kapitel 3 geschichtete...
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Kommunikationsnetze Wintersemester 2018/19
Prof. Jochen Seitz 1
Kapitel 3 – Geschichtete Kommunikationssysteme
i. ISO/OSI-Basisreferenzmodell
ii. Weitere Referenzmodelle
iii. Tunneling
Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2018/19) 1
Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2018/19) 2
Geschichtetes Kommunikationssystem
abstraktes Mediumfür Schicht N
Schicht N
Anwendung Anwendung
... ...
physikalisches Medium
horizontale Kommunikation
Zugangspunkt
Schnittstelle
vert
ikal
e Ko
mm
unik
atio
nvertikale Kom
munikation
horizontale Kommunikation
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ISO/OSI*-Basisreferenzmodell
▪ Ziel:• Beschreibung von Kommunikationsvorgängen• Kompatibilität und Interoperabilität von Systemen unterschiedlicher Hersteller durch
offene Schnittstellen und Spezifikationen = offenes System• Internationale Standardisierung von Diensten und Protokollen• Wichtig: Denkmodell, anhand dessen sich Kommunikationssysteme erklären und
klassifizieren lassen. • Implementierungen vorrangig für öffentliche Netze• Kurzform: OSI-Modell, OSI-Schichtenmodell
▪ Standard:• ISO/IEC 7498-1, 1994 (http://standards.iso.org/ittf/PubliclyAvailable
Standards/s020269_ISO_IEC_7498-1_1994(E).zip)• Übernahme durch ITU-T in X.200, X.207, …
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* ISO = International Organization for StandardizationOSI = Open System Interconnection
Prinzipien des OSI-Schichtenmodells
▪ OSI-Endsystem• Rechnersysteme, die sich bei der Kommunikation an OSI-Standards halten
▪ (N)-Schicht (Layer)• Sämtliche Einheiten einer (N)-Hierarchiestufe in allen Endsystemen
▪ (N)-Instanz (Entity)• Prozess(e) zur Realisierung eines (N)-Dienstes in der (N)-Schicht
(„gestartete“ Implementierung)• Verschiedene Ausprägungen einer (N)-Instanz möglich• Ausprägung einer (N)-Instanz entspricht Vorkommnis der (N)-Instanz
▪ Partnerinstanzen (Peer-Entities)• miteinander kommunizierende Instanzen einer Schicht• Partnerinstanzen erfüllen Funktionen eines Dienstes durch Datenaustausch
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Vertikaler Datenaustausch zwischen den Schichten innerhalb eines Systems
(N-1)-Schicht
(N+1)-SchichtSAP
(N)-Schicht
SAP
(N)-SDU (N)-ICI
(N-1)-SDU (N-1)-ICI
(N)-IDU
(N-1)-ICI
(N-1)-IDU
(N)-PCI
(N)-PDU
(N )-PCI (N)-SDU
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OSI - Kommunikationseinheiten, Beschreibung
▪ (N) - Schnittstellendateneinheiten
• Interface Data Unit, IDU
• Zwischen (N+1)- und (N)-Instanzen über einen (N)-SAP ausgetauschte Dateneinheit.
• Setzt sich zusammen aus (N)-ICI und (N)-SDU.
▪ (N) - Schnittstellenkontrollinformation
• Interface Control Information, ICI
• Zwischen (N)-Schicht und (N+1)-Schicht ausgetauschte Parameter zur Steuerung von Dienstfunktionen (z.B. Adressen).
▪ (N) - Dienstdateneinheiten
• Service Data Unit, SDU
• Daten, die transparent zwischen (N)-SAPs übertragen werden.
▪ (N) - Protokollkontrolldaten
• Protocol Control Information, PCI
• Daten, die zwischen (N)-Instanzen ausgetauscht werden, um die Ausführung von Operationen zu steuern (z.B. Folgenummern o.ä.).
▪ (N) - Protokolldateneinheit
• Protocol Data Unit, PDU
• Dateneinheit, die zwischen (N)-Instanzen unter Benutzung eines Dienstes der (N-1)-Schicht ausgetauscht wird.
• Setzt sich zusammen aus (N)-PCI und (N)-SDU.
• Entspricht somit der (N-1)-SDU.
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Kommunikation innerhalb und zwischen OSI - Systemen
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(N)-Instanz (N)-Instanz
(N+1)-Schicht
(N)-IDU
(N-1)-IDU
(N)-Dienste
(N-1)-Dienste
(N)-IDU
(N-1)-IDU
Protokoll
(N)-PDU
(N-1)-Schicht
(N)-Dienste
(N-1)-Dienste
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Die OSI-Schichten im Überblick
Schicht 7(A - Schicht)
Schicht 6(P - Schicht)
Schicht 5(S - Schicht)
Schicht 4(T - Schicht)
Schicht 3(N - Schicht)
Schicht 1(Ph - Schicht)
Schicht 2(DL - Schicht)
Anwendungsschicht
Darstellungsschicht
Kommunikations-steuerungsschicht
Transportschicht
Vermittlungsschicht
Sicherungsschicht
Bitübertragungsschicht
Application Layer
Presentation Layer
Session Layer
Transport Layer
Network Layer
Data Link Layer
Physical Layer
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Bezeichnungskonventionen
▪ (N)-Schicht
• A -Schicht: Anwendungsschicht (Application Layer)
• P -Schicht: Darstellungsschicht (Presentation Layer)
• S -Schicht: Kommunikationssteuerungsschicht (Session Layer)
• T -Schicht: Transportschicht (Transport Layer)
• N -Schicht: Vermittlungsschicht (Network Layer)
• DL -Schicht: Sicherungsschicht (Data Link Layer)
• Ph -Schicht: Bitübertragungsschicht (Physical Layer)
▪ (N)-Dienstprimitive (N)-Dienst.typ
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PhDLNT...
-Connect-Data-Disconnect-Abort- ...
.Req (Request, Anforderung)
.Ind (Indication, Anzeige)
.Rsp (Response, Antwort)
.Cnf (Confirmation, Bestätigung)
Ausnahme:Dienstprimitive in der A-Schichtwerden gemäß ihres ApplicationService Elements (ASE) benannt.
10
Ver
bin
du
ng
s-a
bb
au
Ver
bin
du
ng
s-a
ufb
au
Bezeichnungskonventionen am Beispiel
DL-Disconnect.Req
DL-Disconnect.Ind
DL-Data.Ind
DL-Connect.Req
DL-Connect.Ind
DL-Connect.Cnf
DL-Connect.Rsp
DL-Data.Req
DL-Data.Ind
Da
ten
-a
ust
au
sch
DL-Data.Req
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Bitübertragungsschicht und Sicherungsschicht
▪ Bitübertragungsschicht (Schicht 1)• ungesicherte Verbindung zwischen direkt benachbarten Systemen
• Übertragung unstrukturierter Bitfolgen über physikalisches Medium
• umfasst u.a. physikalische Anschlüsse, Umsetzung Daten Signale
▪ Sicherungsschicht (Schicht 2)• gesicherter Datentransfer
• Zerlegung des Bitstroms (Schicht 1) in Rahmen (Frames)
• Fehlererkennung und -behandlung
• Protokollmechanismen: Quittierung, Zeit-/Sequenzüberwachung, Wiederholen/Rücksetzen
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Schicht 2
Schicht 1
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Daten und Signale
ungesicherteDaten
Sicherungs-schicht
gesicherteDaten
Störanfälliges Medium
Übertragungskanal
Bitübertragungs-schicht
Signale
fehlerbereinigteDaten
Sicherungs-schicht
u.U. fehlerbehafteteDaten
Bitübertragungs-schicht
u.U. gestörteSignale
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Vermittlungsschicht und Transportschicht
▪ Vermittlungsschicht (Schicht 3, auch 'Netzwerkschicht')• verknüpft Teilstreckenverbindung• Wegewahl (Vermittlung, Routing)• ggf. Flusskontrolle oder Staukontrolle• verbindungslos oder -orientiert
▪ Transportschicht (Schicht 4)• Adressierung von Transportdienstbenutzern• Datentransfer zwischen Endsystemen• Transparenz bzgl. Übertragungs- und Vermittlungstechnik, Subnetzen• verbindunglos oder -orientiert
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Endsystem Endsystem
Zwischensystem
Anwendungsorientierte Schichten
▪ Kommunikationssteuerungsschicht (Schicht 5)• Ablaufsteuerung und -koordinierung, Synchronisation zwischen Anwendungsprozessen
• Sitzung (Session)
• ergibt erst Sinn bei Verwendung durch den Benutzer
▪ Darstellungsschicht (Schicht 6)• Darstellung (Syntax) bzw. Interpretation (Semantik) von Informationen
▪ Anwendungsschicht (Schicht 7)• Zugriff für OSI-Benutzer
• je nach Anwendung z. B. für:− Dateitransfer
− zuverlässiger Nachrichtenaustausch
− entfernter Prozeduraufruf
− …
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OSI: Die 7 Schichten
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Schicht 7
Schicht 6
Schicht 5
Schicht 4
Schicht 3
Schicht 2
Schicht 1
Schicht 7
Schicht 6
Schicht 5
Schicht 4
Schicht 3
Schicht 2
Schicht 1
Schicht 3
Schicht 2
Schicht 1
Schicht 2
Schicht 1
End-system
End-systemVermittlungs-
netz
Anwendungsschicht
Darstellungsschicht
Kommunikationssteuerungsschicht
Transportschicht
Sicherungs-schicht
Bitübertragungs-schicht
Vermittlungs-schicht
Sicherungs-schicht
Bitübertragungs-schicht
Vermittlungs-schicht
Einkapselungvon Daten
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Anwendungs-schicht
Anwendungs-schicht
Darstellungs-schicht
Darstellungs-schicht
Kommunikations-steuerungsschicht
Transport-schicht
Vermittlungs-schicht
Sicherungs-schicht
Bitübertragungs-schicht
Daten
Dateneinheit
Dateneinheit
Dateneinheit
Dateneinheit
Dateneinheit
Bits
AH
Daten
PH
SH
TH
NH
DLH DLT
Sen
de
n
Emp
fan
gen
AH Application HeaderPH Presentation HeaderSH Session HeaderTH Transport Header
NH Network HeaderDLH Data Link HeaderDLT Data Link Trailer
Kommunikations-steuerungsschicht
Transport-schicht
Vermittlungs-schicht
Sicherungs-schicht
Bitübertragungs-schicht
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OSI: Implementierungsbeispiel Telefax Gr.4
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T.563, T.521,T.503, T.400-Serie
Anwendungs-schicht
T.6Darstellungs-
schicht
T.62
T.70
I.450, I451
I.440, I.441
I.430, I.431
Kommunikations-steuerungsschicht
Transport-schicht
Vermittlungs-schicht
Sicherungs-schicht
Bitübertragungs-schicht
Dimensional Compression Standard
Control Procedures for the TELETEX Service
Terminal Characteristics for Group 4 Facsimile Apparatus,Communication Application Profile BTO for Document Bulk Transfer Based on the Session Service,A Document Application Profile for the Interchange of Group 4 Facsimile Documents,Introduction to document architecture, transfer and manipulation,…
Network Independent Basic Transport Service for TELETEX
ISDN User-Network Interface (Layer 3 – General Aspects)ISDN User-Network Interface (Layer 3 Specification)
ISDN User-Network Interface (Data Link Layer - General Aspects),ISDN User-Network Interface (Data Link Layer Specification)
ISDN Basic User-Network Interface (Layer 1 Specification),ISDN Primary Rate User-Network Interface (Layer 1 Specification)
Verbindung und Assoziation
▪ (N) - Verbindung (Connection)• Beziehung zwischen zwei (oder mehr) (N+1)-Instanz-Vorkommnissen auf Ebene der (N)-Schicht
(Unterstützung durch (N)-Protokoll)
▪ (N+1) - Assoziation (Association)• Kooperative Beziehungen zwischen zwei (N+1)-Instanz-Vorkommnissen (z.B. Verwaltung von
Zustandsinformationen)• Unterstützung durch (N)-Verbindung (oder (N)-verbindungslosen Dienst)• Möglichkeit der Nutzung verschiedener (N)-Verbindungen
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(N+1)-Instanz (N+1)-Instanz
(N) - Verbindung
(N+1) - Assoziation
(N)-Instanz(N)-Instanz
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Instanz und Vorkommnis
▪ Instanz = konkrete Umsetzung einer Funktionalität: • Start eines Programms
▪ parallele Instanziierung möglich:• mehrmaliges Starten eines Programmes
▪ Vorkommnisse = parallele Ausführung gleicher Funktionalitäten innerhalb einer Instanz:• mehrfaches Öffnen eines neuen Dokumentes in „Word“• gestartetes Programm „Word“ ist die Instanz• die Ausprägung durch das jeweils geöffnete Dokument ist das Vorkommnis
▪ mindestens ein Vorkommnis je Instanz▪ Unterschied für den User nicht unbedingt erkennbar:
• Öffnen von Tabs im Browser:− IE und Chrome: jeder Tab = eine eigene Instanz− Mozilla: jeder Tab = ein neues Vorkommnis
(Erst das Öffnen eines weiteren Mozilla-Browsers startet eine weitere Instanz.)
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Internet-Referenzmodell
▪Motivation• OSI komplex und hoher Implementierungsaufwand (viele Schnittstellen)
• Funktionen der oberen drei Schichten i.d.R. anwendungsabhängig− Zusammenfassung sinnvoll
• Hardware und Zugriffsprotokoll (Schichten 1 und 2) bilden in den meisten Fällen eine Einheit− Zusammenfassung sinnvoll
▪ Ziel• Vereinfachung des Modells
• Berücksichtigung praxisrelevanter Notwendigkeiten
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Das Internet- bzw. TCP-IP-Referenzmodell
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AnwendungsschichtAnwendungsspezifische Funktionen zusam-mengefasst in Anwendungsprotokollen
TransportschichtEnde-zu-Ende-Datenübertragungzwischen zwei Anwendungsinstanzen
Internet-SchichtPaketvermittlung im Netz= Vermittlungsschicht
Sicherungsschicht Schnittstelle zum physikalischen Medium:Rechner-Netzanschluss, Network-to-Host, N2H
Bitübertragungs-schicht
HTTP Entity
TCP/IP: Implementierungsbeispiel Webdienst
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TCP Entity
IP Entity
IEEE 802.11n
Application Layer
Transport Layer
Network Layer
Network-to-HostLayer
Wireless LAN
Internet Protocol
Transmission Control Protocol
Hypertext Transfer Protocol
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Tunneling
▪ Was ist das?• Einbettung eines Kommunikationsprotokolls in ein anderes Kommunikationsprotokoll• Transparenz bzgl. Netzwerk
(getunnelte Pakete = Nutzdaten)• Transparenz bzgl. getunneltes Protokoll
(Netzwerk unsichtbar für getunneltes Protokoll)• Kommunikationszugriff auf das getunnelte Protokoll nur an den Tunnelenden• Hinweis: Tunneling ⊂ Kapselung, aber Kapselung ⊄ Tunneling
▪ Beispiele:• private/virtuelle Netzwerke• Ende-zu-Ende-Verschlüsselung• IP-Tunneling (IPv4 versus IPv6)• Mobile IP
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Tunnel
„egal“-Netzwerk
IP-Paket
IP-Paket
IPv4-Netzwerk
Beispiel IPv4-Tunnel für IPv6-Pakete
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IPv4-R1
IPv4-R2
IPv4-R3
IPv6-Paket
IPv6-Paket
IPv6-R1
IPv6-R2
IPv4-Paket
Application
Transport
Network
Network-to-Host (N2H)
IPv4 IPv4 IPv4
IPv6
IPv4
N2H N2H
IPv6
IPv4
N2H N2H N2H N2H N2H N2H N2H N2H
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Beispiel Dateizugriff über VPN (Virtual Private Network)Anwendersicht
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Heim-arbeitsplatz
Arbeitsplatzin der Firma
Firmennetzwerk
Application
Transport
Network
Network-to-Host
Client fürDateizugriff
TCPF
IPF
Network-to-Host
Client fürDateizugriff
TCPF
IPF
Network-to-Host
◼ Netzwerk für Mitarbeiter einer Firma
◼ (hier) nur interner Verkehr− kein Zugriff von außen− kein Zugriff nach außen
◼ scheinbar alleinige Nutzung der Infrastruktur
Beispiel Dateizugriff über VPN (Virtual Private Network) Technik
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Application
Transport
Network
Network-to-Host
Network-to-Host
InternetHeim-arbeitsplatz
Arbeitsplatzin der Firma
Client fürDateizugriff
TCPF
IPF
Network-to-HostNetwork-to-Host
IPF IPI
TCPF TCPI
VPN-Gateway
VPN-Gateway
Router
Router
TCPF
IPF
SSH
IPI
Network-to-Host
Network-to-Host
Network-to-Host
Network-to-Host
IPI
Network-to-Host
Network-to-Host
IPI IPF
TCPI TCPF
TCPF
IPF
SSH
Network-to-Host
Network-to-Host
Client fürDateizugriff
TCPF
IPF
Network-to-HostNetwork-to-Host
◼ Tunneln von TCPF und IPF
◼ gemeinsame Nutzung der Infrastruktur mit „Fremden“
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Beispiel Dateizugriff über VPN (Virtual Private Network) Gesamtansicht
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Heim-arbeitsplatz
Internet
Firmennetzwerk
VPN-GatewayVPN-GatewayRouter
Router
Arbeitsplatzin der Firma
Application
Transport
Network
Network-to-Host
Network-to-Host
Client fürDateizugriff
TCPF
IPF
Network-to-HostNetwork-to-Host
IPF IPI
TCPF TCPI
TCPF
IPF
SSH
IPI
Network-to-Host
Network-to-Host
Network-to-Host
Network-to-Host
IPI
Network-to-Host
Network-to-Host
IPI IPF
TCPI TCPF
TCPF
IPF
SSH
Network-to-Host
Network-to-Host
Client fürDateizugriff
TCPF
IPF
Network-to-HostNetwork-to-Host
Literatur
[1] ABECK, Sebastian; LOCKEMANN, Peter C.; SCHILLER, Jochen; SEITZ, Jochen (2003): Verteilte Informationssysteme. Integration von Datenübertragungstechnik und Datenbanktechnik. Heidelberg: dpunkt-Verlag.
[2] DEBES, Maik; HEUBACH, Michael; SEITZ, Jochen; TOSSE, Ralf (2007): Digitale Sprach- und Datenkommunikation. Netze - Protokolle - Vermittlung. München, Wien: Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag.
[3] HALSALL, Fred (2005.): Computer Networking and the Internet. 5th Edition. Boston: Addison-Wesley.
[4] KRÜGER, Gerhard, RESCHKE, Dietrich (2004): Lehr- und Übungsbuch Telematik. Netze - Dienste - Protokolle. 3., aktualisierte Auflage. München: Fachbuchverlag Leipzig im Carl-Hanser-Verlag.
[5] SIEGMUND, Gerd (2014): Technik der Netze. 7., neu bearbeitete und erweiterte Auflage. Berlin: VDE Verlag.
[6] STALLINGS, William (2014). Data and Computer Communications. 10. edition. Boston, Mass.: Pearson.
[7] TANENBAUM, Andrew .S. (2003): Computernetzwerke. 4. überarbeitete Auflage. München; San Francisco; Harlow (England) : Pearson Studium / Prentice Hall.
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