Kapitel 3 Geschichtete...

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


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



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, …


* 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


http://standards.iso.org/ittf/PubliclyAvailableStandards/s020269_ISO_IEC_7498-1_1994(E).zip



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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

Kommunikationsnetze -- 3. Geschichtete Kommunikationssysteme (WS 2018/19)

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.




Kommunikation innerhalb und zwischen OSI - Systemen


(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




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


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.

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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




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


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


u.U. gestörteSignale




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


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

− …




OSI: Die 7 Schichten


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


Vermittlungs-schicht

Sicherungs-schicht



Einkapselungvon Daten


Anwendungs-schicht

Anwendungs-schicht

Darstellungs-schicht

Darstellungs-schicht


Transport-schicht


Sicherungs-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


Transport-schicht


Sicherungs-schicht




OSI: Implementierungsbeispiel Telefax Gr.4


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


Transport-schicht


Sicherungs-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


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

(N) - Verbindung

(N+1) - Assoziation

(N)-Instanz(N)-Instanz



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.)


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




Das Internet- bzw. TCP-IP-Referenzmodell


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


HTTP Entity

TCP/IP: Implementierungsbeispiel Webdienst


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



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


Tunnel

„egal“-Netzwerk

IP-Paket

IP-Paket

IPv4-Netzwerk

Beispiel IPv4-Tunnel für IPv6-Pakete


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



Beispiel Dateizugriff über VPN (Virtual Private Network)Anwendersicht


Heim-arbeitsplatz

Arbeitsplatzin der Firma

Firmennetzwerk

Application

Transport

Network

Network-to-Host

Client fürDateizugriff

TCPF

IPF

Network-to-Host


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


Application

Transport

Network

Network-to-Host

Network-to-Host

InternetHeim-arbeitsplatz



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


TCPF

IPF


◼ Tunneln von TCPF und IPF

◼ gemeinsame Nutzung der Infrastruktur mit „Fremden“



Beispiel Dateizugriff über VPN (Virtual Private Network) Gesamtansicht


Heim-arbeitsplatz

Internet

Firmennetzwerk

VPN-GatewayVPN-GatewayRouter

Router


Application

Transport

Network

Network-to-Host

Network-to-Host


TCPF

IPF


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


TCPF

IPF


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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