennen muß d ≥ x + 1 sein.

- Um y Fehler zu korrigieren muß d ≥ 2 · y + 1 sein.

- Das heißt: x ≈ 2 · y es können nur halb soviele Fehler korrigiert werden, wie erkannt werden können. Beispiel: 1 Prüfbit/Wort (gerade Parität)

0 0 0 0 0 0 richtig
0 0 0 0 0 1 falsch
0 0 0 0 1 0 falsch
0 0 0 0 1 1 richtig
0 0 0 1 0 0 falsch
0 0 0 1 0 1 richtig

Daraus ergibt sich: d = 2 (richtige Bitmuster unterscheiden sich an zwei Stellen); x = 1 Erkennung von 1-Bit Fehlern oder einer ungeraden Anzahl von Fehlern (2k + 1) in einem Wort mit n > k/2 Bits. y = 0 keine Möglichkeit für eine Fehlerkorrektur.

b) Fehlererkennung

1. Paritätsprüfung (parity check) Das Prinzip: An jedes zu übertragenden Wort (Bitfolge), die als Dienstdateneinheit (SDU) übernommen wird, wird ein Prüfbit (parity bit) angehängt derart, daß die Quersumme (modulo 2) ”0” oder ”1”, also die Summe aller ”1”-en gerade (even) oder ungerade (odd) wird. In V.4 ist diese Paritätsprüfung frei wählbar und muß bei Sender und Empfänger übereinstimmen.

- keine Paritätprüfung

- gerade Parität (even parity)

- ungerade Parität (odd parity)

- Füllbit ”0” (space)

- Füllbit ”1” (mark) Die Fehlerrate sei z.B. p_{0} < 10^{−4}, und es werde eine Poissonverteilung angenommen, d.h. das Auftreten der Fehler sei voneinander unabhängig (was in der Realität nicht immer gwährleistet ist) Die Wahrscheinlichkeit für einen 1-Bit Fehler in einem n-Bit Rahmen ist dann:

p_{1} = n · p_{0} < 8 · 10^{−4} Die Wahrscheinlichkeit für 2 Bit-Fehler in einem n-Bit Rahmen ist:

p_{2} = n · p_{0} · (n − 1) · p_{0} < 7 · 8 · 10^{−8} ≈ 0.510^{−6} 2. Zyklische Polynomcodes (Cyclic Redundancy Check, CRC) Das Prinzip:

- Eine Bitfolge mit n Datenbit wird als n-stellige Dualzahl D betrachtet

- Diese Zahl wird durch eine andere, das Generatorpolynom G mit m bit Länge, dividiert (0 < m < n): D div G = Q Rest P

- Der Rest P=P(D) wird an die Bitfolge D angehängt, das ergibt eine neue Zahl R = D · 2^{m} + P, die ohne Rest (mod 2) durch G dividierbar ist.

- Diese Prüfung wird beim Empfang durchgeführt.

- Ist bei der Übertragung ein Fehler aufgetreten, so hat sich der Wert der übertragenen Zahl R um einen Wert E geändert und gibt bei der Division durch G nicht mehr 0 sondern E/G. Falls jedoch E durch G ohne Rest teilbar ist, wird kein Fehler erkannt.

Anmerkung: Die hiergenannten Zahlen (D, G, P) stellen als Bitfolgen Dualzahlen dar: ∑_{i=0}^{n} x_{i} · 2^{i}. Für eine verkürzte Darstellung werden nur die Glieder der Reihe angeben, deren Bits ’1’ sind, in der Form: x^{m} + x^{l} + ... + 1. Den Dualwert erhält man durch Einsetzen von x = 2. Der Grad des Generator-Polynoms G muß m ≥ 1 sein, d.h. G≥ 3.

Beispiel: Bitfolge: 100010010001 Zahl: 891_{h} = 2193 Polynom: x^{11} + x^{7} + x^{4} + 1 Die Art der erkennbaren Fehler hängt stark vom Generatorpolynom G ab:

- um 1-Bit-Fehler zu entdecken, muß G ungerade sein, also LSB = 1 (s.o. x^{0} = 1)

- um 2-Bit-Fehler zu entdecken, darf G kein Teiler von 2^{n} + 1 sein

- falls G eine Primzahl ist oder große Primzahlen als Teiler enthält, werden ebenfalls viele Fehlerkonstellationen erkannt, z.B. Bündelfehler (bursts) bis zur Länge m.

Genormte Generatorpolynome:

- CRC-12: x^{12} + x^{11} + x^{3} + x^{2} + x^{1} + 1 = 6159 = 3 · 2053(3*prim)

- CRC-16: x^{16} + x^{15} + x^{2} + 1 = 98309 = 37 · 2657(37*prim)

- CCITT V.42: x^{16} + x^{12} + x^{5} + 1 = 69665 = 5 · 13933 (5*Primzahl)

Diese Prozedur kann recht einfach auf Hardware-Ebene (billig und schnell) realisiert werden. Benötigt werden nur XOR-Gatter und ein Schieberegister, in das an den Prüfpositionen (x^{i} = 1) XOR-Gatter eingefügt sind.

[figure: +; +; +; 16; 12; 5; 0]

Bild n3p35

Hardware für den CRC nach CCITT V.42 c) Fehlerbehebung durch ECC (= Error Correcting Codes)

1. Blocksummenprüfung

Block von Oktetts mit Querparität

Längsparität

⟵  Nutzdatenbytes  ⟶ ↓
↑  1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0  ↑
0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1
1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1
frames 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 Nutz-
0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0  bits
1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0
0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1  ↓
↓ Quer 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 parität

1-Bit Fehler: ist erkennbar, lokalisierbar und somit korrigierbar 2-Bit Fehler: ist erkennbar, aber nicht eindeutig lokalisierbar und somit nicht korrigierbar 3-Bit Fehler: ist erkennbar, im ’worst case’ wird er als 1-Bit Fehler behandelt und falsch korrigiert 4-Bit Fehler: im ’worst case’ nicht erkennbar

2. Hamming Codes Hier werden die Bits nicht in einer einfachen Blockmatrix angeordnet, sondern eher im Dreieck, in Blöcken wachsender Länge. Die Prüfbits werden ebenfalls für Gruppen von Bits erzeugt, die aber anders angeordnet sind.

Das Prinzip

- Die Nutzbits b_{i} (i ∈ (1....m)) werden in Gruppen wachsender Länge (2^{j} − 1) mit gleichgroßen Lücken zusammengefaßt,

- je Gruppe wird ein Prüfbit p_{j} (gerader) Parität bestimmt (j ∈ (1..r) mit r ≥ log_{2}(m + r + 1) b.z.w. 2^{r} − 1 ≥ m + r)

- die Prüfbits werden nach Vorgabe zwischen die Nutzbits eingesetzt

- Bei der Kontrolle wird festgestellt, welche Prüfbits falsch sind.

Anordnung von Nutz- und Prüfbits:

p_{0} p_{1} d_{1} p_{2} d_{2} d_{3} d_{4} p_{3} d_{5} d_{6} d_{7} d_{8} d_{9} d_{10} d_{11} p_{4}... Die Bestimmung der Prüfbits:

p_{0}  d_{1}  d_{2}  d_{4}  d_{5}  d_{7}  d_{9}  d_{11}
p_{1} d_{1}  d_{3} d_{4}  d_{6} d_{7}  d_{10} d_{11}
p_{2} d_{2} d_{3} d_{4} d_{8} d_{9} d_{10} d_{11}
p_{3} d_{5} d_{6} d_{7} d_{8} d_{9} d_{10} d_{11}

Fehlerkorrektur:

- Beim Empfang werden die Prüfbits neu bestimmt.

- Abweichende Prüfbits werden als ”1” betrachtet, die anderen als ”0”.

- Aus diesen Bits wird ein Wort gebildet, dessen Wert ergibt unmittelbar die Position des verfälschten Bits.

- Dieses Bit negiert.

- Beim Auftreten von 2-Bit-Fehlern versagt dieses Verfahren und führt zu falschen Korrekturen !

d) Effizienz Als Effizienz E eines Codes wird das Verhältnis der Anzahl n der Nutzbits zur Gesamtzahl (n+m) der übertragenen Bits bestimmt, wobei m die Zahl der Prüfbits ist.

E = \frac{n}{n+m} < 1

Als Redundanz R wird der Überschuß an Prüfbits betrachtet:

R = 1 − E

3.2.2.2 Rahmen (framing)

Aus- und Einpacken von SDUs in PDUs Zweck: Abgrenzen (delimiting) und Synchronisation (synchronization) von Datenströmen, das Auffinden von Beginn und Ende einer SDU innerhalb einer PDU

a) Start-Stop-Prozedur V.4 bei der asynchronen seriellen Schnittstelle (V.24) Framing auf Bit-Ebene:

- Startbit = erstes Bit, das ≠ Ruhezustand ist

- n Datenbits mit n = 5, 6, 7, 8 (wählbar)

- p Prüfbit mit p = 0,1 (wählbar), Parität (odd, even) wählbar

- s Stopbits mit s = 1, 1.5, 2.0 (wählbar)

b) Synchrone serielle Prozeduren: Framing auf Byte-Ebene (1 Byte = 1 Oktett = 8 bit) BSC = Binary synchronous communication protocol, BiSync (SDLC = Synchronous Data link control protocol)

Code-abhängig

Pausenzeichen SYN $16 ASCII
Start of Header SOH $01 ASCII
Start of Text  STX $02 ASCII
End of Text  ETX $03 ASCII
End of Block  ETB $04 ASCII

Struktur:

SYN SYN SOH header STX text ETB/ETX checksum SYN

c) Bitorientierte Protokolle Keine Strukturierung in Oktetts z.B. HDLC (= High level data link control protocol) Rahmen werden durch Flags gebildet: HDLC - Flag = 0 1 1 1 1 1 1 0 = $ 7E

Falls dieses Zeichen ($7E) oder ähnliche im Datenstrom auftauchen, erfolgt Bitstuffing: Nach je fünf Einsen eine Null einschieben. Beispiel:

Daten DL-SDU: 0 1 1 1 1 1 1 1  Oktett
PL-PDU: 0 1 1 1 1 1 0 1 1 Nonett

d) Rahmengrößen Die Verfahren (a) - (c) beinhalten keine prinzipielle Einschränkung der Größe der Datenblöcke. Mit der Rahmengröße wächst einerseits die Fehlerwahrscheinlichkeit, andererseits steigt die Effizienz.

a) bei V.4 sind 5 bis 8 Datenbits vorgesehen, eine Erweiterung ist denkbar.

b) bei X.25 (HDLC) sind es maximal 128 Bytes an Nutzdaten und 2 Bytes CRC Prüfsumme,

c) bei LAPB ist die Zahl der Nutzdaten nicht begrenzt.

3.2.2.3 Kompression (data compression)

Verringerung der zu übertragenden Datenmenge (entropy encoding)

a) Lauflängen-Codierung (run length encoding)

Falls mehr als 4 gleiche Zeichen (Bytes, Ok- tetts) aufeinander folgen, werden sie durch einen Rahmen ersetzt: Falls Zeichen = F lag muß in jedem Fall codiert werden.. . Flag Zeichen Länge Oktetts 1  1  2

b) Statistische Codierung (statistical encoding) Ersetzung von längeren, häufiger vorkommenden Zeichenketten durch Code-Symbole (vgl. Morse-Code: die häufigsten Zeichen sind die kürzesten ”e” = · ) Dazu muß der zu übertragende Text (Datei) zuerst auf die Häufigkeit der darin vorkommenden Zeichen (Oktetts) analysiert und einander zugeordenet werden. Aus den Zeichen und ihren Häufigkeiten werden neue, unterschiedlich lange Symbole gebildet und übertragen. Huffman Codierung Ziv-Lempel Algorithmus

c) Farbwerttabellen (Color Look Up Tables CLUT) Bei Farbbildern sind die Pixel durch RGB–Werte (Rot Grün Blau) dargestellt. Meist je ein Oktett pro Farbe (RGB), d.h. 2^{24} mögliche Farbwerte, die selten ausgeschöpft werden. Nach Feststellung aller vorkommenden Farbwerte, werden diese in eine Tabelle gestellt (die kürzer ist als 2^{24}) und durch ihre Position in der Tabelle ersetzt (die Tabelle muß natürlich auch übertragen werden)

3.2.3 Die Vermittlungschicht (Network layer)

Zweck: Verbindung von Endsystemen (end-to-end-connection) Dienste: N-CONNECT.** N-DISCONNECT.** N-DATA.* N-ERROR.indicate N-EXPRESS DATA.* (Datagramme) N-EXPEDITED DATA.* (Vorrangdaten) N-QUALITY.request (Qualitätsanforderung) N-RESET.* (Netzwerk reset) {.** bedeutet bestätigte Dienste: request, indicate, response, confirm} {.* bedeutet unbestätigte Dienste: request, indicate} Instanzen: Hardware, Software, Firmware: HW: (Intelligente) Controller SW: Treiber, Netzwerksoftware z.B. Net BIOS FW: Software in ROM eingebrannt (unveränderbar, um Vorschriften einzuhalten) Dienstzugangspunkte, SAPs: Adressen von Controller-Registern Adressen von Routinen (z.B. im BIOS) SW-Interrupt Vektoren ← Trap Instruction Dienstdateneinheiten, SDUs: Nachrichten, Telegramme Protokolldateneinheiten, PDUs: Bits, Bytes, Blöcke, Pakete Funktionen:

a) Herstellen, Überwachen und Beenden von Verbindungen (Routing):

- Wahlleitungen

- PVC (Permanent Virtual Connection)

- SVC (Switched Virtual Connection)

- Datagramme Einschließlich der Zuordnung von Betriebsmitteln im System (mit Hilfe des Betriebssystems)

b) Datenübertragung zwischen Endsystemen

c) Segmentieren und Reassembling von Paketen (Verkürzen von Nachrichten)

d) Flußregelung (z.B.: bei Pufferüberlauf)

e) Fehlerbehebung (durch Wiederholung) oder Fehlermeldung (bei nichtbehebbaren Fehlern)

f) Multiplexen von Transportverbindungen

Protokolle:

- CONS = Connection Oriented Network Services, z.B. X.25 PVC und SVC

- CLNS = Connectionless Network Services, Datagramme

- LAN-Protokolle (IEEE 802 = ISO 8802)

[figure: 3; 2; 1; 4; 4; 3; 2; 1; 4; 4; Schicht-3-Protokolle; Schicht-2-Diensterbringer]

Bild n3p36

Normen und Standards: CCITT X.21: DTE-DCE Interface for Circuit-Switched Public Data Networks CCITT X.25: DTE-DCE Interface for Packet-Switched Public Data Networks CCITT X.121: International Nubering Plan CCITT X.213: OSI Network Services Definitions CCITT X.223: OSI Network Protocol Definitions CCITT E.163: Numbering Plan for the International Telefone Services CCITT E.164=I.331 Numbering Plan for Integrated Services Data Network ISDN CCITT I.330: ISDN Numbering and Addressing Principles CCITT I.450 ISDN Network Services (layer 3) CCITT T.90 Telematic Services ISO 3166 Ländernamen ISO 6523 Namen von Organisationen ISO 8348 = X.213 ISO 8208, 8878 X.25 Packet Protocol (CONS) ISO 8473 Datagram Protocol (CLNS) ISO 8880 Network Services ISO 8881 Anwendung von X.25 in LANs nach ISO 8802 ISO 8648 Interne Struktur der Schicht 3 (Unterschichten) ISO 9542 Protokolle zwischen End- und Transitsystemen

Netzwerkklassen (Güte)

Typ A: Fehlerfrei (LAN)
Typ B: Keine Datenfehler aber Netzzusammenbrüche (z.B.: X. 25, WAN)

Beim Zusammenbruch kommt der Dienst: N-RESET.indicate

Typ C: Keine Datenfehler aber Verlust u. Verdopplung von Paketen und

Systemzusammenbrüche (z.B.: ARPANET, Internet, GANs)

Verbindungen zwischen Endsystemen

a) Verbindungsarten:

- verbindungsorientiert (CONS) / verbindungslos (CLNS)

- Leitungsverbindungen / Virtuelle Verbindungen (Speichervermittlung, Paketdienste) kennzeichnend für virtuelle Verbindungen ist store and forward.

[figure: CONS; CLNS; Application; Presentation; Session; Transport; Network; Data Link; Physical]_{Bild n3p37} . .Im OSI-Stack werden verbindungslose Dienstanforderungen in der Regel auch durch verbindungslos arbeitende Diensterbringer (darunter liegende Schicht) erbracht. In den (transportorientierten) Schichten 3 und 4 kann hiervon abgewichen werden. So kann eine virtuelle Verbindung der Schicht 4 durch Datagramme der Schicht 3 hergestellt werden (bei TCP/IP). Um gekehrt kann es sein, daß für ein Datagramm der Schicht 4 auf der Schicht 3 eine Verbindung aufgebaut werden muß.

b) Routing (Wegewahl)

Grundlage sind feste Verbindungen (Leitungsverbindungen) der Schicht 1.

Virtuelle Verbindungen (PVC und SVC) werden auf Schicht 3 abgehandelt PVC, feste virtuelle Verbindungen In jedem Knotenrechner (A ... F) werden Tabellen eingerichtet, nach denen per Softoder Hardware Verbindungen zwischen Eingangs- und Ausgangsports hergestellt werden, den Zugangspunkten von Schicht-2-Basismaschinen. Diese Listen werden beim Einrichten eines PVC (z.B. Datex-P10) gefüllt und im Arbeitsspeicher gehalten. Für einen Restart müssen sie natürlich auch auf Massenspeichern (Festplatte) vorgehalten werden.

Vorteil dieser Methode ist eine einfachere Software,

Nachteil ist der notwendige manuelle Eingriff (wie beim Verdrahten einer Standleitung) und die dauernde Belegung von Betriebsmitteln; es ist also teuer.

[figure: A; B; E; F; C; D; H; H]_{Bild n3p38}  . .Beispiel: Liste (A): Eingang  Ausgang port1 (H) port6 (B) .  . .  . .  . port4 (E) port5 (H)

SVC, gewählte virtuelle Verbindungen Die Tabellen in den Knotenrechnern werden mit Hilfe von geeigneten Algorithmen (Routing-Algorithmen) dynamisch erstellt und verwaltet. (z.B.: ’shortest path’). N-CONNECT: Ein Datagramm durchläuft (als Scout) das Netz und hinterläßt

eine Spur in Form von Listeneinträgen. Wenn der Scout am Zielrechner angekommen ist, wird eine Rückmeldung (Bestätigung) an den Quellrechner geschickt, und zwar genau über den Weg, den der Scout vorher ausgesucht hat. Diesen Weg nehmen dann auch die Daten.

N-DATA: Die Daten werden über die bestehende virtuelle Verbindung ge-

leitet wie beim PVC.

N-DISCONNECT: Die Listeneinträge werden wieder gelöscht, die Betriebsmittel frei-

gegeben.

Vorteil dieser Methode ist die bessere Ausnutzung von Betriebsmitteln, Nachteil ist die Fehleranfälligkeit.

[figure: A; E; B; G; H; C; F; D]_{Bild n3p39} . .Beispiel: Liste (G) Eingänge Ausgänge port 1 (A) - port 2 (E) - port 3 (H) - Die Eingänge sind fest zugeord- net, die Ausgänge werden dy- namisch bestimmten Ports zuge- ordnet, die fest an andere Rech- ner angeschlossen sind.

c) Flußkontrolle, Datenflußsteuerung Bei Store and Foreward (Speichervermittlung) kann der Speicher überlaufen, daher

muß Datenfluß gesteuert werden. (vgl. <Ctrl/S> / <Ctrl/Q> am Terminal) [figure: 1; 2; ACK; ACK] Bild n3p40a Stop & Go Betrieb: nach jedem Paket erfolgt eine Bestäti- gung (ACK). . [figure: 1; 2; 3; 4; ACK(1)] Bild n3p40 Sliding Window: der Sender erwar- tet eine Bestätigung (ACK) des Pakets i-n vor dem Senden des Pakets i (hier ist n=3 gesetzt).

Dienste nach X.213 ≡ ISO 8348 PDU-Paketgröße = 63 Byte

Funktionsaufrufe für verbindungsorientierte Dienste (CONS): N-CONNECT.**(Ziel,Quelle, Bestätigt, Beschleunigt, Qualität(sstufe), Restdaten) N-DISCONNECT.**(Ziel, Quelle, Daten) N-DATA.*(Daten) N-DATA ACKNOWLEDGE.*() N-RESET.*(Quelle, Grund) {.** bedeutet bestätigte Dienste: request, indicate, response, confirm} {.* bedeutet unbestätigte Dienste: request, indicate}

Funktionsaufrufe für verbindungsorientierte Dienste (CONS): N-UNITDATA.*(Ziel, Quelle, Qualität(sstufe), Daten) ≤ 63 KByte N-FACILITY.request(Qualität(sstufe)) N-FACILITY.indicate(Ziel, Qualität(sstufe), Grund) N-REPORT.indicate(Ziel, Problem, Grund)

Dienste nach X.25 ≡ ISO 8208 (Datex-P) Übermittlungsstruktur

[figure: DEE; DÜE; DVSt; DSE; DCE; X.25; DTE; X.29; X.29; 3; 2; 1; X.25 layer 3 = ISO 8208; X.25 layer 2 = HDLC, LAPB, X.21; X.25 layer 1 = V.28, X.21bis; X.28; X.75; N; DL; PL]

Bild n3p41

DEE = Datenendeinrichtung  ≡ DTE = Data Terminal Equipment
DÜE = Datenübermittlungseinrichtung ≡ DCE = Data Circuit terminating

Equipment

DVSt = Datenvermittlungssation  ≡ DSE = Data Switching Exchange

Bei Endeinrichtungen (DTE), die nur im Start-Stop-Betrieb (V.24 asynch) arbeiten, muß zwischen DTE und DCE (Modem) ein spezielles Protokol (X.29) und zwischen DCE und DSE (hier PAD = Packet Assembler and Dissasembler genannt) eine spezielle Übertragungsprozedur (X.75) eingehalten werden.

CALL.request = N-CONNECT.request(indicate) – PDU (an Schicht 2):

←  8 Bit  → 0001  group channel typ = 0000 1011  (1) length of calling address length of called address calling address  (2) ≈  ..  ≈ called address 00  facilities length facilities  (3) max user data  16 Byte . .1: header Virtual Channel (VC) = group + channel 2: Adreßformate gemäß X.121 3: z.B. R-Gespräch,

CALL.accepted = N-CONNECT.response(confirm) – PDU (an Schicht 2)

wie oben, mit:

– Typ = 0000 1111

– facilities werden bestätigt oder mit einem Gegenvorschlag beantwortet, z.B.:

- 0000 0001 : use extended (7 bit) Numbers

- 0000 0010 : set nonstandard window size

- 0000 0011 : set nonstandard packet size

- 0000 0100 : set throughput class (75 bps bis 48 Kbps)

- 0000 1100 : Request reverse charging

- 0000 1101 : Accept reverse charging

- 0000 1111 : Select carrier (z.B. AT&T, Bell, TELENET, TYMNET,...)

Packet = N-DATA.request(indicate) – PDU (an Schicht 2):

wie oben, mit:

– Typ = PPPM SSS0 (LSB = 0 : Daten)

- PPP = Piggiback (Bestätigung des zuletzt erhaltenen Pakets, vgl. SSS)

- M = More: = 1 für Pakete einer Nachricht

- M = More: = 0 für das letzte Paket einer Nachricht

- SSS = Sequence number (aktuelle Paketnummer Dienste im Internet (TCP/IP) Das Internetprotokoll IP (= Internet Protocol) ist nicht genormt TCP = Schicht 4 IP = Schicht 3 Struktur: Worte à 32 Bit = 4 Byte Header: 5 Worte = 20 Byte Gesamtlänge: ≤ 64K Byte

⟵  32 Bit  ⟶
← 8Bit → ← 8Bit → ←  16Bit  →

version type of service

total length

ident DF MF fragment

time to live protocol

header checksum

source address (1) destination address (1)

≈  options / data  ≈

DF: Don’t fragment MF: More Fragments time to live (TTL): Anzahl der Knoten, die durchlaufen werden können, bevor das Paket verworfen wird. (1): im Format: aaa.bbb.ccc.ddd (jeweils von 0 bis 256) Protocol Numbers

Decimal Keyword Protocol
0  Reserved
1 ICMP  Internet Control Message
2 IGMP  Internet Group Management
3 GGP  Gateway-to-Gateway
4  Unassigned
5 ST  Stream
6 TCP  Transmission Control
7 UCL  University College London
8 EGP  Exterior Gateway Protocol
9 IGP  any private interior gateway
10 BR-MON BBN RCC Monitoring

(RFC-1060 Assigned Numbers March 1990)

3.2.4 Die Transportschicht (Transport layer)

Zweck: Verbindung von Teilnehmern in Endsystemen, Abschirmung der Anwendung vom konkreten Netzwerktyp, Entkopplung vom Netz. ”Die Transportschicht sorgt dafür, daß die Teilnehmer einander hören, das bedeutet aber nicht unbedingt, daß sie einander auch verstehen!”1 Dienste: T-CONNECT.** (Bestätigter Verbindungsaufbau) T-DISCONNECT.** (Bestätigter Verbindungsabbau) T-DATA.* (unbestätigt, verbindungsorientiert oder verbindungslos) T-ERROR.indicate T-QUALITY.request (Qualitätsanforderung) {.** bedeutet bestätigte Dienste: request, indicate, response, confirm} {.* bedeutet unbestätigte Dienste: request, indicate} Instanzen: Software: Netztreiber, z.B.:Net BIOS; Daemon-Prozesse (unter UNIX) Dienstzugangspunkte, SAPs: Aufrufe von Routinen oder Prozessen, z.B.: SVC (= Super Visor Call), INT Dienstdateneinheiten, SDUs: Dateien, Dokumente, Pakete Protokolldateneinheiten, PDUs: Nachrichten Funktionen:

a) Vermittlung zwischen Teilnehmern (CONNECT und DISCONNECT)

b) Umsetzung von Teilnehmeradressen (TSAPs) in Netzwerkadressen (NSAPs)

c) Fehlerfreie Datenübertragung

d) Multiplexen von Teilnehmerverbindungen

e) Splitten auf mehrere Systemverbindungen (Schicht-N-Maschinen)

f) Segmentieren zu großer Dateien (1 SDU → n PDUs)

g) Flußregelung

h) Wiederanlauf, Aufsetzen nach Störungen (N-RESET.ind)

[figure: 4; 5; 5; 4; 5; 5; Schicht-4-Protokolle; Schicht-3-Diensterbringer; Schicht-3-Diensterbringer]

Bild n3p43

Klassen und Funktionen: {Class 0 \atop TP0} simple class, Einfachklasse für Typ-A-Netze Vermittlung, Datenübertragung, Segmentieren

{Class 1 \atop TP1} basic error recovery class, Fehlerbehebungsklasse für Typ-B-Netze = Class 0 + Fehlerbehandlung (Wiederaufsetzen, Flußregelung)

{Class 2 \atop TP2} multiplexing class, Multiplexklasse für Typ-A-Netze = Class 0 + Multiplexen + Routing (Wegewahl)

{Class 3 \atop TP3} error recovery and multiplexing class, Fehlerbehebungsund Multiplexklasse für Typ-B-Netze = Class 0 + Multiplexen + Routing (Wegewahl) + Fehlerbehandlung (Flußregelung) ≈ Class 1 ∪ Class 2

{Class 4 \atop TP4} error detection and recovery class, Fehlererkennungsund -behebungsklasse für Typ-C-Netze = Class 0 + Fehlererkennung + Fehlerbehebung + Zeitschrankenüberwachung + Splitting

Protokolle:

- X.214 = IS 8072 OSI Transport-services

- X.224 = IS 8073 OSI Transport-protocols

- TCP Transmission Control Protocol (im Internet, verbindungsorientiert)

- UDP User Datagram Protocol (im Internet, verbindungslos)

- EHKP-4 Einheitliche höhere Kommunikations-Protokolle der Schicht 4 (vom Bundesministerium des Inneren)

- T.70 Telegraphendienste

Beispiele:

a) Internet Datagramme: UDP-PDU

⟵  32 Bit  ⟶ IP-Senderadresse (0) IP-Empfängeradresse (0) leer Protokoll (1) UDP-Paketlänge (0) Sender-Port (2)  Empfänger-Port (2) Länge  Prüfsumme Daten (Oktetts) . .0: header wird von der IP-Instanz abgetrennt und in den TCP- Header umgesetzt 1: Protokolltyp = 17. für UDP 2: Portadressen = SSAPs

b) IP-Sockets IP-Socket = IP-Adresse + IP-Port

[figure: Appl.; Appl.; Appl.; Appl.; Transmission Control Protocol; ports; IP-Adressen; NSAPs; ports; Netzwerk; IP; IP; TCP; TCP/UDP]

Bild n3p44

c) Internet-Pakete: TCP-PDU

⟵  32 Bit  ⟶ Sender-Port  Empfänger-Port Sequenznummer Quittungsnummer (piggyback) (1) (2)  (3)  Fenstergröße Prüfsumme  Urgent pointer options  000 Daten (Oktetts) . .1: header length 2: leer 3: TCP-Flags bit Flag Funktion 10 URG use urgent data pointer 11 ACK acknowledge → .confirm 12 EOM End of Message 13 RST RESET.ind 14 SYN CONNECT.req 15 FIN DISCONNECT.req

d) Die TCP-Protokollmaschine (als Finite State Machine nach RFC 761)

[figure: Closed; Time Wait; Closing; FIN WAIT 2; FIN WAIT 1; Close Wait; Established; SYN received; SYN sent; Listen; Closed; CLOSE; send FIN; CLOSE; send FIN; send SYN; receive SYN,ACK; rec. ACK(FIN); –; rec. FIN; send ACK; time-out; delete TCB; receive ACK(FIN); delete TCB; rec. FIN; send ACK; CLOSE; send FIN; rec. FIN; send ACK; receive SYN; send ACK,SYN; CLOSE; send FIN; SEND; send SYN; aktiv OPEN; make TCB; send SYN; del.TCB; CLOSE; passiv OPEN; make TCB]

Bild n3p45

Function entries (SAPs to higher layer - Application) OPEN (local port, foreign socket, active/passive, [, buffer size] [, timeout] [, precedence] [, security/compartment]) → local connection name SEND (local connection name, buffer address, byte count, EOL flag, URGENT flag [, timeout]) RECEIVE (local connection name, buffer address, byte count) CLOSE (local connection name) ABORT (local connection name) STATUS (local connection name) This is an implementation dependent user command and could be excluded without adverse effect. Information returned would typically come from the TCB associated with the connection.

3.2.5 Die Kommunikationssteuerungsschicht (Sessions layer)

Zweck: Umgangsregeln für Netzteilnehmer

Teilnehmer: Programme, Prozesse oder Tasks mit Instanzen der Schichten 5, 6 und 7 Internet-Anwendungen bilden jeweils ein unstrukturiertes Ganzes..  .  5 6 7  Programm, Prozeß, Task OSI  Internet Anwendung_{Bild n3p46}

Dienste: S-CONNECT.** (Bestätigter Verbindungsaufbau) S-DISCONNECT.** (Bestätigter Verbindungsabbau) S-DATA.* (Unbestätigte Datenübertragung, CONS oder CLNS) S-SYNCH.** (Kommunikationssteuerung) {.** bedeutet bestätigte Dienste: request, indicate, response, confirm} {.* bedeutet unbestätigte Dienste: request, indicate}

Instanzen: Softwaremodule (Unterprogramme, Routinen) aus Library eingebunden

Dienstzugangspunkte, SAPs: Unterprogrammadressen

Dienstdateneinheiten, SDUs: Parameter (Zeiger auf Dateien)

Protokolldateneinheiten, PDUs: Dateien

Funktionen:

a) Auf- / Abbau von Verbindungen, insbesondere gesicherter Abbau

b) Datenübertragung incl. Fehlermeldung ohne Fehlerbehandlung T-ERROR.ind → S-DATA.ind

c) Flußkontrolle

d) Synchronisation, Kommunikationssteuerung, Dialogverwaltung

Protokolle:Protokoll-Klassen:

BCS (basic combined subset)

- Vergabe von Senderechten (Token), immer nur ein Teilnehmer sendet,Halbduplex

- keine Synchronisation BSS (basic synchronous subset)

- BCS plus Vorwärts- u. Rückwärtssynchronisation BAS (basic activity subset)

- BSS plus Strukturierung von Sitzungen in Aktivitäten

Standards und Normen (Auswahl): X.215 = IS 8326: Session-services X.225 = IS 8327: Session-protocols (beide entsprechen der BAS-Klasse) EHKP-5: Einheitliche Höhere Kommunikationsprotokolle des BMI (BSS-Klasse) T.62: Teletex und FAX Prozeduren (BCS-Klasse)

Sitzungen (Sessions) bilden Einheiten, die nicht unterbrochen werden können, z.B.

- Remote login (Telnet): eine Sitzung an einem entfernten Rechner

- File transfer (FTP, FTAM): Übertragung einer Datei oder Dateigruppe

- Remote Procedure Call (RPC): Ausführung einer Prozedur auf einem entfernten Rechner (Fernverarbeitung, JTM)

a) Eins-zu-Eins-Mapping: Eine Session entspricht einer Connection

[figure: T-CONN.; S-CONNECT; .req; .conf; .req; .conf; T-DISC.; S-DISCONNECT; .req; .conf; .req; .conf; t; connection (CONS); Datagramme (CLNS); session; 6; 5; 4; N-CONN.; N-DISC.]

Bild n3p48

Während einer Sitzung werden beliebig viele Daten übertragen. Die zugehörigen Dienstprimitiven (S-DATA.*), die in entsprechenden Dienstprimitiven (T-DATA.*) der Transportschicht umgesetzt werden, sind hier nicht gezeigt. Falls die Transportschicht verbindungslos arbeitet (CLNS), wird für jedes S-DATA (bzw. T-DATA) ein Datagramm versandt.

Der Verbindungsabbau (S-DISCONNECT) wird in der Regel beidseitig ausgehandelt (S-RELEASE), er kann vom Kommunikationspartner auch verweigert werden, dazu muß er in der Bestätigung eine geeignete Flagge setzen. Auch ein Abbruch ist möglich (S-U ABORT). b) Eins-zu-N-Mapping: Eine Session entspricht N Connections

[figure: S-CONNECT; S-DISCONNECT; t; session; 6; Pause; connection 1; connection 2; 5; 4; T-C; T-D; T-C; T-D; S-D; S-D]

Bild n3p49

T-C = T-CONNECT  T-D = T-DISCONNECT  S-D = S-DATA

Die Bestätigungen bei Verbindungsaufbau (CONNECT) und -abbau (DISCONNECT) sind hier zur Vereinfachung weggelassen. Im Extremfall wird für jedes S-DATA eine neue Verbindung aufgebaut (T-C .. T-D) oder ein Datagramm geschickt bzw empfangen. Während der Pause wird die nicht benötigte Leitung durch die Schicht-5-Instanz freigeben z.B. um Kosten zu sparen, ohne daß der Schicht-6-Benutzer davon etwas bemerkt.

c) M-zu-Eins-Mapping: M Sitzungen über eine Connection (Multisession Connections)

[figure: S-CONNECT; S-DISCONNECT; t; connection; 6; Pause; session 1; session 2; 5; 4; T-C; T-D; S-DISC; W; S-CONN; N]

Bild n3p50

T-C = T-CONNECT T-D = T-DISCONNECT

Mehrere Sitzungen (z.B. Übertragungen von Dateien) werden nacheinander über ein und dieselbe Verbindung abgewickelt. Die Dienstprimitiven (S-DATA.* und T-DATA.*) sind hier nicht gezeigt. Zur Signalisierung an die T-Schicht-Instanz müssen die S-DISCONNECT.req. Primitiven noch zusätzliche Parameter enthalten (Wait, No-wait). d) Strukturierung in Aktivitäten

[figure: t; 6; activity 2; 5; activity; activity 2; session; Pause; S; E; S; I; R; E; D; D; D; D; D; D; 4]

Bild n3p51

S = S-ACTIVITY START  E = S-ACTIVITY END
I = S-ACTIVITY INTERRUPT R = S-ACTIVITY RESUME

D = T-DATA

Activity: ein in sich abgeschlossener Vorgang, z.B.

- Übertragung einer Datei als Ganzes

- eine Datenbank-Transaktion Die Markierungen für Anfang und Ende einer Aktivität werden als Daten in eigenen Paketen übertragen.

Synchronisation: Vorsorge gegen Verlust von Daten

- Vorwärtssynchronisation (unbestätigt):

Angabe von Wiederaufsetzpunkten für Rückwärtssynchronisation.

- Rückwärtssynchronistaion (bestätigt):

Anforderung, an einen Wiederaufsetzpunkt zurückzugehen

- Haupt- und Nebensynchronisation: Wiederaufsetzpunkte verschiedener Ordnung:

- Es gibt immer einen Hauptsynchronisationspunkt, zu dem zurückgesetzt werden kann, aber nicht weiter zurück (z.B. Anfang einer Datei)

- Es kann mehrere Nebensynchronisationspunkte geben, zu denen zurückgesetzt werden kann (z.B. die Blöcke einer Datei)

- Die Aktivitäten zwischen 2 Synchronisationspunkten bilden eine Dialogeinheit a) Synchronisationspunkte (major, minor)

z.B.: Blocksicherung bei Datentransfer major synch ist bestätigt, nur der letzte kann benutzt werden minor synch ist unbestätigt, alle bis zum letzten major synch können benutzt werden.

b) Resynchronisation (Wiederaufsetzen auf einen Synchronisationspunkt)

- Bei Datenverlust oder -fehlern

- Restart nach einem RESET.indicate, 76 KAPITEL 3. DAS ISO-OSI-7-SCHICHTENBASISREFERENZMODELL [figure: Daten; Synch; 1; 2; 3; 4; 5; 1; 2; 3; 4; RESET; NAK; Resynch(2); Resynch(5); 6; major minor; 5; 6; 6]_{Bild n3p52} . .Wiederaufsetzen nach RESET.ind durch das Netz. Die Resynchronisation kann auf den letzten Hauptsynchronisationspunkt (5) oder den letzten Nebensynchronisationspunkt (6) erfolgen. Da (5) bestätigt wurde, ist dieses Wiederaufsetzen sicherer. Der Versuch auf einen früheren (Neben)Synchronisationspunkt (Resynch(2)) aufzusetzen, wird abgewiesen (NACK).

3.2.6 Die Darstellungsschicht (Presentation layer)

Zweck: Bereitstellung von Sprachmitteln Dienste:

P-CONNECT.**  → S-CONNECT.**
P-DISCONNECT.** → S-DISCONNECT.**
P-SYNCH *.*  → S-SYNCH *.*

Diese Dienste werden nur zur S-Schicht durchgereicht P-DATA.* (mit Umformung, Dolmetschen in gemeinsame Sprache)

Zur Bestätigung kann P-SYNCH benutzt werden P-CONTEXT SELECT.** (gemeinsame Sprache auswählen) P-CONTEXT DEFINE.** (gemeinsame Sprache definieren) {.** bedeutet bestätigte Dienste: request, indicate, response, confirm} {.* bedeutet unbestätigte Dienste: request, indicate} Instanzen: Software, Tabellen (z.B.: CONTEXT DEFINE baut Tabellen auf) Dienstzugangspunkte, SAPs: Funktionsaufrufe (von spezieller Software aus Bibliotheken) Dienstdateneinheiten, SDUs: Dokumente Protokolldateneinheiten, PDUs: Dokumente (aber in anderer Form) Funktionen:

a) Umformen von Dokumenten (Dateien)

b) Auswahl aus Tabelle

c) Erstellung von Tabellen Voreinstellung ist transparente byteweise Übertragung von Zeichen aus ASCII oder EBCDIC (Default context) Protokolle: Normen und Standards (Auswahl) X.216 = ISO 88 22: P-Services X.226 = ISO 88 23: P-Protocol X.409: ASN 1 = Abstract Syntax Notation No. 1 T.50: International Alphabet No. 5 (IA5) T.61: Basic Teletex Charecter Set (Zeichensatz für Teletex) ISO 6937: 8-bit Zeichen ISO 8859: 8-bit Graphikzeichen ISO 7942: Graphic Kernel System EHKP-6: Einheitliche Höhere Kommunikationsprotokolle des BMI Datendarstellung

a) Texte: Zeichendarstellung in ASCII, EBCDIC, IBM-Code-1, 2, 3, IA5, etc.

b) Bytes: Anordnung der Bytes innerhalb eines Wort

little endian  Wort/Byte  big endian
MSB  LSB Adresse MSB  LSB
Text  s  a  D  0/0  D  a  s
t  s  i  1/3  i  s  t
n  i  e  2/7  e  i  n
t  x  e  T  3/11  T  e  x  t
Short  00 01  00 10  10 00  01 00
Integer  00 00 00 01  01 00 00 00
Real exp man tis se  se tis man exp
Byte: 3 2 1 0 0 1 2 3
Low Byte  Low Byte
DEC, Intel  IBM, Motorola

Bei einer korrekten Übertragung von Texten werden andere Daten (Integer, Real, ...) verändert, bzw. umgekehrt.

c) Integer: Breite, Negativum (1er-, 2er-Komplement, Betrags-, Offset-Darstellung)

d) Real: Breite, Position und Darstellung von Exponent und Mantisse

e) Graphik: Vektorgraphik (GKS), Rastergraphik (Pixelanordnung), Farbdarstellung f) Dokumente = { Text, Graphik, Numerik} & Anordnung (Layout)

g) Komprimierung ASN.1 (Abstract Syntax Notation No. 1) X.208, X.209, X.409 (ISO 8824, 8825) Metasprache zur Darstellung von Dokumenten unter Verwendung von Oktetts (8-bit-Zeichen). Umwandlungen von der lokalen Datendarstellung in eine genormte Transferdarstellung. Transfersyntax: TLV-Struktur (rekursive Record Struktur) T : Typ, Tag (1 Oktett), z.T. genormt L : Length (1 – n Oktetts) V : Value (m Oktetts) = Wert oder TLV Basic Encoding Rules (X.208)

Tag-Typen (X.209) Typ  MSBs Hexa Universal  00  0 - 3F Application 01 40 - 7F Context-spec. 10 80 - BF Private  11 C0 - FF . .Universal-Tags (X.208) Nummer (Bit 6 - 1) Datentyp 1  Boolean type 2  Integer type 3  Bitstring type 4  Octetstring type 5  Null type 6  Object identifier type 7  Object descriptor type 8  External type 9  Real type A  Enumerated type B → F Reserved for future use 10  Sequence and Sequence-of types 11  Set and Set-of types 12 → 16 Character string types 17, 18  Time types 19 → 1B Character string types 1C → 3F Reserved for future use

Beispiel (nach X.409): Personendaten

Name:  John P Smith
Title:  Director
Birthday: 11. July 1936
Tag TLV Oktetts (in sedezimaler Darstellung) bzw Strings
60$ 81 85$  V
Personendaten: T  L  61$ 10$  V
Name:  T  L 16$ 04 John
IA5  T L  V
16$ 01  P
T L  V
16$ 05 Smith
T L  V
A0$ 0A$  V
Title:  T  L 16$ 08 Director
IA5  T L  V

...

Verschlüsselung

a) Substitutionsverschlüsselung Jedes Zeichen aus einem Entschlüsselungsalphabet wird in ein Zeichen aus einem Verschlüsselungsalphabet umgesetzt.

Ein Erraten (Knacken) der Verschlüsselung ist leicht möglich, da die (sprachspezifischen) Buchstabenhäufigkeiten erhalten bleiben.

Bei einer monoalphabethischen Substitutionsverschlüsselung ist Verschlüsselungsalphabet = Entschlüsselungsalphabet

Die erste monoalphabethische Substitutionsverschlüsselung wurde von Julius Cäsar (Cesar Cipher) angewandt, bei der jedes Zeichen durch seinen um 3 versetzten Nachfolger ersetzt wurde:

a → d
b → e

Die (beliebige) Zahl (3), um die verschoben wird, bildet hier den Schlüssel.

b) Transpositionverschlüsselung Die zu verschlüsselnden Zeichen werden in ein Raster angeordent, das nach vorgegebenen Regeln umgeordnet wird; das Verfahren ist zunächst monoalphabetisch.

Je nach Art der Umordnung ist eine solche Verschlüsselung mehr oder minder leicht zu durchbrechen.

Beispiele:

- Rückwärtsschreiben (den gesamten Text oder block- bzw. zeilenweise) Das ist ein Text → txeT nie tsi saD

- Vertauschen von Spalten einer 2-dimensionalen Anordnung

1234 1324
Das Dsa
ist  its
ein eni
Text Txet

Das ist ein Text → Dsa its eni Txet

- Vertauschen von Zeichen in 2- oder mehrdimensionalen Anordnungen z.B. im Rösselsprung.

c) Standardverfahren:

DES (Data Enscription Standard) verwendet ein symmetrisches Verfahren, bei dem mit dem gleichen Schlüssel ver- und entschlüsselt werden kann. Der Schlüssel stellt die Parameter für einen vorgegebenen Algorithmus bereit.

RSA (nach den Autoren Rivest, Shamir, Adelman) verwendet unterschiedliche Schlüssel zum Ver- bzw. Entschlüsseln (unsymmetrische Verschlüsselung). Dabei wird von jedem Teilnehmer der Schlüssel D zur Verschlüsselung öffentlich bekannt gegeben, während der Schlüssel E zur Entschlüsselung geheim bleibt. Notwendig ist hierbei, daß E nicht aus D abgeleitet werden kann; dies wird durch Verwendung großer Primzahlen erreicht.

3.2.7 Die Anwendungsschicht (application layer)

Zweck: Koordinierung von verteilten Anwendungen (DDP = Distributed Data Processing) Dienste: anwendungsspezifische Schnittstellen für die Anwendungsprozesse (Anwender, technische Prozesse) z.B. beim Virtual Terminal: A-CONNECT = login A-DISCONNECT = logout Instanzen: Software, Programme, Module Dienstzugangspunkte, SAPs: anwendungsspezifisch API (= Application Process Interface) Dienstdateneinheiten, SDUs: Benutzerein- und -ausgaben Protokolldateneinheiten, PDUs: Dokumente Funktionen:

- Verarbeitung der Eingaben

- Erstellung der Ausgaben

- Verknüpfen und Zuordnen von lokalen Daten und übertragenen Informationen - Informationsverarbeitung Protokolle: Standards (Auswahl):

X.400 Message Handling System (MHS) [E-MAIL] F.300 Videotext ISO 85 71 File Transfer Access + Management (FTAM) [Datenverwaltung] ISO 86 13 Manufacturers Application Protocol (MAP + TOP) [CIM] ISO 90 40/41 Virtual Terminal

Anwendungen (Auswahl)

- Internet-Anwendungen (Telnet, FTP, SMTP E-Mail, ...)

- ISO-Standards (VT, FTAM, MHS E-Mail,..)

- TOP (Technical and Office Protocol aus der Luftfahrt)

- MAP (Manufacturing Automation Protocol aus der Automobilindustrie)

ISO  Internet

VT (Virtual Terminal)

Telnet

FTAM (File Transfer, Access and Management)

FTP (File Transfer Protocol)

MHS (Message Handling System, X.400) ≡ MOTIS (Message Oriented Text Interchange System)

SMPT (Simple Mail Transfer Protocol)

The Direcory (X.500)

(Informationsdienst)

DNS (Domain Name System)

NIS (Network Information System) früher: Yellowpages

JTM (Job Transfer and Management)

—

— NNTP (Network News Transfer Protocol Beispiel: Elektronische Post nach X.400

[figure: MTA; MS; UA; UA; MTA; MTA; MTA; UA; AU; andere Systeme; user; user; user; MHE; MHS; MTS]

Bild n3p55

MHE = Message Handling Environment
MHS = Message Handling System
MTS = Message Transfer System

UA = User Agent

(Client, ein Programm als persönlicher Agent eines Anwenders) MTA = Message Transfer Agent

(sind miteinander vernetzt und stellen einen verteilten Server dar)

AU = Access Units (Gateways, verbinden zu anderen Systemen)
MS = Message Storage (Mailbox des Anwenders)

Architektur (Dienste und Protokolle):

[figure: MTA; UA; MTA; UA; MTA; MS; MTA; UA; MTA; AU; 7a; 7b; 6; 5; P1; P1; P1; P5; P2; ASN.1; BAS; P3; P3; P7; P3; P5; P7; TTX]

Bild n3p56

Protokolle: P1 (X.411): MTS Transfer Protocol, zwischen MTAs P2 (X.420): InterPersonal Messaging Protocol (IPM), zwischen UAs P3 (X.411): MTS Access Protocol, Zugang zu den MTS-Diensten P5 (X.430): Teletex Access Protocol, Zugang zu Teletex P7 (X.419): Message Store Access Protocol, Zugang zur Mailbox

E-mail Adressen

key: domaine  Beispiel
C : country  ge = Germany
A : administrative management domain (admd) dbp = Deutsche Bundespost
P : private management domain (prmd)  fh-frankfurt = Fachhochschule Ffm
O : organisation  fb06 = Fachbereich MND
OU: organisation unit  unit : BCN
S : surname (Nachname)  user : Jacobson
G : given name (Vorname)  vorn : Erik

Syntax X.400 (MOTIS):

<[G=vorn;]S=user;[OU=unit;O=organisation;]P=prmd;A=admd;C=country> konkret: <G=Erik;S=Jacobson;OU=BCN;O=fb06;P=fh-frankfurt;A=d400;C=de> SMTP (Internet):

user@host.domaine Die Umwandlung von X.400– in Internet-Adressen ist möglich, aber nicht eindeutig.

Erik.Jacobson@BCN.fb06d.fh-frankfurt.d400.de

Jede X.400–Adresse ist hierarchisch aufgebaut: Country ADMDs PRMDs user Die Anwendungen im Internet:

V.24, V.25, X.200 (ISDN), ISO 8802 (LAN) IP: Internet Protocol IP (CLNS) TCP: Transmission Control Prototocol TCP (CONS) User Datagram Protocol UDP FTP File Transfer Protocol (RFC 959)  TFTP Trivial FTP (local) (RFC 783) SMTP Simple Mail Transfer Protocol NNTP Network News Transfer Protocol Telnet Protocol  DNS Domain Name System 7 6 5 4 3 2 1 (RFC 652)

Bild n3p58

3.3 Transitsysteme

Zwischenknoten (Intermediate Systems). Aufgaben:

- Protokollumsetzung

- Wegewahl (Routing)

- Zwischenspeicherung (Store & Forward)

Im Gegensatz zu Endsystemen werden die obersten Instanzen durch Automaten (mit deterministischem Verhalten) repräsentiert.

[figure: N; N; N’; N’; Endsystem A; Transitsystem; Endsystem B; Automat; N+1 – Protokoll; Diensterbringer 1; Diensterbringer 2]

Bild n3p61

Klassen von Transitsystemen

Schicht 0: Medium

– Verstärker, Repeater (Signalregeneration)

– Schalter Schicht 1: Bitdarstellungsschicht (Physical-Layer) Umsetzung der Bitdarstellung

- Optokoppler (optisch/elektronisch

- Modem (Modulator/Demodulator):

Basisband- ↔ Breitbandprotokoll

- Pegelumsetzung, z.B.

V.28 ↔ TTL

- Codeumsetzer NRZ ↔ RZ RZ ↔ Manchester-Code

Schicht 2: Sicherungsschicht (Data-Link-Layer)

- Seriell-Parallel-Umsetzer

- Bridge (mit Prüfung der Datenkonsistenz, Prüfsummen)

- Modem mit Datenkompression (V.42, V.42 bis)

Schicht 3: Vermittlungsschicht (Network-Layer)

– Gateways: Protokollumsetzer zwischen Netzwerken mit unterschiedlichen Adreßräumen, z.B.

zwischen LAN und WAN

zwischen Token-Ring LAN und Ethernet LAN

– Router: Wegewahl in und zwischen Netzwerken (DSE, Data Switching Exchange)

– Brouter: Bridge mit Router- und Filter-Funktion (Adreßfilter)

– Hub (Nabe): Umsetzung auf andere Topologien (vgl. Ethernet) Schicht 4: Transportschicht (Transport-Layer) Keine Umsetzer vorgesehen, da nur zur Entkopplung von Vermittlungschicht und Teilnehmern vorgesehen. Schicht 5: Kommunikationssteuerungsschicht (Session-Layer) Keine Umsetzer vorgesehen, da Teilnehmer dieselben Regeln einhalten müssen! Schicht 6: Darstellungsschicht (Presentation-Layer) Noch keine automatischen Systeme zur Umwandlung von Datendarstellungen oder gar Sprachübersetzung vorhanden.

Nur gemeinsame Transfersyntax wird hier unterstützt. Schicht 7: Anwendungsschicht (Application-Layer) Umsetzer auf der Anwendungsschicht:

– Agenten.

z.B. Message Transfer Agent (MTA),

Informationsverarbeitung: Speichern, Sortieren, Weiterleiten, Vervielfältigen)

– Gateways (Protokoll-Umsetzer)

Access Units (AU) zwischen verschiedenen E-mail-Systemen, X.400 und Internet SMTP, Gateways zwischenn NNTP und Bitnet

3.4 Schichten und Systeme

Die möglichen Wege von Daten durch die Schichten (Splitting und Multiplexing) und durch verschiedene Systeme:

[figure: 1; 1; 1; 1; 2; 2; 3; 4; 4; 3; 6; 3; 3’; 2’; 2’; 3; 4; 4; 3; 6; 2; 1; 5; 5; 5; 5; 5; 5; 6; 6; 7; 7; 7; 6; 6; 7; 7; 7; Endsystem A; Transitsystem; Endsystem B]

Funktionen: Splitten in Schicht 2 und 4 Multiplexen in Schicht 3 und 4 Protokollumsetzung in Schicht 1, 2 und 3 88 KAPITEL 3. DAS ISO-OSI-7-SCHICHTENBASISREFERENZMODELL

Bild n3p65

.

Lokale Netze (LAN)

Lokale Netze sind privat (Jeder kann in seinem Netz machen was er will.) Dieselben Verfahren werden auch in (öffentlichen) Regionalen Netzen (MAN, Metropolitan Area Networks) verwendet.

4.1 Normen und Standards

Die Schichten 0, 1 und 2 von IEEE und ISO (IEEE 802.X ≡ ISO 8802.X)

2 Data Link Layer 1 Physical Layer  2b 2a LLC MAC LLC = Logical Link Control MAC = Medium Access Control 1a 1b Phys Ethernet CSMA/CD Bus ISO 8802-3 IEEE 802.3 Token Ring ISO 8802-5 IEEE 802.5 Token Bus ISO 8802-4 IEEE 802.4 Slotted Ring ISO 8802-7 IEEE 802.7 FDDI ISO 8802-6 IEEE 802.6 ISO 8802-2 IEEE 802.2 ISO 8802-1 IEEE 802.1 ISO-OSI  FDDI = Fiber Distributed Data Interchange

Bild n4p01

4.2 Dienste und Protokolle der LLC-Schicht

LLC-Dienste (Schicht 2a) für die Schicht 3 (Vermittlungsschicht, z.B, IP)

1. Datagrammdienste (CLNS):

DL-UNIT DATA.*(source-address, destination-address, data, priority)

2. Verbindungsorientierte Dienste (CONS) in Vorbereitung:

- DL-CONNECT.**

- DL-DISCONNECT.**

- DL-DATA.*

- RESET.*

{.** bedeutet bestätigte Dienste: request, indicate, response, confirm} {.* bedeutet unbestätigte Dienste: request, indicate}

4.3 Dienste und Protokolle der MAC-Schicht

Einheitlich für alle Varianten als Dienste für die LLC-Instanzen. Zur Zeit nur Datagrammdienste (CLNS)

MAC-UNIT DATA.*(source-address, destination-address, data, status, priority, class)

4.4 CSMA/CD Ethernet-Bus (IEEE 802.3)

Carrier Sense: Medium dauernd abhören Multiple Access: Jeder darf jederzeit auf das Medium zugreifen, falls es frei ist Collision Detection: Kollisionserkennung und -behandlung, falls 2 Stationen gleichzeitig zu senden beginnen. Varianten:

- 10 BASE 5: Yellow Cable (Thick wire), UHF-Kabel

- 10 BASE 2: Cheapernet (Thinwire), BNC-Kabel

- 10 BASE T: Twisted-Pair Ethernet (10 MHz)

- 10 BASE T: Twisted-Pair Ethernet (1 MHz)

- 10 BASE F: Lichtwellenleiter (vgl. FDDI, Fiber Distributed Data Interface)

- X BASE Y:

X = Bitrate in MHZ (Mb/s), Y = Segmentgröße (in 100 m) oder Protokoll Mischtopologie (baumförmig angeordnete Busse und Sterne):

[figure: C; C; C; Hub; 10 BASE T; T; T; C; 10 BASE 2; Switch; Hub; T; T; C; C; Segment ≤ 200 m; Segment ≤ 500 m; 0 m; ≤ 50 m; T; T; Segment ≤ 500 m; ≤ 50 m; LWL; ≤ 1 km; 10 BASE 5; MAU; R; R = Repeater; T = Terminator 50 Ω; 10 BASE F; C = Computer; Multicast (an Alle); C; C; C; Unicast (an Adressaten)]

Bild n4p04

Regeln für die Ethernet-Segmente:

- Zwischen 2 Endknoten dürfen nur 2 Repeater (mit Signalverstärkung) liegen, sonst muß 1 Bridge (mit Datenaufbereitung) eingefügt werden.

- Ein Lichtwellenleiter (LWL) wird als 1 Repeater angesehen, maximale Länge ≤ 1 km.

- Transceiver-Cabel (AUI) bei 10 BASE 5 können eine maximale Länge von 50 m besitzen

- Die Mindestabstände von Stationen, bzw. Leitungszugriffspunkten (TAP = Trunc access point)

- bei 10 BASE 5: 2,5 m

- bei 10 BASE 2: 0.5 m

- maximale Anzahl der Knoten (Rechner) pro Segment:

- bei 10 BASE 5: 100

- bei 10 BASE 2: 30

- bei 10 BASE T: 1

4.4.1 Zugriff zum Medium (Medium Access)

[figure: PLS; MAC; LLC; PMA; Trunc Cable; AUI; Attachment Unit Interface; MDI; Medium Dependent Interface; MAU; Medium Attachment Unit; (Transceiver); Controller; (Transceiver Cable)]

Bild n4p02

PMA: Physical Medium Attachment PLS: Physical Link System MDI: Medium Dependent Interface AUI: Attachment Unit Interface MAU: Medium Attachment Unit (Transceiver)

Thick-wire Ethernet (10 BASE 5) Trunc Cable:

Yellow Cable, 50 Ω UHF- Coaxialkabel (c^{∗} = 0.77c_{0})

max. 500 Meter pro Segment

max. 100 Stationen pro Segment

Transceiver Cable AUI PLS MAC LLC DTE

PLS PMA MAU

Trunc Cable MAU: Transceiver (10 BASE 5 Medium Access Unit)

Bild n4p03

[figure: Trunc; Cable; Transceiver (MAU); Send; CS/CD; Receive (CS)]

Bild n4p06

Thin-wire Ethernet (10 BASE 2) Trunc Cable:

BNC-Coaxial Kabel (RG 58 U)(c^{∗} = 0.65c_{0}).

max. 185 200 Meter pro Segment

max. 30 Stationen pro Segment MAU: BNC – T -Stück

Twisted-pair Ethernet (10 BASE T) Trunc Cable:

Twisted-pair Cable, 50 Ω (c^{∗} = 0.60c_{0})

max. 20 Meter pro Segment

max. 1 Station pro Segment von Sternverteiler (Hub) MAU: RJ-45 – Buchse

4.4.2 Bitdarstellung

Schicht 1: Basisbandverfahren: Manchester Code(Bi-Phase-inverted)

’0’  ’1’  ’1’ ’1’ ’1’ (10 MHz Rechteck)  ’1’ ’0’ ’1’ (5 MHz Rechteck)

Bild n4p07

Pegel: PLS: ± 0.9 V an 78 Ω erdfrei PMA: unsymmetrisch (”H”= 0 V; ”L”= -2.1 V (±10%) D.h. -84 mA an 25 Ω), bei Collisionen können sich diese Pegel verdoppeln.

4.4.3 Ethernet Pakete

Paket = MAC-SDU (Frame)+ Start Frame (Präambel + Start Frame Delimiter) serielle Oktetts

Oktetts Feld  Inhalt
7 Preamble  7 * AA$
1 SFD  1 * AB$ = Start Frame Delimiter
2 / 6 Destination Address
2 / 6 Source Address
2 Length  Länge des Datenfelds
M Data  (LLC-SDU)
Pad  (Füll-Bytes)
4 FCS  Frame Check Sum (CRC)
LSB  MSB transmitted left to right

Die maximale Paketgröße ist 1526 Oktetts: Präambel (7+1), Kopf (header) (14), Daten (M = 1500), CRC (4) Die minimale Paketgröße ist 72 Oktetts; (M = 46) Oktetts mit Nutzdaten, andernfalls muß mit leeren Oktetts (Füll-Bytes, Pads) aufgefüllt werden. Das Generatorpolynom des CRC lautet: x^{32} + x^{26} + x^{23} + x^{22} + x^{16} + x^{12} + x^{11} + x^{10} + x^{8} + x^{7} + x^{5} + x^{4} + x^{2} + x^{1} + x^{0} = 4 374 732 215 = 5 · 7 · 29 · 4 310 081

4.4.4 Kollisionsbehandlung

Begrenzte binär-exponentielle Zurückstellung (truncated binary exponential backoff) Protokolle der Schicht 2a:

Mindestabstand der Pakete: 9.6μs

Standardzeitabschnitt (slot time): 51,2 μs = t_{R}

Festlegung der minimalen Paketlänge (72 Oktetts = 576 Bit ≡ 57,6 μs) [figure: A; B; C; 1; 1; 2; 3; 4; 5]_{Bild n4p05}. .Betrachtet werden zwei Stationen A und B an den entferntesten Enden eines LAN (max. 2 Repeater dazwischen). Im ersten Fall sind die Pakete zu kurz: Die Stationen A und B beginnen zur gleichen Zeit zu senden, da sie den Bus als frei erkennen. Ein Zwischenstation C kann eine Kollision erkennen (z.T. dop- pelte Pegel). Die beiden Sender merken nichts von einer Kollison. Im schlimmsten Fall (unterer Bildteil) beginnt eine Station (B) unmittelbar vor dem Eintreffen des Signals einer anderen Station (A) zu senden und erkennt so- fort eine Kollision; sie bricht nicht sofort ab sondern sendet ein Stausignal (jam signal) von minindestens 3.2 μs Länge. Die Gegenstation kann eine Kollision nur erkennen, wenn seine eigenes (minima- les) Paket mindestens so lang ist, daß es bei Eintreffen des Stausignals noch ge- sendet wird.

Daraus ergibt sich, daß die Minimallänge eines Pakets länger sein muß als die Netzlaufzeit (round trip delay), also die Zeit t_{R} für den Hin- und Rücklauf eines Signals von einer Station am Ende eines Segments zur Station am anderen Ende des Segments. Diese ergibt sich aus der maximalen Größe eines Segments

l_{max} = (2 · 50m + 3 · 500m + 2 · 2 · 50m + 2 · 1000m) zu:

t_{max} = 2 · l_{max}/c^{∗} = 2 · 3800m/(0.77 · 3 · 10^{8}m/s = 33μs < t_{R}

Kollisionsbehandlung: begrenzte binär-exponentielle Zurückstellung (truncated binary exponential backoff): Nach der 1. Kollision warten die Partner eine Zeit t_{W} = Z · t_{R} wobei Z = Zufallszahl aus {0,1} ist.

Mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% tritt eine weitere Kollision ein, je nachdem welche Werte bei A und B erzeugt wurden:

A B Folge
0 0 A und B senden sofort wieder → neue Kollision
1 0 A sendet zuerst
0 1 B sendet zuerst
1 1 A und B senden nach der Wartezeit gleichzeitig wieder → neue Kollision

Nach der n-ten Kollision warten die Partner die Zeit t_{W} = Z · t_{R} mit Z ∈ {0, 2^{n} − 1} Dabei vermindert sich die Wahrscheinlichkeit für eine erneute Kollision. Nach der 10. Kollision wird der Wert n = 10 für die Zurückstellung beibehalten. Nach 16 Kollisionen wird mit einer Fehlermeldung an die LLC-Schicht abgebrochen. Im schlimmsten Fall beträgt die Wartezeit einer Station: t_{max} ≈ (2 + 6) · 2^{10} · t_{R} = 419430, 4μs = 0.419s

[figure: 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10; Mb/s; angebotene Last; 0; 0; 10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; Wartezeit; ms; b) große Pakete; c) kleine Pakete; (M > 700 Byte); (M = 46 Byte)]

Bild n4p03b

Wartezeit in Abhängigkeit von angebotener Last und Paketgröße

[figure: 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10; Mb/s; angebotene Last; 0; 0; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10; Durchsatz; Mb/s; a) theoretischer; b) große Pakete; c) kleine Pakete; Durchsatz; (M> 700 Byte); (M = 46 Byte)]

Bild n4p03a

Datendurchsatz in Abhängigkeit von angebotener Last und Paketgröße

4.5 Token Ring (IEEE 802.5)

Ring mit Sendeberechtigungsmarke (DIN ISO 8802-5)

Topologie: unidirektionaler Ring Protokoll: Token-Verfahren (Token Passing), bitseriell Schicht 0 (Medium): Abgeschirmte verdrillte Leitungen (STP, shiel- ded twisted pair) Wellenwiderstand Z = 150 Ω Automatische Überbrückung (bypass function) abgeschalteter Stationen in der TCU (Trunc Coupling Unit) Signalregenerierung in der TCU 1 Bit Puffer (+ Verzögerung) in der TCU Schicht 1 (Bitdarstellung): Pegel: ± 2 Volt, erdfrei, symmetrisch Takt: 1MHz bzw 4 MHz Daten und Signalelemente: _{’1’ =}^{’0’ =} } _{Manchester-Code} ’J’ =  oder (keine Pegeländerung über einen Takt) ’K’ =  oder (Pegeländerung nur am Taktanfang). .[figure: F; A; B; C; E; D; Bild n4p10; ^{PHYS MAC LLC  Controller TCU  Trunc Cable}; Bild n4p11; Receive; Buffer; Open/Bypass; Send; MIC; TCU; Bild n4p13]

Schicht 2: Token Passing Protocol

- Ein ’Free-Token’ kreist.

- Sendewillige Station belegt Token (T = 1) und hängt Daten an.

- Empfänger setzt Accepted Bit im FS (= 1. Bit im Frame Status).

- Sender löscht den Frame und sendet ’Free-Token’.

Schicht 2a (MAC): MAC-PDU

Oktetts Feld  Inhalt
1 SD  Starting Delimiter  = JK0JK000
1 AC  Access Control (Token Byte)  = PPPTMRRR
1 FC  Frame Control  = FFZZZZZZ
2/6 Destination Address je nach Netzkonfiguration werden 2
2/6 Source Address  oder 6 Byte für Adressen verwendet
M Data  MAC-SDU = LLC-PDU

für jedes LAN einstellbare Größe M

z.B. M = 64 K für IP-Pakete
4 FCS  Frame Check Sum (CRC)  vgl. Ethernet
1 ED  Ending Delimiter  = JK1JK1IE
1 FS  Frame Status  = ACrrACrr
MSB  LSB transmitted left to right
AC: Access Control (Token Byte) = PPPTMRRR

PPP = Priorität, nur Stationen mit gleicher oder höherer Priorität dürfen dieses Token nutzen T = Token bit (’0’= Free Token, ’1’= Busy Token) M = Monitorbit (wird von der Monitorstation von ’0’ auf ’1’ gesetzt) RRR = Reservierungswünsche für die Priorität des nächsten Tokens

FC: Frame Control = FFZZZZZZ

FF = Format Type 00 = MAC-Frame, 01 = LLC-Frame, 1x = user defined ZZZZZZ = control bits

ED: Ending Delimiter = JK1JK1IE

I = Intermediate indicator (’0’= single frame) E = Error bit (kann von jeder Zwischenstation im Fehlerfall auf ’1’ gesetzt werden)

FS: Frame Status = ACrrACrr

A = Accepted; Zielstation setzt diese Bits von ’0’ auf ’1’, wenn die Adresse erkannt wurde C = Copied; Zielstation setzt diese Bits von ’0’ auf ’1’, wenn die Daten übernommen (copiert) wurden

Andere Blockformate (Frames): Token: SD AC ED Abort: SD ED 4.5. TOKEN RING (IEEE 802.5) 99 MAC-Protokoll: (ohne Prioritäten) [figure: M; M; M; M; M; ⇐; ⇑; ⇒; ⇓; ⇒; S; S; E]_{Bild n4p12} . .0. Eine Station im Ring ist Monitor 1. Monitor erzeugt Free Token 2. Stationen schleifen Token durch 3. Sendewillige Station S ändert das Token-Bit und hängt Adressen, Daten und CRC an; die gesamte Nachricht darf eine zeitliche Gesamtlänge (THT = Time Holding Token = 10 ms) nicht überschreiten 4. Empfänger E speichert die Nachricht und setzt AC-Bits 5. Monitor invertiert M-Bit und entfernt Nachrichten mit in- vertiertem M-Bit 6. Sender S entfernt die Nachricht vom Ring und erzeugt ein neues Free Token Die Bitkapazität des Ringes von mindestens 24 Bit (TRL ≡ 24μs bzw 6μs) für die 3 Byte eines Free Token wird erzeugt durch je 1 Bit pro Station, die fehlenden müssen durch den Monitor bereit gestellt werden (Schieberegister). Dies entspricht (bei 1 MHz Takt) einer physikalischen Ringum- fang von l = t · c^{∗} = 24 · 10^{6}s^{−1} · \frac{2}{3} 3 · 10^{8}m/s = 4 800m Faires Protokoll: Bei insgesamt N Stationen im Ring kommt jede nach maximal (N - 1) Umläufen dran. Die maximale Wartezeit für eine Station ist t_{max} = (N − 1) · T HT Maximale Belegung: 100 % Gefahr: Wenn Sender abstürzt und kein ’Free Token’ generiert... Jede Station muß senden und Monitor Station werden können. Monitorfunktionen: - Free Token erzeugen - alle Token prüfen - kreisenden Token entfernen, d.h. solche mit invertiertem M- Bit, und Free Token erzeugen, d.h. T-Bit auf ’0’ setzen und Daten entfernen. - bei Tokenverlust ein neues Token erzeugen nach einem Time- out (TNT = Timer No Token ≈ T RL + N · T HT ≤ 1s). Stationsfunktionen: - CRC aller Pakete prüfen und im Fehlerfall das E-bit setzen. - duplizierte Token mit eigener Adresse entfernen - Monitorfunktion übernehmen, falls kein Free Token nach t_{max} = T NT auftritt, dabei Konkurrenzen auflösen. Managementfunktionen: - Die Timer aller Stationen werden von einem zentralen Ma- nager gesetzt.

4.6 Token Bus (IEEE 802.4)

Bus mit Sendeberechtigungsmarke (DIN ISO 8802-4) Topologie: Bus Protokoll: Token-Verfahren (Token Passing), logischer Ring

Schicht 0 (Medium): Ethernet-Kabel

[figure: F; A; B; C; E; D]

Bild n4p15

Token Passing Protocol

- Teilnehmer sendet Nachricht an X

- oder ein ’Free Token’ an Nachbarn (z.B.: mit nächsthöherer Hardware-Adresse).

- Es darf nur der Teilnehmer senden der den Token hat

- Daten werden direkt geschickt und das Token an den Nächsten weitergereicht. Unterschiede zu CSMA/CD:

- höherer Aufwand im Protokoll

- höherer Overhead

- fairer Zugriff und berechenbare Wartezeit (vgl. Token Ring)

4.7 Fiber Distributed Data Interface, FDDI (IEEE 802.6)

Insbesondere als Backbone zur Verbindung von LANs über Gateways (GW) oder Bridges (B). Topologie: bidirektionaler Ring mit Lichtwellenleiter (LWL) Protokoll: Token-Verfahren (Token Passing), bitseriell

[figure: B; B; B; B; Bridge; B=Bridge]

Bild n4p16

4.8 Asynchronous Transfer Mode, ATM

Verteilter Stern zur Übertragung von Daten, Sprache (Ton) und Bildern (Video) Topologie: bidirektionaler Ring mit Lichtwellenleiter (LWL) Protokoll: innerhalb des ATM: Frame Insertion. Das Prinzip beruht darauf, daß ähnlich wie bei der asynchronen seriellen Übertragung nach V.4, Nachrichten (Zellen) zu beliebigen Zeitpunkten in einen Datenstrom eingefügt werden. Dadurch ergeben sich nur minimale Verzögerungen, so daß Bilder und Sprache praktisch verzögerungsfrei übertragen werden können Der Aufbau der Zellen besteht aus einem Header mit 5 Byte Adreßinformation und 48 Byte Nutzdaten. Die Wegewahl im ATM-Netz erfolgt ähnlich wie in der OSI-Schicht 3, kann also feste (permanent) und gewählte (switched) Verbindungen unterstützen.

[figure: GW; B; T; V; ATM; ATM; ATM; V; T; C; B; C; C; C; C; C; C; C; C; C]

Bild n4p17

ATM als Backbone zur Verbindung von Telefonen (T), Video-Stationen (V) und Computern (C) in LANs über Gateways (GW) oder Bridges (B).

ATM wird auch als B-ISDN bezeichnet. B steht für Breitband, in dem Sinne, daß eine hohe Übertragungsbandbreite (Übertragungsrate) zur Verfügung steht; es ist nicht zu verwechslen mit der (Breitband-)Modulation der Schicht 1 (Physical Layer).

4.9. WIDE AREA NETWORKS (WAN) 103

4.9 Wide Area Networks (WAN)

Telematic Services  Value Added Services
7 Telefax Teletex MHS Directory FTAM JTM Virtual  BTX
F.160- F.200  X.400 X.500  ISO  ISO Terminal
F.190  8571  8831 ISO 9040
6 T.6  T.61  T.50, T.51

X.208, X.209, X.409 = ASN.1

5  T.62

Control Procedures for Teletex and Group 4 Telefax

4  T.70

Network Independent Basic Transport Services

3 2 1  _{PSTN  PSPDN  CSPDN  ISDN  (LAN)}
T.6  Facsimile coding scheme
T.61  Character repertoire for the international Teletex service
T.50  International alphabet No. 5 (IA5)
T.51  Coded character set for Telematic services
FTAM File Transfer, Access, and Management
JTM  Job Transfer and Manipulation
ASN.1 Abstract Syntax Notation No. 1
PSTN Public Switched Telephone Network
PSPDN Packed Switched Public Data Network
CSPDN Circuit Switched Public Data Network
ISDN  Intergrated Services Data Network
LAN  Local Area Network

4.9.1 Öffentliche Datennetze

1. Packet Switched Public Data Networks (PSPDN) (paketvermittelnde öffentliche Datennetze) Realisierung durch DATEX-P DATEX-P10: PVC DATEX-P20: SVC

Übermittlungsstruktur

[figure: DEE; DÜE; DVSt; DSE; DCE; X.25; DTE; X.29; X.29; 3; 2; 1; X.25 layer 3 = ISO 8208; X.25 layer 2 = HDLC, LAPB, X.21; X.25 layer 1 = V.28, X.21bis; X.28; X.75; N; DL; PL]

Bild n3p41

X.25: Public data networks: Interfaces - Interface between DTE and DCE for terminals operating in the packet mode and connected to public data networks by dedicated circuit

X.28: Public data networks: Interfaces - DTE/DCE interface for a start-stop mode data terminal equipment accessing the packet assembly/disassembly (PAD) facility in a public data network situated in the same country

X.29: Public data networks: Interfaces - Procedures for the exchange of control Information and user data between a packet assembly/disassembly (PAD) facility and a packet mode dte or another PAD

X.75: Public data networks: Transmission, signalling and switching - Packet-switched

signalling system between public networks providing data transmission services

DEE = Datenendeinrichtung  ≡ DTE = Data Terminal Equipment
DVSt = Datenvermittlungssation  ≡ DSE = Data Switching Exchange
DÜE = Datenübermittlungseinrichtung ≡ DCE = Data Circuit terminating

Equipment

Dienste nach X.25 ≡ ISO 8208 (Datex-P) s.a. 3.2.3 CALL.request = N-CONNECT.request(indicate) – PDU (an Schicht 2 : DL) CALL.accepted = N-CONNECT.response(confirm) – PDU (an Schicht 2 : DL) Packet = N-DATA.request(indicate) – PDU (an Schicht 2 : DL)

2. Circuit Switched Public Data Networks (CSPDN) (leitungsvermittelnde öffentliche Datennetze) Realisierung durch DATEX-L

4.9.2 Öffentliche Telefonnetze (PSTN)

Public Switched Telefone Networks im GSTN (Global Switched Telefone Network)

[figure: DEE; DÜE; VSt; DXE; DCE; V.24; DTE; V.24; 3; 2; 1; V.25; E.163; End-Gerät; Modem; Vermittlungsstellen; V.4, BSC; V.10..; V.23..; V.10... Basisband; V.23... Breitband (moduliert)]

Bild n3p41a

V.25  Automatic calling/answering equipment in the GSTN
E.163  Numbering plan for the international telephone
V.24  Interchange circuits between dte and dce
V.4  Asynchronous start-stop procedure
BSC  Binary Synchronous Communication
V.10/11, V.28, V.31 Electrical characteristics
V.21 ff  Modulation procedures on public switched or leased telephone lines

4.9.3 Dienste Integrierende Datennetze (ISDN)

Integrated Services Data Networks (I.200)

[figure: Teilnehmergeräte; Telecom-Einrichtungen; TE 2; TA; TE 1; NT 12; NT 2; NT 1; LT; ET; R; T; U; V; S_{0}/S_{2M}; Vermittlungsnetz; 4d; 2d; DE; FR]

Bild n3p41b

- ET (Exchange Termination): Vermittlungsstelle

- LT (Line Termination): Leitungsabschluss

- NT (Network Termination): Netzabschluss

- TE (Terminal Equipment): Endgerät

- TA (Terminal Adaptor): Geräteanpassung (für Analoggeräte)

S_{0} Basisanschluss 2 Nutzkanäle D_{1} und D_{2} mit je 64 kbit/s

1 Zeichengabekanal D mit 16 kbit/s

S_{2M} Primärmultiplexanschluss max 30 Nutzkanäle mit je 64 kbit/s

1 Zeichengabekanal D mit 64 kbit/s

4.10 Das Internet

Das Netz der Netze

[figure: WAN; GW; IPR; GW; IPR; LAN; LAN; Client; Server; WAN; WAN]

Bild n4p20 (IPR = Internet-Packet-Router) Client-Server-Architektur

LAN  LANWAN TCP IP T eln et  Gateway^{LAN-Adresse}^{IP-Adresse} IP TCP F T P S M T P H T T P  D N S  LAN LAN WAN  TCP IP T eln et Gateway ^{LAN-Adresse}^{IP-Adresse} IP TCP  F T P S M T P H T T P D N S^{WAN-Adresse}^{(z.B. X.25)}

Bild n4p21

Dial-up Access

[figure: WAN; Client; GW; GW; Internet; LAN; Subscriber; Carrier; Provider]

Bild n4p22

[figure: LAN; WAN; TCP; IP; T; e; l; n; e; t; Gateway; IP; TCP; F; T; P; S; M; T; P; H; T; T; P; D; N; S; LAN; WAN; Gateway; LAN-Adresse; IP-Adresse; IP; TCP; WAN-Adresse; (Tel.nr.); WAN; WAN-Adresse; (z.B. X.25); Verbinden; Trennen]

Bild n4p23

7 Telnet  HTTP  SMTP  FTP  NNTP TFTP  DNS
Protocol Hyper  Simple  Network Trivial Domain
6  text  Mail  File  News  FTP  Name
Transfer Transfer Transfer Transfer  Service
5  Protocol Protocol Protocol Protocol
4 TCP: Transmission UDP: User
Control Protocol  Datagram Protocol
3 IP: Internet Protocol ICMP

IGMP

2  WAN & LAN
1  Protocols

TCP Ports Well Known Ports (0 ... 1023)

Name  Nr. Funktion
TCPMUX 1  TCP Port Service Multiplexer
RJE 5 Remote Job Entry
FTP  21 FTP (Control)
SSH  22 SSH Remote Login
Telnet  23 Telnet
SMTP  25 Simple Mail Transfer Protocol
NAME  42 Host Name Server
DOMAIN 53 Domain Name Server
WHOIS  63 Whois
TFTP  69 Trivial FTP
GOPHER 70 Gopher
FINGER 79 Finger
HTTP  80 HTTP / WWW
POP3  110 Post Office Preotocol 3
NNTP  119 Network News Transfer Protocol
NTP  123 Network Time Protocol

Registered Ports (1024 ... 49151)

Dynamic / Private Ports (49152 ... 65535)

Internet Standards

STD 1  Standardization Process  RFC 1600, 1610
STD 2  Assigned Numbers  RFC 1340
STD 3  Host Requirements  RFC 1122
STD 4  Gateway Requirements  RFC 1009
STD 5 IP  Internet Protocol  RFC {791, 950, \atop 919, 922}
ICMP  Internet Control Message Protocol  RFC 792
IGMP  Internet Group Multicast Protocol  RFC 1112
STD 6 UDP  User Datagram Protocol  RFC 768
STD 7 TCP  Transmission Control Protocol  RFC 761, 793
STD 8  Telnet Protocol  RFC 652, 854, 855
STD 9 FTP  File Transfer Protocol  RFC 959
STD 9 TFTP  Trivial File Transfer Protocol  RFC 783
STD 10 SMTP  Simple Mail Transfer Protocol  RFC 821, 822
STD 11 SMTP  Format of Electronic Mail Messages RFC 822
STD 12 NTP-V2 Network Time Protocol (Version 2) RFC 1119
STD 12 NNTP  Network News Transfer Protocol  RFC 977
STD 13 DNS  Domain Name Service  RFC 1034, 1035
STD 14 DNS-MX Mail Routing and the Domain System RFC 974
STD 15 SNMP  Simple Network Management Protocol RFC 1157
STD 51 PPP  Point-to-Point Protocol  RFC 1661
STD 61 HTTP  Hypertext Transfer Protocol  RFC 1945

Example of the SMTP Procedure

This SMTP example shows mail sent by Smith at host Alpha.ARPA, to Jones, Green, and Brown at host Beta.ARPA. Here we assume that host Alpha contacts host Beta directly. S: MAIL FROM:<Smith@Alpha.ARPA> R: 250 OK S: RCPT TO:<Jones@Beta.ARPA> R: 250 OK S: RCPT TO:<Green@Beta.ARPA> R: 550 No such user here S: RCPT TO:<Brown@Beta.ARPA> R: 250 OK S: DATA R: 354 Start mail input; end with <CRLF>.<CRLF> S: Blah blah blah... S: ...etc. etc. etc. S: <CRLF>.<CRLF> R: 250 OK

The mail has now been accepted for Jones and Brown. Green did not have a mailbox at host Beta.

Netzwerkmanagement

Ziel des Netzwerkmanagements, der Netzwerkadministration, der Netzwerkverwaltung ist der ungestörte, sichere Betrieb eines Rechnernetzes.

5.1 Managementaufgaben

- Planung der Architektur und Installation

- Einrichtung der Domaine mit Namen und Adressen der Netzknoten

- Betrieb, Verwaltung, Administration

- Erweiterungen, Änderungen, Bestandsführung, Wartung

- Monitoring, Analyse, Tuning, Fehlersuche

- Werkzeuge

- Sicherheit

5.2 Managementkonzepte

- Hierarchie: generell wird eine (hierarchische) Baum-Struktur von Domainen eingesetzt, damit alle Beziehungen eindeutig bleiben.

- zentral verwaltet werden alle Objekte und Systeme innerhalb einer Domaine,

- dezentral erscheinen alle Systeme, die unterhalb einer Domaine angesiedelt sind.

5.3 Objekte im Netz

Objekte, die in einem verteilten System, einem Netzwerk auftreten, sind

- Daten

- Software, Programme

- Hardware, Geräte

- Personen Diese Objekte können durch Daten beschrieben werden, die verwaltet werden müssen; dazu werden Datenbanksysteme eingesetzt.

Daten  Programme  Geräte  Personen
Technische Daten:  Personendaten
Speicherort Speicherort Aufstellungsort Dienstort
Datum, Erzeuger  Version, Ersteller Typ, Hersteller Zuständigkeiten
Benutzer  Benutzer  Bediener  Abteilung
Bedeutung, Relevanz Relevanz  Relevanz  Stellung

Beziehungen zu anderen:

Daten und Programmen Geräten Personen
Programmen  und Daten

Aber auch die Objekte selber müssen verwaltet werden, d.h. sie müssen

- geplant,

- beschafft,

- installiert,

- konfiguriert, d.h. an die Umgebung angepaßt

- optimiert,

- repariert,

- ersetzt,

- entfernt werden.

Beim Netzwerkmanagement werden vorwiegend die vorhandenen Geräte (Netzknoten) und die zwischen ihnen bestehenden Beziehungen (Zweige), die u.a. Kommunikationsprotokolle und deren Betriebsparameter enthalten, verwaltet.

Eine typische Datenstruktur (nach Jackson):

Gerät

Standort

Name

Adresse Kenndaten

Typ

Parameter

Variablen Funktionseinheiten ^{∗}

Netzadresse

Zustandsregister

V.4 Parameter Port ^{0}

Baudrate

Parität

Bild n5p01

Die Beziehungen zwischen den Knoten können in Form von Matrizen dargestellt werden. Hier ein unvollständiges fiktives Beispiel:

Netzknoten

Netz-  Protokolle
knoten  Parameter
1  2  3  4  5  6  7  8
1  ——  V.4  ISDN HfD
——  8,e,1  S0  HDLC
2  ====
3  ====
4  ====
5  ====
6  ====
7  ====

Die Attribute der Beziehungen (Verbindungsparameter) können zu den unterschiedlichsten OSI-Schichten gehören, z.B.

- Schicht 1 (Bitdarstellung): – Pegel nach V.28, V.10, V.11

– Modulationsverfahren V.21 (FSK) V.22 (PSK), ... V.32bis

- Schicht 2 (Sicherungsschicht): - V.4 (Start-Stop-Prozedur-Parameter: Anzahl der Daten, Prüf- und Stopbbits - HDLC

- ISDN - Schicht 3 (Vermittlungsschicht):

- LAN-Protokolle nach ISO 8802 (Ethernet, Token Ring, Token Bus, ..): Ringumlaufzeiten, Time-Out-Limits

- Datex-P (X.25)

- Internet Protocol (IP): IP-Adressen

- Schicht 4 (Transportschicht):

- Transmission Control Protocol (TCP): TCP-Adressen (Ports)

- Schicht 6 (Darstellungsschicht):

- Verschlüsselungsalgorithmus

- ASN.1 Anwendung

5.4 Managementwerkzeuge

- Verteilte Anwendungen (Client-Server-Archtekturen)

- Firmware in Vermittlern (Clients)

- Protokolle zur Kommunikation

5.5 Beispiele

5.5.1 OSI–Netzwerkmanagement (ISO 10 164)

Aufgabenbereiche:

- Konfigurationsmanagement: Zustand des Netzes erkennen und überwachen

- Leistungsmanagement: Kontrolle und Analyse des Durchsatzes und der Fehlerraten

- Fehlermanagement: Feststellen, Isolieren und Kontrollieren von Abweichungen im Netzwerkverhalten, insbesondere von Ausfällen

- Abrechnungsmanagement: Sammeln und Verarbeiten von Inanspruchnahme von Betriebsmitteln

- Sicherheitsmanagement: Zugangskontrolle zum Netzwerk Funktionen:

- Mitlesen: Managenment-Informationen lesen

- Kontrolle: Geräteeinstellungen verändern

- Berichten: Zustandsberichte der Geräte

[figure: SMAE; SMAE; CMIS; CMIS; LME; LME; LME; LME; LME; LME; LME; LME; LME; LME; LME; LME; LME; LME; A; P; S; T; N; DL; PL; A; P; S; T; N; DL; PL; CMIP]

Bild n5p02

Architektur:

SMAE: System Management Application Entity Netzwerkweite Verwaltung der OSI-Instanzen auf allen Schichten.

LME: Local Management Entity Lokale Verwaltungsinstanz einer bestimmten OSI-Schicht mit Zugriff auf die (Protokoll-)Instanzen dieser Schicht

CMIP: Common Management Information Protocol Anwendungsprotokoll zwischen den SMAEs.

CMIS: Common Management Information Service Anwendungsdienste für SMAE in jedem System. Dienste:

- A-CONNECT = Verbindungsaufbau zu einer SMAE

- A-DISCONNECT = Verbindungsabbau

- A-GET = Kontrolle: Geräteeinstellungen abfragen

- A-SET = Kontrolle: Geräteeinstellungen verändern

- A-CREATE = Management-Objekt erzeugen, z.B. Neues Gerät

- A-DELETE = Management-Objekt entfernen, z.B. Routing-Eintrag

- A-EVENT REPORT = Ereignismeldung, z.B. Fehler

- A-ACTION = Ereignisbehandlung, z.B. Neustart, Reset

5.5.2 SNMP, Simple Network Management Protocol

Beispiel SNMP: [figure: client; agent; Server; Router; Netz; Gateway]_{Bild n5p03} . . - Server enthält MIB (Managed Objects Informa- tion Base) RFC 1158 und RMON (Remote Monitor ) RFC 1271 - alle übrigen Netzkomponenten (z.B. Gateway, Router) enthalten Agenten (agents)

5.5.3 NIC, Network Information Center

Aufgaben:

- Monitoring

- Strukturierung

- Information

- Verwaltung von Namen und Adressen

- Validierung von Produkten

- Festlegung von Schnittstellen und Protokollen

- Festlegung von Sicherheitsstandards

Sicherheit in Netzen

Der Begriff Sicherheit wird unterschiedlich definiert:

- In Deutschland wird hierunter ein bestimter Zustand eines Systems verstanden,

- im internationalen Bereich wird Sicherheit mehr als Vorgang betrachtet.

- in der ISO wird Sicherheit als die Minimierung der Verwundbarkeit von Werten und Ressourcen definiert [ISO-88]. Dort werden Sicherheitsdienste definiert, die spezifische Sicherheitsmechanismen zur Beseitigung von Schwachstellen (Risiken), also der Verwundbarkeit, bereitstellen.

6.1 Risiken

- Verlust der Vertraulichkeit (privacy) Vertraulichkeit bezieht sich stets auf Daten, die nur berechtigten Personen zugänglich sein sollen z.B. Personendaten (vgl. BDSG, Bundesdatenschutzgesetz).

- Verlust der Datenkonsistenz (integrity) Integrität bezieht sich auf Daten bzw. Informationen; diese dürfen nur von Befugten verändert werden. Eine Manipulation durch Unbefugte soll verhindert oder erkannt und nachgewiesen werden können. Manipulationen können auf den Verarbeitungssystemen erfolgen oder während der Übertragung. Auf den Verarbeitungssystemen erfolgen diese Angriffe z.B. durch Viren. Bei der Übertragung erfolgen diese Angriffe durch verschiedene Techniken (s.w.u.)

- Verlust der Verfügbarkeit (reliability) Verfügbarkeit eines EDV-Systems bezieht sich auf die gespeicherten Daten und insbesondere auf die korrekte Funktion des Systems, also den korrekten Ablauf der Verarbeitungsprogramme, dazu zählen sowohl die Soft- als auch die Hardwarefunktionen

Risiken entstehen durch einfache Bedienfehler oder durch bewußte Angriffe (z.B. Sabotage).

6.2 Risikoobjekte

– Daten: Verändern, Verfälschen, Löschen Abhören, Entwenden, Mißbrauch

– Programme: Verändern der Funktionalität (Trojanische Pferde, Viren) Behindern der Funktionalität (Blockieren)

– Hardware: Behindern der Funktionaliät (Bremsen)

Stören und Zerstören (Formatieren der Festplatte, mechanische Überlastung und Bruch durch übermäßige Plattenzugriffe, welche die vorgesehene Lebensdauer überschreiten lassen)

– Personen: Bloßstellung von persönlichen Geheimnissen, Bruch der Privatsphäre (privacy), z.B. zu Zwecken von Abwerbung oder Erpressung

6.3 Bedrohungen

Eine Bedrohung ist ein Umstand oder ein Ereignis, wodurch die Verfügbarkeit, die Integrität oder die Vertraulichkeit von Informationen oder ihrer Verarbeitung in einem EDV-System gefährdet werden kann.

6.3.1 Bedrohungen der Verarbeitungssysteme

- Verändern, Verfälschen, Löschen von Daten und Programmen.

- Abhören, Entwenden von Daten: Bruch der Vertraulichkeit (privacy)

- Vortäuschen einer anderen Identität: Verletzung der Authentizität

6.3.2 Bedrohungen bei der Kommunikation

Bedrohungen können durch eine nicht an der Kommunikation beteiligte Instanz (outsider) oder durch eine der kommunizierenden Instanzen (insider) erfolgen. Angriffe können aktiv oder passiv sein. Aktive Angriffe beinhalten Modifikationen, also schreibende Zugriffe, passive Angriffe erfolgen durch Abhören ohne Modifikation, also lesende Zugriffe.

6.3.2.1 Abhören von Nachrichten (Passiv)

Ein Angreifer (ein Outsider) kann Nachrichten zu jedem Zeitpunkt an jeder Stelle des Netzwerkes abhören (Verkehrsanalyse), das heißt er sieht das äußere Erscheinungsbild der Nachricht. Beispiel: Sniffing im Internet

6.3.2.2 Abhören von Nachrichteninhalten (Mitteilungen) (Passiv)

Ein Angreifer kann Nachrichteninhalte, d.h. die Klartext-Mitteilung M sehen, wenn M unverschlüsselt übertragen wird, oder wenn er für eine verschlüsselte Mitteilung den Dechiffrierschlüssel kennt. Beispiel: Monitoring, insbesondere Abhören von Paßworten 6.3.2.3 Modifikation von Nachrichten (Aktiv)

Ein Angreifer kann Nachrichten oder Bestandteile davon an jeder Stelle des Netzwerkes entfernen. Er kann ferner Daten in bestehende Nachrichten zusätzlich einfügen oder austauschen. Das kann Adreßinformationen oder Anwendungsinformationen betreffen. Beispiel: aktives Sniffing im Internet, TCP Hijacking

6.3.2.4 Einspielen von Nachrichten (Aktiv)

Ein Angreifer kann zu jedem Zeitpunkt Nachrichten einspielen. Dies können

- vom Angreifer neu erstellte Nachrichten

- zuvor abgehörte Nachrichten sein. Der Angreifer kann durch Entfernen und Einspielen von Nachrichten die vom Absender vorgegebene Reihenfolge verändern.

6.3.2.5 Maskerade (Aktiv)

Durch eine Kombination der vorhergehenden Angriffe kann ein Angreifer in einem Kommunikationsprotokoll die Identität eines anderen Teilnehmers vortäuschen. Beispiele: Spoofing im Internet, DNS-Spoofing, IP-Spoofing, UDP-Spoofing

6.3.2.6 Leugnen von Nachrichten

Eine der an einem Kommunikationsprotokoll beteiligten Instanzen (Insider) kann anschließend leugnen, daß eine Nachricht von ihr abgesendet wurde.

6.3.2.7 Dienstverweigerung

Eine Instanz kann die Erfüllung der von ihr geforderten Aufgaben verweigern. Dieser Angriff kann vom Vermittler oder vom Empfänger, oder von einem Server in einer Client-Server-Beziehung, durchgeführt werden. Ein Angreifer kann ein Verteiltes System durch Einspielen großer Mengen von Daten oder Anfragen lahmlegen, so daß kein regulärer Dienst mehr erbracht werden kann (Blockieren).

6.3.3 Sonstige Bedrohungen

Social hacking Beschaffung von sicherheitsrelavanten Informationen durch soziale Kontakte wie:

– Telefonanrufe (Vortäuschung einer autorisierten Person),

– Gesellschaften, Partys, Gelage (Preisgabe von Informationen im Rausch),

– Internet-Newsgroups, Internet-Chat, E-mail (Kommunikation mit Unbekannten).

6.4 Risikoanalyse

- Bedrohungsanalyse: Welche Motivatioen kann ein Angreifer haben ?

- Nutzung von Ressourcen

- Industriespionage

- Sabotage

- Informationswertanalyse: Welche Daten stellen einen Sicherheitsrisiko dar (welche Folgen sind bei iherer Verfälschung zu befürchten) ?

- Produktions- und Forschungsgeheimnisse (Wettbewerbsnachteile)

- Personendaten (Abwerbung, Erpressung)

- Schwachstellenanalyse: wo könnte ein Angreifer ansetzen ?

- Sicherheitslücken der Verarbeitungssysteme, Systemfehler

- Administrationsfehler

- Bedienfehler

6.5 Risikoabwehr

6.5.1 Systemsicherheit

6.5.1.1 Sicherheitskonzeption und -management (Security Policy) Festlegung von Zuständigkeiten: in jedem Unternehmen muß für

– jedes Subnetz

– jeden Rechner

– jede Anwendung genau ein Betreuer -Administrator- und seine Stellvertretung festgelegt werden.

6.5.1.2 Technische Schutzeinrichtungen

– Firewalls dienen zur Isolation Lokaler Netze (LAN) von Weitverkehrsnetzen (WAN) insbesondere vom Internet… [figure: Internes Netz; Externes Netz; Fire-; wall]_{Bild n5p05}

Ein Firewall besteht im einfachsten Fall aus einem Rechner, einem (dualhosted) Gateway; im ausgedehntesten Fall wird er von einem Netzwerk mit mehreren Komponenten gebildet (screening subnet)

– Verschlüsselung interner Daten (z.B. auf der Festplatte)

– OSI-Security ISO 7498-3

6.5.2 Übertragungssicherheit

6.5.2.1 Technische Methoden

- Verwendung sicherer Leitungswege (Abschirmungen, LWL)

- Verwendung verschlüsselter Leitungsprotokolle (geheime Bitdarstellung auf OSI-Schicht 1)

6.5.2.2 Kryptographische Methoden

Sichere Kommunikationsprotokolle geben Schutz auf den höheren Schichten, insbesondere auf Schicht 6 (Darstellungsschicht) des OSI-BRM. Dazu werden kryptographische Methoden zur Ver- und Entschlüsselung eingesetzt. Die verwendeten kryptographischen Methoden des Protokolls müssen den Kommunikationsteilnehmern bekannt sein, die Sicherheit beruht auf der Geheimhaltung von Schlüsseln.

Der prinzipielle Ablauf eines verschlüsselten Nachrichtenaustausches: Ein Teilnehmer A transformiert eine Nachricht M mit einem Schlüssel E (Encryption) zu E(M) und sendet diese an B. B transformiert die empfangene Nachricht mit einem Schlüssel D (Decryption) zurück und erhält somit wieder M = D(E(M)). Ein Angreifer C kann in diesem Modell lesend und schreibend auf den Kommunikationskanal L_{ab} zugreifen.

[figure: M; A; E(M); B; M=D(E(M)); C; E; D; L_{ab}; L_{ab}; Transformieren; Übertragen; Rücktransformieren; Angreifen]

Bild n5p06

Beim symmetrischen Kryptosystem ist E = D = K. Nur A und B sind im Besitz desselben geheimen Schlüssels K. Beispiel: DES (Data Encryption System)

Beim asymmetrischen Kryptosystem ist E ≠ D. Jeder Teilnehmer besitzt ein Schlüsselpaar, bestehend aus einem Chiffrierschlüssel E_{X}, der öffentlich bekannt gemacht werden kann und einem Dechiffrierschlüssel D_{X} der nur dem Eigentümer dieses Schlüsselpaares bekannt ist.

Es ist rechentechnisch nicht mit vertretbarem Aufwand möglich, aus Kenntnis des Chiffrierschlüssels E den Dechiffrierschlüssel D abzuleiten.

Public Key Kryptosysteme sind solche, bei denen der Chiffrierschlüssel veröffentlicht wird. Der Chiffrierschlüssel wird als öffentlicher, der Dechiffrierschlüssel als privater Schlüssel bezeichnet.

Zur Übermittlung einer vertraulichen Nachricht von A an B verschlüsselt A seine Nachricht mit dem öffentlichen Schlüssel E_{B} von B, so daß dieser die Nachricht mit seinem eigenen privaten Dechiffrierschlüssel D_{B} wieder entschlüsseln kann. Beispiel: RSA (Verfahren nach Rivest, Shamir und Adleman)

Elektronische Unterschrift Will A eine Nachricht M an B senden, deren Urheberschaft (Authentizität) der Empfänger prüfen kann, so erzeugt sie mit ihrem eigenen privaten (De)Chiffrierschlüssel D_{A} eine chiffrierte Nachricht D_{A}(M). B kann durch Anwendung des eindeutig A zugeordneten Chiffrierschlüssels E_{A} nachweisen, daß M von A stammen muß, wenn die Operation E_{A}(D_{A}(M)) die von A stammende Nachricht erzeugt. Der Ausdruck D_{A}(M) wird dann auch als Elektronische Unterschrift oder Signatur von A bezeichnet, mit der A bestätigt, daß die Mitteilung M von ihr stammt. Wenn der Chiffrierschlüssel E_{X} eines Teilnehmers X öffentlich bekannt ist, so kann eine von diesem erzeugte Elektronische Unterschrift von jedermann überprüft werden. Voraussetzung für dieses Verfahren ist, daß Chiffrier- und Dechriffrieroperationen vertauschbar sind, also D(E(M)) = E(D(M)) ist.

Schlüsselabsprache Asymmetrische Kryptosysteme sind deutlich aufwendiger als symmetrische. Daher wird in der Regel zu Beginn einer Sitzung (S-CONNECT) ein asymmetrisches Kryptoverfahren verwendet um einen gemeinsamen symmetrischen Schlüssel zu vereinbaren, der nur für diese eine Sitzung gilt. Beispiel: Diffie-Hellman Verfahren (1976)

Authentisierung Unter Authentisierung von Teilnehmern oder Instanzen eines Rechensystems wird der Nachweis einer zuvor behaupteten Identität verstanden. Beispiel: Benutzerauthentisierung beim Unix-login durch Paßworte.

Protokolle zur Teilnehmerauthentisierung und Schlüsselverteilung können direkt zwischen zwei Kommunikationspartnern abgewickelt werden (Zwei-Parteien-Protokol-le) oder die Dienste einer vertrauenswürdigen Dritten Partei (Trusted Third Party, TTP) mit einbeziehen (Drei-Parteien-Protokolle). Wenn sehr viele Teilnehmer vorhanden sind, ergeben sich jedoch Probleme bei der Schlüsselverwaltung, insbesondere wenn Schlüssel nur eine begrenzte Lebensdauer haben. Dann werden Authentisierungsdienst benötigt. Beispiel: Needham-Schroeder-Protokoll, das Kerberos-Protokoll (RFC 1510), das Diffie-Hellman Key Agreement und das Directory Authentication Protocol (X.500).

6.5.2.3 Anonyme Kommunikation

Die Anonymität bei der Kommunikation wird als wichtiger Aspekt des informationellen Selbstbestimmungsrechtes betrachtet und soll in diesem Zusammenhang Benutzer und Instanzen vor Rückschlüssen schützen, die aus der Beobachtbarkeit der Kommunikation resultieren. Anonyme Kommunikation hat daher aus Sicht des Datenschutzes einen Stellenwert, der mit dem der Vertraulichkeit von Daten vergleichbar ist. Anonymität kann den Sender (Originator), den Empfänger (Recipient) oder die Kommunikationsbeziehung betreffen.

Digitale Pseudonyme Ein digitales Pseudonym dient zum Schutz von Individuen (Teilnehmern) vor der Erzeugung von Kommunikations-Profilen.

Ein Teilnehmer ist jederzeit in der Lage, mit Hilfe seines privaten Schlüssel die Eigentümerschaft des Pseudonyms nachzuweisen und gleichzeitig ist sichergestellt, daß das Pseudonym nicht von anderen verwendet werden kann.

Ein Teilnehmer kann mehrere solcher Pseudonyme besitzen und verwenden.

Ein digitales Pseudonym ist ein öffentlicher Schlüssel, mit dem Elektronische Unterschriften überprüft werden können, die von dem anonymen Eigentümer des zugehörigen privaten Schlüssels erzeugt wurden.

Inhaltsverzeichnis

1 Netze (networks) 3

1.1 Computer-Netzwerk-Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.1 Datenverbund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.2 Informationsverbund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.3 Funktionsverbund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.4 Leistungsverbund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.5 Lastverbund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1.6 Verfügbarkeitsverbund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2 Rechnerkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.1 Multiprozessor-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.2 Mehrprozessor-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2.3 Buskopplung (homogen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.4 Kanalkopplung (inhomogen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.5 Indirekte Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.6 Lose Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.7 Datenträgeraustausch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.3 Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.1 Transferdiagramm (Ereignis/Zeit-Diagramme) . . . . . . . . . 13 1.3.2 Strategien und Protokolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3.3 Der Übertragungskanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2 Netzstrukturen 17 2.1 Verbindungsstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2 Netzklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.1 GAN - Global area network, Globales Netz . . . . . . . . . . . 17 2.2.2 WAN - Wide area network, Weitverkehrsnetz . . . . . . . . . . 18 2.2.3 MAN - Metropolitan area network, Regionales Netz . . . . . . 18 2.2.4 LAN - Local area network, Lokales Netz . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.5 Cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.6 VLAN - Very local area network Sehr lokales Netz . . . . . . . 19

2.3 Netztopologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3.1 Vollständiges Netz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3.2 Stern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3.3 Baum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.4 Maschennetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3.5 Liniennetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3.6 Ring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3.7 Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3.8 Reguläre Netze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3.9 Mischtopologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.4 Netzarchitekturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.1 Feste Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4.2 Wählverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.4.3 Teilstreckenvermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.4.4 Sendungsvermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.4.5 Paketvermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.4.6 Datagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.4.7 Feste virtuelle Verbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.4.8 Gewählte virtuelle Verbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3 Das ISO-OSI-7-Schichtenbasisreferenzmodell 37

3.1 Kommunikation Offener Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1.1 Das OSI-Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1.2 Das Schichtenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1.3 Modell einer Schicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.4 Modell einer Instanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.1.5 Dienste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.1.6 Protokolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.2 Die OSI-Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.2.0 Das Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.2.1 Die Bitübertragungsschicht (Physical layer) . . . . . . . . . . . 47 3.2.2 Die Sicherungschicht (Data-link layer) . . . . . . . . . . . . . . 53 3.2.3 Die Vermittlungschicht (Network layer) . . . . . . . . . . . . . 61 3.2.4 Die Transportschicht (Transport layer) . . . . . . . . . . . . . . 68 3.2.5 Die Kommunikationssteuerungsschicht (Sessions layer) . . . . . 72 3.2.6 Die Darstellungsschicht (Presentation layer) . . . . . . . . . . . 77 3.2.7 Die Anwendungsschicht (application layer) . . . . . . . . . . . 81

3.3 Transitsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.4 Schichten und Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4 Lokale Netze (LAN) 89 4.1 Normen und Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.2 Dienste und Protokolle der LLC-Schicht . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.3 Dienste und Protokolle der MAC-Schicht . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.4 CSMA/CD Ethernet-Bus (IEEE 802.3) . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.4.1 Zugriff zum Medium (Medium Access) . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4.2 Bitdarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.4.3 Ethernet Pakete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.4.4 Kollisionsbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

4.5 Token Ring (IEEE 802.5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.6 Token Bus (IEEE 802.4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.7 Fiber Distributed Data Interface, FDDI (IEEE 802.6) . . . . . . . . . 101 4.8 Asynchronous Transfer Mode, ATM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.9 Wide Area Networks (WAN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

4.9.1 Öffentliche Datennetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.9.2 Öffentliche Telefonnetze (PSTN) . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.9.3 Dienste Integrierende Datennetze (ISDN) . . . . . . . . . . . . 105

4.10 Das Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

5 Netzwerkmanagement 109 5.1 Managementaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5.2 Managementkonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5.3 Objekte im Netz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.4 Managementwerkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.5 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

5.5.1 OSI–Netzwerkmanagement (ISO 10 164) . . . . . . . . . . . . . 112 5.5.2 SNMP, Simple Network Management Protocol . . . . . . . . . 114 5.5.3 NIC, Network Information Center . . . . . . . . . . . . . . . . 114

6 Sicherheit in Netzen 115 6.1 Risiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6.2 Risikoobjekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.3 Bedrohungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

6.3.1 Bedrohungen der Verarbeitungssysteme . . . . . . . . . . . . . 116 6.3.2 Bedrohungen bei der Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . 116 6.3.3 Sonstige Bedrohungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

6.4 Risikoanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.5 Risikoabwehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

6.5.1 Systemsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.5.2 Übertragungssicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118