Grundlagen Computernetze

Einführung

Der Zusammenschluß von diversen Computern und Peripheriegeräten zu Netzen gewinnt immer stärkere Bedeutung. Netze (Netzwerke) sind Verbindungssysteme, an die mehrere Teilnehmer zum Zweck der Datenkommunikation angeschlossen sind.
Lokale Netze (LAN, Local Area Network) sind Netze in einem örtlich begrenzten Bereich (Raum, Gebäude, Gelände), der sich im Besitz einer einzigen Organisation (z. B. Firma) befindet. Die Verbindung mehrerer LAN-Segmente erfolgt über Koppelelemente (Hubs, Switches, Bridges, Router, etc.).
Weitverkehrsnetze (WAN, Wide Area Network) sind Netze, die über weitere Entfernungen reichen (Stadt, Land, Welt). Die einzelnen Netze können über Router oder Gateways miteinander gekoppelt werden und dabei auch öffentliche Kommunikationsnetze nutzen.
Jegliche Kommunikation zwischen zwei Partnern ist an bestimmte Voraussetzungen gebunden. Zum einen muß die Hardware der Partner und der Datenübertragungseinrichtungen über kompatible Schnittstellen verfügen und zum anderen müssen Vereinbarungen über die Art und Weise des Informationsaustausch getroffen werden (Protokolle). Zur Festlegung von Schnittstellen und Protokollen gibt es zahlreiche Standards (nationale und internationale Normen, Firmenstandards).

Wie definiert die ISO (International Standardisation Organisation) ein LAN? "Ein lokales Netz (LAN) ist ein Netz für bitserielle Übertragung von Informationen zwischen untereinander verbundenenen unabhängigen Geräten. Das Netz unterliegt vollständig der Zuständigkeit des Anwenders und ist auf ein Grundstück begrenzt." Es werden also nicht nur Computer miteinander vernetzt, sondern auch andere Geräte wie Drucker, Monitore, Massenspeicher, Kontrollgeräte, Steuerungen, Fernkopierer und anderes. Der Unterschied eines LAN zu anderen Netzen wird von der ISO durch folgende Eigenschaften festgelegt: begrenzte Ausdehnung, hohe Datenübertragungsrate, geringe Fehlerrate, dezentrale Steuerung, wahlfreier Zugriff und die Übertragung von Datenblöcken.

Kern der Datenkommunikation ist der Transport der Daten, also die Datenübertragung von einem Sender mittels eines Übertragungskanals zu einem Empfänger. Die zu übertragenden Daten werden im Rhythmus eines Sendetaktes auf das Übertragungsmedium gegeben. Damit die Information korrekt wiedergewonnen werden kann, muß am Empfangsort eine Abtastung der Signale zum richtigen Zeitpunkt erfolgen. Normalerweise verwendet man dazu eine Codierung, die eine Rückgewinnung des Taktes aus dem Signal erlaubt. Auf diese Weise kann sich der Empfänger jederzeit auf den Takt des Senders synchronisieren.

ISO-Referenzmodell für die Datenkommunikation

Eine wesentliche Forderung in der Datenfernverarbeitung ist das Zusammenschalten unterschiedlicher Stationen (verschiedener Hersteller). Dazu ist eine Schematisierung und Gliederung des Kommunikationsprozesses in wohldefinierte, hierarchische Ebenen (Schichten, Layers) notwendig. Es erfolgt eine Zuordnung der einzelnen Kommunikationsfunktionen zu bestimmten logischen Schichten. Wird in einer Schicht eine Anpassung (Änderung, Erweiterung) vorgenommen, bleiben die anderen Ebenen davon unberührt.

ISO (International Standards Organisation) hat für offene Netze ein 7-Schicht-Modell, das OSI-Modell (OSI = Open Systems Interconnection), geschaffen. Dieses Modell liegt nahezu allen Kommunikationsgeräten und -Verfahren zugrunde (zur Not werden vorhandene Protokolle in das Schema von ISO/OSI gepreßt). Im OSI-Modell werden die grundsätzlichen Funktionen der einzelnen Ebenen und die Schnittstellen zwischen den Ebenen festgelegt. So ergibt sich eine universell anwendbare logische Struktur für alle Anforderungen der Datenkommunikation verschiedener Systeme.

Das OSI-Model liefert

Eine Basis für die Interpretation existierender Systeme und Protokolle in der Schichten-Perspektive (wichtig bei Änderungen).
Eine Referenz für die Entwicklung neuer Kommunikationsverfahren und für die Definition neuer Protokolle, also eine Grundlage für kompatible Protokolle.

Wesensmerkmale der hierarchischen Schichtenstruktur bei Rechnernetzen sind:

Das Gesamtsystem wird in eine geordnete Menge von Teilsystemen gegliedert.
Teilsysteme des gleichen Ranges bilden eine Schicht (engl. Layer).
Die einzelnen Schichten liegen entsprechend ihrer hierarchischen Rangordnung übereinander.
Eine hierarchisch tieferliegende Schicht dient der Erfüllung der Kommunikationsfunktion der jeweils übergeordneten Schicht.
Jede Schicht stellt definierte Dienste bereit. Diese Dienste realisieren bestimmte Kommunikations- und Steuerungsaufgaben.

Die einzelnen Schichten stellen somit definierte Schnittstellen zu ihren Nachbarn bereit (Schicht 4 hat z. B. Schnittstellen zu den Schichten 3 und 5). Die Kommunikation findet nur über diese Schnittstellen statt (in der Grafik senkrecht).
Die rein logische Kommunikation zwischen den beteiligten Stationen A und B erfolgt jedoch auf der Basis gleicher Schichten (in der Grafik waagrecht, mit '.' gekennzeichnet). Lediglich bei Schicht 1 handelt es sich um eine physikalische Verbindung.

Aufgabe der einzelnen Schichten:

Die Schichten 1 - 4 werden der Transportfunktion zugeordnet
Die Schichten 5 - 7 werden den Anwenderfunktionen zugeordnet

Zunächst eine kurze Beschreibung der einzelnen Schichten. Dabei ist auch der zur Schicht gehörende Datenblock gezeigt. Jede Schicht kann (muß aber nicht) die Daten mit einem eigenen Header (bzw. Datenrahmen) versehen, der zur Kommunikationssteuerung auf dieser Schicht dient. Der Datenblock einer Schicht (mit Rahmen) wird von der Schicht als reine Nutzdaten betrachtet, sie kann so auch an dem Header der übergeorneten Schicht nichts ändern.

7. Anwendungs-Schicht (Application) Verbindung zum Anwenderprogramm und Dialog mit den Programmen. Eine Standardisierung ist hier noch in weiter Ferne. Es gibt aber eine Reihe von grundsätzlichen Diensten, die angeboten werden müssen:
- Austausch von Dateien, d. h. Dateizugriffsdienste über das Netz. Für das eigentliche Anwenderprogramm ist nicht erkennbar, ob auf eine Datei lokal oder über das Netz zugegriffen wird.
- Verwaltungsprotokolle für Benutzerzugang, Dateizugriffsrechte, elektronische Post, usw.
- Remote Job Entry, d. h. absetzen von Rechenaufträgen an entfernte Systeme
- Virtuelle Terminals, d. h. Umleitung der Ein-/Ausgabe eines Programms auf dem fernen Rechner an den lokalen Bildschirm und die lokale Tastatur.
- Message-Handling-Systeme: Austausch und Verwaltung von Mitteilungen an Benutzer anderer Systeme.
Die Schicht 7 besteht also trotz ihres Namens nicht aus den eigentlichen Anwenderprogrammen - diese setzen auf dieser Schicht auf. Das kann einerseits direkt geschehen, z. B. beim Zugriff auf Dateien eines anderen Rechners (Datei-Server) andererseits auch nur durch (lokale) Übergabe von Dateien an das Message-Handling-System.
6. Darstellungs-Schicht (Presentation) Hier werden für die Anwendung die Daten interpretiert. Überwachung des Informationsaustausches und Codierung/Decodierung (z. B. EBCDIC in ASCII) der Daten sowie Festlegung der Formate und Steuerzeichen. Diese Schicht bildet oft eine Einheit mit der Anwendungsschicht oder sie fehlt ganz, falls sie nicht benötigt wird. Hier können z. B. "virtuelle Terminals" eingebunden werden. Wie wir früher schon besprochen haben, besitzen Terminals ganz unterschiedliche Codes für die Tastatur und die Steuerung der Darstellung auf dem Bildschirm. In Schicht 6 können diese Codes in einen einheitlichen Code übersetzt werden.
5. Kommunikationssteuerung (Session) Diese Ebene steuert die Aufbau, Durchführung und Beendigung der Verbindung. Überwachung der Betriebsparameter, Datenfluß-Steuerung (bei Bedarf mit Zwischenspeicherung der Daten), Wiederaufbau der Verbindung im Fehlerfall und Synchronisation. Der Verbindungsaufbau ist ein bestätigter Dienst, d. h. beide Partner tauschen Parameterübergabe und Bestätigung im Wechselspiel aus. Danach befinden sich beide Partner in einem definierten Zustand.
Das trifft nicht für die nächste Phase, den Datentransfer zu. Es ist aus Zeitgründen z. B. nicht sinnvoll nach dem Senden eines Datenblocks auf die Bestätigung zu warten. Es wird gleich der nächste Block geschickt und die Bestätigungen laufen zeitversetzt ein (immerhin muß alles die Schichten 4 - 1 durchlaufen). Durch sogenannte "Synchronisation Points" wird die Datentransferphase in Abschnitte unterteilt. Bei einer Störung oder Unterbrechung kann der Transfer an einen definierten Punkt wieder aufgenommen werden.
Beide Partner können den Verbindungsaufbau beenden. Das kann ordnungsgemäß nach Beendigung aller Transfers geschehen (Ende mit Synchronisation) oder durch Unterbrechen der Verbindung (Ende ohne Synchronisation).
In diese Ebene fallen auch das Ein- und Ausgliedern von Stationen beim Token-Ring und die Adressierung eines bestimmten Partners.
4. Transport (Transport) Reine Transportfunktion. Diese Schicht stellt sicher, daß alle Datenpakete den richtigen Empfänger erreichen. Aufbau der Datenverbindung zwischen zwei Partnern, Datentransport, Flußkontrolle, Fehlererkennung und -korrektur. Diese Schicht verbirgt die Charakteristika des Netzes (LAN, WAN, ...) vor den darüberliegenden Schichten. Die Transportschicht kann z. B. auch bei einer Forderung nach höherem Datendurchsatz mehrere Verbindungen zum Parner aufbauen und die Daten in Teilströmen leiten (splitting/combining). Auch das Aufteilen der Daten in passende Blöcke und die Flußkontrolle obliegen dieser Schicht. Die Dienste der Transportschicht werden in fünf Klassen unterschieden:
- Klasse 0 ist die einfachste. Es findet gegenüber der Schicht 3 keine Fehlerkontrolle statt und einer Transportverbindung enspricht genau eine Netzverbindung.
- In der Klasse 1 kommt zwar keine Fehlerbehandlung hinzu, es wird jedoch versucht, von der Schicht 3 gemeldete Fehler zu beheben und nicht an die Schicht 5 weiterzuleiten. Z. B. kann bei Unterbrechung der Transportverbindung versucht werden, diese wieder aufzubauen, ohne daß dies oberhalb der Schicht 4 bemerkt wird.
- Klasse 2 kann mehrere Transportverbindungen aufbauen (Multiplexverbindung). In diesem Fall darf die Netzverbindung erst dann getrennt werden, wenn die letzte Transportverbindung abgebaut ist.
- Klasse 3 deckt die Leistungen der Klassen 1 und 2 ab, d. h. einfache Fehlerbehandlung und Multiplexen.
- Klasse 4 enthält neben den Funktionen der Klasse 3 zusätzliche Mechanismen zur Fehlererkennung und -behandlung. Speziell bei Datagramm-orientieren Netzen (LAN) kann so ein verbindungsorientierter Dienst bereitgestellt werden (Sicherstellen von Vollständigkeit, Eindeutigkeit und Reihenfolge der Datenblöcke).
3. Vermittlung-/Paket-Schicht (Network) Diese Ebene dient hauptsächlich der Datenpaket-Übertragung. Sie ist zusändig für die Wahl der Datenwege (routing), für das Multiplexen mehrerer Verbindungen über einzelne Teilstrecken, für Fehlerbehandlung und Flußkontrolle zwischen den Endpunkten einer Verbindung (nicht zwischen den Anwenderprozessen).
Die Flußkontrolle auf dieser Ebene schützt den Endpunkt einer virtuellen Verbindung für Überlastung. Die Fehlerbehandlung in dieser Schicht bezieht sich nicht auf Übertragungsfehler (dafür ist Schicht 2 ausreichend), sondern auf Fehler, die bei der virtuellen Verbindung auftreten: Erkennen und Beseitigen von Duplikaten, Beseitigen permanent kreisender Blöcke, wiederherstellen der richtigen Datenpaket-Reihenfolge, usw.
Bei WANs behandelt diese Schicht die Umsetzung eines Protokolls in ein anderes (internetworking). Man kann daher die Schicht 3 in drei Teilschichten unterteilen:
- 3a (Subnetwork Access): Abwickeln der Protokolle des jeweiligen Teilnetzes.
- 3b (Subnet Enhancement): Funktionen der Teilnetze so ergänzen, daß die Anforderungen von 3c erfüllt werden.
- 3c (Internetworking): Teilnetzunabhängige Protokolle abwickeln (Routing, globale Adressierung)
2. Sicherungs-Schicht (Data Link) Sicherstellen einer funktionierenden Verbindung zwischen zwei direkt benachbarten Stationen. Diese Schicht stellt einen definierten Rahmen für den Datentransport, die Fehlererkennung und die Synchronisierung der Daten zur Verfügung. Typische Protokolle: BSC, HDLC, usw. Die Information wird in Blöcke geeigneter Länge unterteilt, die als Datenrahmen (frames) bezeichnet werden und mit Prüfinfo für die Fehlererkennung und -korrektur versehen werden.
Auf dieser Ebene erfolgt auch die Flußkontrolle für die Binärdaten. Es muß nicht jeder einzelne Rahmen bestätigt werden, sondern es kann auch eine vorgegebene Maximalzahl von Frames gesendet werden, bevor die Bestätigung abgewartet werden muß. Über die Bestätigung der Gegenstation wird der Datenfluß gesteuert. Datenrahmen und Bestätigungen müssen also nur innerhalb eines Bereichs ("Fenster") liegen. Bei lokalen Netzen wird diese Schicht nochmals unterteilt:
- 2a (Media Access Control, MAC): Regelt den Zugriff auf das Übertragungsmedium
- 2b (Logical Link Control, LLC): Vom übertragungsmedium abhängige Funktionen der Schicht 2
1. Bitübertragung (Physical) Hier erfolgt die physikalische Übertragung der Daten. Diese Ebene legt die elektrischen, mechanischen, funktionalen und prozeduralen Parameter für die physikalische Verbindung zweier Einheiten fest (z. B. Pegel, Modulation, Kabel, Stecker, Übertragungsrate, etc.)

Veranschaulichung des Schichtenmodells mit einem Beispiel

Das Beispiel arbeitet nur mit drei Schichten. Die Ausgangssituation besteht in zwei Wissenschaftlern in Arabien und China, die ein Problem diskutieren wollen. Nun sprechen beide nur Ihre Landessprache und auch Dolmetscher, die Arabisch und Chinesisch können, sind nicht aufzutreiben. Beide suchen sich nun Dolmetscher, die Englisch können. Der Weg der Nachrichten:

Paketvermittlung vs. Leitungsvermittlung

Hier soll kurz erklärt werden, wie die zu übertragenden Informationen in den meisten Netzen von einem auf den anderen Rechner kommen. Die Daten werden paketweise übertragen. Man spricht daher von einem paketvermittelten Netz. Zur Veranschaulichung ein Gegenbeispiel und ein Beispiel:

Im Telefonnetz wird für jedes Gespräch eine Leitung zwischen zwei Gesprächspartnern benötigt. Diese Leitung bleibt auch belegt, wenn keine Information übertragen wird, also keiner spricht. Hier handelt es sich um ein leitungsvermitteltes Netz.
Im Briefverkehr wird dagegen ganz anders vorgegangen. Wenn Informationsübertragung ansteht, wird ein Brief geschrieben und dieser mit einer Adresse versehen. Sodann wird dieses Informationspaket dem Netz überlassen, indem man es in einen Briefkasten wirft. Das örtliche Postamt entscheidet dann aufgrund der Empfängeradresse, ob der Brief direkt an den Empfänger (wenn dieser also im Versorgungsbereich dieses Postamtes wohnt) auszuliefern ist, oder durch Einschalten von mehr oder weniger Zwischenstationen. In der Regel findet der Brief dann ein Postamt, das die Auslieferung des Briefes an den Empfänger aufgrund der Adresse vornehmen kann. Schwierigkeiten bei der Auslieferung können dem Absender aufgrund der Absendeadresse mitgeteilt werden.

Leistungsparameter

Die Qualität, die ein Kommunikationssystem anbieten kann, bezeichnet man als Dienstgüte (engl.: Quality of Service, QoS). Qualitätsparameter sind hier:

Bandbreite [bit/s]
Die physikalische obere Schranke des Durchsatzes, d.h. das Gesamtvolumen, das durch ein Netzwerk potentiell übertragen werden kann.
- Übertragenes Datenvolumen pro Zeiteinheit
- Maßeinheit: Bits pro Sekunde (bps)
- Unterscheidung in Bandbreite der Leitung und Ende-zu-Ende Bandbreite (zwischen zwei Anwendungen)
Bandbreite und Signallaufzeit
- Kurze Nachrichten: Signallaufzeit dominiert
- Lange Nachrichten: Bandbreite dominiert
Durchsatz [bit/s]
Anzahl übertragener Bits pro Sekunde über eine gewisse zeitliche Dauer. Hier werden alle Prozeßkommunikationen zusammengefaßt betrachtet → tatsächlich erreichte Bandbreite, also Datenmenge/Transferzeit.
Latenzzeit [s]
Dies ist die Zeit, die eine leere Nachricht, d. h. eine Nachricht ohne Nutzinformation, vom Sendeprozeß durch die Kommunikationsschichten und das Netzwerk bis zum Empfangsprozeß braucht. Die Transferzeit setzt sich zusammen aus:
Signallaufzeit + Übertragungsdauer + Zeit für Pufferung in Zwischenknoten

Signallaufzeit = Entfernung / Ausbreitungsgeschwindigkeit
Übertragungsdauer = Nachrichtenmenge / Bandbreite
Datentransferrate [bit/s]
Darunter versteht man die Anzahl der Bits, die maximal zwischen zwei Prozessen pro Sekunde übertragen werden kann.
Nachrichtentransferzeit [s]
Die Nachrichtentransferzeit errechnet sich aus (Latenzzeit + Nachrichtenlänge/Datentransferrate).
Round-Trip-Time (RTT)
Zeit, die benötigt wird, um eine Nachricht von A nach B und wieder zurück zu schicken.

Bei der Übertragung kontinuierlicher Medien sind noch weitere spezielle Qualitätsparameter relevant:

Verzögerung [s]
Das ist die Zeit, die zwischen dem Abschicken und der Ankunft einer Nachricht verstreicht.
Jitter [s]
Variiert die Verzögerung einer Übertragung, so nennt man die Varianz der Verzögerung das Jitter.

Ein Paket erfährt eine Verzögerung auf dem Weg von einem Ende zum anderen. Es gibt insgesamt vier Quellen für die Verzögerung bei jedem Knoten:

Verarbeitungsverzögerung [einige Mikrosekunden]:

Überprüfen von Bitfehlern
Bestimmen der Übertragungsverbindung
Weiterleiten zur Warteschlange im Router

Warteschlangenverzögerung [Mikrosekunden ... einige Millisekunden]:

Wartezeit bei der Ausgangverbindung auf die Übertragungsleitung
Abhängig von der "Verstopfung" beim Router, d. h. wieviele Pakete bereits in der Warteschlange stehen
Die W. von einem Paket zum nächsten kann stark variieren

Übertragungsverzögerung [einige Mikrosekunden]:

Auch als "Store-and-Forward-Verzögerung" bezeichnet
Übliches Verfahren: "first come - first served"
R = Verbindungsbandbreite [bit/s]
L = Paketlänge [bit]
Benötigte Zeit für die Übertragung auf die Verbindung = L/R

Ausbreitungsverzögerung [ms]:

d = Länge der physikalischen Verbindung zwischen zwei Knoten
s = Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium (2*10⁸ ... 3*10⁸ m/s)
Ausbreitungsverzögerung = d/s

Unterschied zwischen Übertragungs- und Ausbreitungsverzögerung

Die Übertragungsverzögerung ist die Zeit, die ein Router benötigt, um ein Paket abzuschicken. Sie hängt ab von Paketlänge und Übertragungsrate der Verbindungsleitung - hat aber nichts mit der Länge der Leitung zu tun. Die Ausbreitungsverzögerung ist die Zeit, die ein Bit von einem Router zum nächsten braucht.