Computernetze 1 (CN1)

Steffen/Stettler, 14.09.2013, 1-Grundlagen.ppt 1

Computernetze 1 (CN1)

Prof. Dr. Andreas SteffenInstitute for Internet Technologies and Applications

1 GrundlagenNetzwerke und

Protokolle


Lesestoff im Ethernet Buch

• Kapitel 1 Eine Einführung in Netzwerke, 1-291.1 Erforderliche Netzwerkelemente1.2 Die Netzwerktopologien1.3 Einteilung der Netzwerke1.4 Die Netzwerktechnologien1.6 Netzwerkarchitekturen



1.1 Netzwerk-Topologien


Network Symbols*

*as used by Cisco Systems Inc.


Local Area Network (LAN)

• A network serving a home, building or campus is called aLocal Area Network (LAN)

• Modern switch-based LANs usually have a star topology whereas older hub-based LANs were organized in a bus structure.


Wide Area Network (WAN)

• LANs separated by geographic distance are connectedby a network known as a Wide Area Network (WAN)

• WANs usually have a point-to-point or ring topology• The logical topology can be different from the physical

one!

failure


Internet

• The Internet is defined as a globalmesh of interconnected networks



1.2 Segmentierungund Multiplexierung


Shared Network Communication

• Data is sent across a network insmall “chunks” called segments

• Segmentation • Messages or data streams

are split up into segments

• Multiplexing• Multiple users share the same

communication channel


Example of Multiplexing and Segmentation

?IntermediaryDevice


• Intermediary Devices provide connectivity and ensurethe data flow across the network

• Examples• Network Access Devices (hubs, switches, wireless access

points)• Internetworking Devices (routers)• Communication Servers and Modems• Security Devices (firewalls)

Role of Intermediary Devices I


Role of Intermediary Devices II

• Intermediary network devices perform the following functions:• Regenerate and retransmit the data signal• Maintain information about the pathways existing

throughthe network and internetwork

• Notify other devices of errors and communication failures• Direct data along alternate pathways in the event of a

link failure• Classify and direct messages according to Quality-of

Service priorities• Permit or deny the flow of data based on security

settings



1.3 Netzwerk-Protokolle


What is a Protocol?

• A protocol is a set of predetermined rules


Function of a Network Protocol

• Network protocols are used to allow hosts or devices to communicate successfully

• Protocols provide:• The format or structure of the message• The process by which networking devices share

information about pathways to other networks• How and when error and system messages are passed

between devices• The setting up and termination of communication

sessions


Protocol Suites and Industry Standards

• A standard is a process or protocol that has been endorsed bythe networking industry and ratified by a standards organization.

• A protocol suite is a collection of protocols.

• Standards Organizations: • IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers• IETF - Internet Engineering Task Force• ITU - International Telecommunications Union


Technology Independent Protocols

• Diverse types of devices can communicate using the same sets of protocols. This is because network protocols specify network functionality, but not the underlying technology required to support this functionality.



1.4 Das OSI Referenz Modell


Open System Interconnection Reference Model

Application 7

Presentation

6

Session 5

Transport 4

Network 3

Data Link 2

Physical 1

Layer 5/6 Interface

Layer 4/5 Interface

Layer 3/4 Interface

Layer 2/3 Interface

Layer 1/2 Interface

Layer 6/7 InterfaceApplication7

Presentation

6

Session5

Transport4

Network3

Data Link2

Physical1

Layer 5/6 Interface

Layer 4/5 Interface

Layer 3/4 Interface

Layer 2/3 Interface

Layer 1/2 Interface

Layer 6/7 InterfaceLayer 7 Protocol

Layer 6 Protocol

Layer 5 Protocol

Layer 4 Protocol

Layer 3 Protocol

Layer 2 Protocol

Layer 1 Protocol

Sender Receiver

Layer 2 Protocol

Intermediary Device

Layer 1 Protocol1

2 2

1

Routing

Communication Link


OSI Reference Model - Application Layer

Application7

Presentation

6

Session5

Transport4

Network3

Data Link2

Physical1

Communication Link

• Die Anwendungschicht verschafft den Anwendungen Zugriff auf das Netzwerk (zum Beispiel für Datenübertragung, E-Mail, Virtual Terminal, Remote Login, etc.).Der eigentliche Anwendungsprozess liegt oberhalb der Schicht und wird nicht vom OSI-Modell erfasst.

• Beispiele: DNS, FTP, HTTP, LDAP, NFS, NTP, SIP, SMTP, Telnet

Quelle: Wikipedia


OSI Reference Model - Presentation Layer

Application7

Presentation

6

Session5

Transport4

Network3

Data Link2

Physical1

Communication Link

• Die Darstellungsschicht setzt die systemabhängige Darstellung der Daten(z.B. binäre Integer) in eine unabhängige Form um und ermöglicht somit den syntaktisch korrekten Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Systemen.Auch Aufgaben wie Datenkompression und Verschlüsselung gehören zur Schicht 6.Falls erforderlich, agiert die Darstellungs-schicht als Übersetzer zwischen verschiedenenDatenformaten, indem sie eine normierte Syntax wie z.B. ASN.1 oder XML verwendet.

• Beispiele: MIME, SSL, TLSQuelle: Wikipedia


OSI Reference Model - Session Layer

Application7

Presentation

6

Session5

Transport4

Network3

Data Link2

Physical1

Communication Link

• Die Kommunikationssteuerungsschicht oder Sitzungsschicht sorgt für die Prozess-kommunikation zwischen zwei Systemen.Um Zusammenbrüche der Sitzung und ähnliche Probleme zu beheben, stellt die Sitzungsschicht Dienste für einen organisierten und synchronisierten Datenaustausch zur Verfügung.

• Beispiele: Named Pipes, Sockets, RTP, Session establishment in TCP

Quelle: Wikipedia


OSI Reference Model - Transport Layer

Application7

Presentation

6

Session5

Transport4

Network3

Data Link2

Physical1

Communication Link

• Zu den Aufgaben der Transportschicht zählen die Segmentierung von Daten-paketen, die Stauvermeidung (Congestion Avoidance), sowie optionale Fehlersicherungund Fehlerkorrektur. Die Transportschicht ist die unterste Schicht, die eine vollständige End-to-End Kommunikation zwischen Sender und Empfänger zur Verfügung stellt.

• Beispiele: TCP, UDP, SCTP, SPX, DDP

Quelle: Wikipedia


OSI Reference Model - Network Layer

Application7

Presentation

6

Session5

Transport4

Network3

Data Link2

Physical1

Communication Link

• Die Vermittlungsschicht oder Netzwerk-schicht sorgt bei leitungsorientierten (connection-oriented) Diensten für das Schalten von Verbindungen und bei paketorientierten (connectionless) Diensten für die Weitervermittlung von Datenpaketen.Die Datenübertragung geht in beiden Fällen jeweils über das gesamte Kommunikations-netz hinweg und schließt die Wegesuche (Routing) zwischen den Netzknoten mit ein.

• Beispiele: IP, IPsec, ICMP, IGMP, OSPF, IPX, ATP

Quelle: Wikipedia


Layer 3 Example: The Internet Protocol (IP)


OSI Reference Model - Data Link Layer

Application7

Presentation

6

Session5

Transport4

Network3

Data Link2

Physical1

Communication Link

• Aufgabe der Sicherungsschicht ist es, eine zuverlässige, das heißt weitgehend fehlerfreie Übertragung zu gewährleisten und den Zugriff auf das Übertragungs-medium zu regeln. Dazu dient das Aufteilen des Bitdatenstromes in Blöcke (Frames) und das Hinzufügen von Sequenznummern und Prüfsummen. Fehlerhafte, verfälschte oder verlorengegangene Blöcke können vom Empfänger durch Quittungs- und Wieder-holungsmechanismen erneut angefordert werden.

• Beispiele: 802.3 Ethernet, 802.11 WLAN, ATM, Frame Relay, HDLC, PPP

Quelle: Wikipedia


Layer 2 Examples: Different Data Link Media


OSI Reference Model - Physical Layer

Application7

Presentation

6

Session5

Transport4

Network3

Data Link2

Physical1

Communication Link

• Die Bitübertragungsschicht stellt mechanische, elektrische und weitere funktionale Hilfsmittel zur Verfügung, um physikalische Verbindungen zu aktivieren bzw. zu deaktivieren, sie aufrechtzuerhalten und Bits darüber zu übertragen. Das können zum Beispiel elektrische Signale, optische Signale (Lichtwellenleiter, Laser), elektro-magnetische Wellen (drahtlose Netze) oder Schall sein.

• Beispiele: 802.3 Ethernet, 802.11 WLAN, RS-232, V.34, POTS, DSL, SDH

Quelle: Wikipedia


Layer 1 Examples: Cables & Connectors

• Copper

• Fibre


Representations of Signals on Physical Media


Transmission Rate Units

Unit of Bandwidth Abbreviation Equivalence

Bits per second bps 1 bps = fundamental unit of bandwidth

Kilobits per second kbps 1 kbps = 1‘000 bps

Megabits per second Mpbs 1 Mbps = 1‘000‘000 bps

Gigabits per second Gbps 1 Gbps = 1‘000‘000‘000 bps

Terabits per second Tbps 1 Tbps = 1‘000‘000‘000‘000 bps

• Note: transmission rates are decimal (1 kbps = 1000 bps ) whereas storage capacity is binary (1 kbit = 1024 bits)


Protocol Data Unit (PDU) / Service Data Unit (SDU)

Application 7

Presentation

6

Session 5

Transport 4

Network 3

Data Link 2

Physical 1

Layer 5/6 Interface

Layer 4/5 Interface

Layer 3/4 Interface

Layer 2/3 Interface

Layer 1/2 Interface


Presentation

6

Session5

Transport4

Network3

Data Link2

Physical1

Layer 5/6 Interface

Layer 4/5 Interface

Layer 3/4 Interface

Layer 2/3 Interface

Layer 1/2 Interface

Layer 6/7 Interface

Sender Receiver

L6 SDU

L5 SDU

L4 SDU

L3 SDU

L2 SDU

L1 SDU

L7 PDU

L7 SDUL7P

L6PL6 PDU

L5PL5 PDU

L4PL4 PDU

L3PL3 PDU

L2PL2 PDU

L1PL1 PDU

LnP: Layer n Protocol Control Information (PCI) consisting of Header and optional Footer or Trailer

Ln_PDU = Ln_PCI + Ln_SDU = Ln_PCI + L(n+1)_PDU


Example: Digital Voice Transmission over Ethernet

Application 7

Presentation

6

Session 5

Transport 4

Network 3

Data Link 2

Physical 1

Layer 5/6 Interface

Layer 4/5 Interface

Layer 3/4 Interface

Layer 2/3 Interface

Layer 1/2 Interface


Presentation

6

Session5

Transport4

Network3

Data Link2

Physical1

Layer 5/6 Interface

Layer 4/5 Interface

Layer 3/4 Interface

Layer 2/3 Interface

Layer 1/2 Interface

Layer 6/7 Interface

Sender Receiver

Codec Data

Voice Samples

RTP

UDP

IP

Communication Link

RTP Codec Data

RTP Codec DataUDP

IP RTP Codec DataUDP

Codec Data

VoiceCompression

MAC MAC

1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1

Preamble

0 0 1 0


Addressing and Naming Schemes

• Each layer has its own and unique addressing and naming scheme



1.5 Das TCP/IP Modell


TCP/IP Protocol Suite


TCP/IP Protocol Stack of a Webserver


TCP/IP Reference Model

• Developed by the Advanced Research Projects Agency (ARPA)of the U.S. Department of Defence (DoD)


Comparing the OSI and TCP/IP Models

• TCP/IP combines the upper three layers of the OSI model into a single Application Layer.

• Part of the OSI Session Layer (e.g. session management) has been integrated into the [TCP] Transport Layer.

• TCP/IP combines the lower two layers of the OSI model into a single Network Access Layer

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