29. Vorlesung Dr.-Ing. Wolfgang Heenes - Ra.informatik.tu ...

Grundlagen der Informatik III 

Wintersemester 2010/2011 – 29. Vorlesung 

Dr.-Ing. Wolfgang Heenes 

int main() { 

printf("Hello, world!"); 

return 0; 

} 

msg: 

main: 

.data 

.asciiz "Hello, world!" 

.text 

.globl main 

la $a0,msg 

li $v0,4 

syscall 

jr $ra 

15. Februar 2011 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 1

Inhalt 

1. Literatur 

2. Kommunikationsnetze 

3. Netz-Topologien 

4. Übertragungsmedien 

5. Kommunikationsformen 

6. Kommunikationsprotokolle 

7. Zusammenfassung und Ausblick 


Literatur 

[KR04] 

Krüger, Gerhard und Dietrich Reschke: Telematik. 

Fachbuchverlag Leipzig, 2004. 

[Tan03] Tanenbaum, Andrew S.: Computernetzwerke. 

Pearson, 2003. 


Kommunikationsnetze 

◮ Letzte Woche ⇒ Verbindungsnetzwerke (für parallele Systeme/Algorithmen) 

◮ Verschiedenste Begriffe z. B. 

◮ Kommunikationsnetze 

◮ Rechnernetze 

◮ Computernetzwerke (vgl. [Tan03]) 

◮ Telematik (vgl. [KR04]) 

◮ Überblick Computernetzwerke 

◮ wesentliche Aufgaben, Protokolle, Netzstrukturen 


Kommunikationsnetze 

◮ Klassifikation von Netzen [Tan03, S. 31] 

◮ Meist eine Klassifikation anhand der physischen Ausdehnung der Netze: LAN, 

MAN, WAN 


Klassifikation von Netzen 

◮ Local Area Networks (LAN) 

◮ private Netze innerhalb eines Gebäudes oder Geländes [Tan03, S. 31] 

◮ Durchmesser einige 100 m, begrenzte Teilnehmerzahl 

◮ Relativ hohe Datenrate: u. a. 16 Mbit/s, 1-10 Gbit/s 

◮ Übertragung unterschiedlicher Informationsarten (Text, Bild, Sprache, ...) 

◮ Verwendung verschiedener Medien zur Datenübertragung (Kupfer, Koax, 

Glasfaser, Äther) 

◮ Broadcast-Topologie: Bus, Ring 

◮ TUD: 

◮ 7600 Netzwerkanschlüsse 

◮ 584 Antennen 

◮ Insgesamt: 26964 Rechner 

◮ Zum Internet: 5 Gbit/s 



◮ Metropolitan Area Networks (MAN) [Tan03, S. 34] 

◮ Durchmesser: wenige Kilometer, Stadt(gebiet) 

◮ Beispiel: MAN basierend auf Kabel-TV 



◮ Wide Area Networks (WAN) [Tan03, S. 34] 

◮ Ausdehnung über große geografische Gebiete (Land, Kontinent) 

◮ Hosts sind über Kommunikations-Subnetze verbunden 

◮ Ein Kommunikations-Subnetz: typischerweise verwaltet durch 

Telefongesellschaft oder durch Internet-Provider 

◮ Subnetz besteht aus Übertragungsleitungen und Vermittlungselementen 

(Router) 



◮ Wide Area Networks (WAN) [Tan03, S. 34] 

◮ Kommunikation ist auch zwischen nicht direkt verbundenen Routern möglich: 

Pfad über andere Router 

◮ Übertragene Daten werden i. d. R. in Pakete aufgeteilt 

◮ Router können Pakete speichern und weiterleiten: 

◮ store-and-Forward 

◮ wichtige Aufgabe: Routing-Verfahren für Pakete 



◮ Internet: Netz von Netzen 

◮ Gateways: Maschinen, die zwischen verschiedenen Hardware-Komponenten, 

Protokollen und Software vermitteln 

◮ Gebräuchliche Form: LANs verbunden durch WAN 


Netz-Topologien 

◮ Netz-Topologie: Struktur von Rechnernetzen 

◮ Klassifikation danach, welche „Beziehungen“, die Rechner aufgrund der 

Verbindungsleitungen zueinander haben 

◮ Bus-Topologie ⇒ alle Rechner an einem Übertragungsmedium 

angeschlossen 

◮ Broadcastmedium: jede Station hört ständig das Medium ab 

◮ Beispiel: Ethernet 



◮ Ring 

◮ In der Regel sendet jede Station nur in eine Richtung und empfängt aus der 

anderen 

◮ jede Station muss ein empfangenes Paket weiter senden, der Ring besteht 

aus Punkt-zu-Punkt-Verbindungen 

◮ Beispiel: FDDI (Fiber Distributed Data Interface), Token Ring 



◮ Stern 

◮ Jede Station wird mit einer (zentralen) Station verbunden 

◮ Beispiel z. B. Telefonnetz der Telekom 

◮ Zentrale Station muss zuverlässig sein 

◮ Vorteil: Fehlverhalten einer einzelnen nicht zentralen Station wird schnell 

erkannt 



◮ Backbone Netze 

◮ Netze, die alleine dazu dienen, andere Netze zu verbinden. 

◮ Unterschiedliche Topologien: z. B. Bus, Ring, Stern 

◮ sinnvollerweise mit Technologien realisiert, die eine hohe „Bandbreite“ haben 

z. B. mit Lichtwellenleitern (FDDI-Backbone) 

◮ man-da GmbH, Backbone von Darmstadt ⇒ http://www.man-da.de 


Übertragungsmedien 

◮ Magnetische Medien [Tan03, S. 110] 

◮ Beispiel: Magnetband mit 200 GB 

◮ Ein Karton mit 60 x 60 x 60 cm kann 1000 Bänder aufnehmen ⇒ 200 TB 

◮ Die Kiste kann innerhalb Deutschlands in 24 Stunden zugestellt werden 

◮ 1600 Tbit/86400 s ergibt 19 Gbit/s 

◮ Obwohl die Eigenschaften hervorragend sind ⇒ Kabel und Funk sind 

wichtiger 



◮ Der Austausch der Daten zwischen Rechnern erfolgt über Kabel oder Funk ⇒ 

Verzögerungszeiten 

◮ Verbindungen sind realisiert als physikalischer Kanal 

◮ Sender verändert dessen physikalischen Zustand 

◮ Empfänger misst den Zustand und schließt aus den Änderungen auf die 

übertragene Information 

◮ Hierzu verwendet: elektrische und optische Signale 

◮ Wichtigstes Merkmal eines physikalischen Kanals 

◮ Geschwindigkeit, mit der Daten übertragen werden können 

◮ i. d. R. in Bits pro Sekunde (Bit/s) oder Bytes pro Sekunde (Byte/s) 



◮ Twisted Pair ⇒ verdrilltes Kupferkabel (z. B. Telefondraht) 

◮ preiswerteste Technologie, für niedrige Frequenzen ⇒ niedrige 

Übertragungsgeschwindigkeit 

◮ sehr störungsempfindlich, da elektromagnetische Einstrahlungen (Motoren, 

Spulen, Höhenstrahlung) fast ungedämpft die Signale beeinflussen können. 

◮ einfach zu verlegen, weit verbreitet 

◮ hohe Übertragungsraten ( > 100 MBit/sec) bei kurzen Entfernungen (ca. 

100 m), z. B. Gebäude 

◮ STP=shielded twisted pair; UTP=unshielded twisted pair 

◮ Eingeteilt in Kategorien 1-7 ⇒ z. B. bei 5 Betriebsfrequenzen bis 100 MHz 



◮ Koaxialkabel (coaxial cable) [Tan03, S. 112] 

◮ höhere Frequenzen möglich, teurer als TP 

◮ Technisch bestehen sie aus einem zentralen Leiter, der von einem peripheren 

Leiter ummantelt wird (Innen-, Außenleiter) 

◮ strahlen auch bei hohen Frequenzen nahezu keine eigene Energie ab, so 

dass die Dämpfung entsprechend gering bleibt 

◮ genormte Varianten, z. B. Ethernet das „Yellow Cable“ 

Isolation (Dielektrikum) Schutzmantel 

Innenleiter (Seele) Außenleiter 



◮ Lichtwellenleiter (LWL; fibre optics) ⇒ Glasfaser 

◮ für höchste Frequenzen geeignet, teuer 

◮ moderne Monomodefasern können Licht über fast 100 Kilometer ohne 

Zwischenverstärkung übertragen 

◮ in Lichtwellenleiter (LWL) wird 

◮ ein (monochromatischer) Laserlichtstrahl mittels totaler Reflektion im Inneren des 

LWL entlang geführt und kann an dessen Ende wieder empfangen werden. 

◮ das geht auch mit multichromatischem Licht ⇒ Wellenlängen-Multiplex 



◮ Funktechnik ⇒ benutzt eine elektromagnetische Welle als Träger und 

moduliert dieser das zu übertragende Signal auf. 

◮ Mobilkommunikation: GSM/GPRS, UMTS 

◮ 802.11-WLAN für einige Kilometer 

◮ Richtfunk 

◮ eingesetzt in Weitverkehrnetzen 

◮ eingesetzt in dünn besiedelten Gebieten 

◮ da zwischen Sender und Empfänger Sichtverbindung herrschen muss, sind die 

Einsatzmöglichkeiten beschränkt 

◮ Satelliten 

◮ interkontinentale Kommunikationsverbindungen 

◮ sehr großen Entfernungen zwischen Sender/Empfänger⇒spürbare 

Übertragungszeitverzögerungen 



◮ Klassifikation von Funktechnologien 



◮ Klassifikation von Funktechnologien nach Reichweite 


Kommunikationsformen 

◮ Vermittlungstechniken 

◮ Wie werden die Daten an einem Netzknoten weitergeleitet? 

◮ Zwei Techniken bekannt: Leitungs- und Paketvermittlung 

◮ Leitungsvermittlung (circuit switched network) 

◮ Vom Sender zum Empfänger wird eine durchgängige, physikalische Leitung 

etabliert. 

◮ Eine Kommunikation findet in folgenden Phasen statt: 

◮ Verbindungsaufbau 

◮ Datenaustausch 

◮ Verbindungsabbau 

◮ Nach dem Verbindungsaufbau steht die Bandbreite dem Sender vollständig 

zur Verfügung (reservierte Bandbreite). 

◮ Beispiele: Telefonverbindungen (früher), Kopplungen in Rechnersystemen 



◮ Paketvermittlung (packet switched network) 

◮ Nachrichten werden in kleine Einheiten, sogenannte Pakete (packets) zerlegt. 

◮ Vom Sender existiert lediglich eine durchgängige Leitung zur nächsten 

„Relais-Station“ 

◮ Relais-Stationen nehmen Pakete entgegen und leiten sie in Richtung des 

Ziels weiter. 

◮ Relais-Stationen müssen die Wege zu den einzelnen Zielen kennen 

(Wegewahl). 

◮ Die Bandbreite zwischen Relais kann besser genutzt und verplant werden. 

◮ Beispiele: Internet 



◮ Verbindungsorientiert vs. verbindungslos 

◮ Verbindungsorientierte Kommunikation (connection oriented) 

◮ Jede Kommunikation erfordert zunächst den Aufbau einer Verbindung zum 

Kommunikationspartner (Signalisierung). 

◮ Verbindungsorientierte Kommunikation kann auf Leitungsvermittlungs- und 

Paketvermittlungssystemen realisiert werden. 

◮ Die Adresse des Empfängers wird nur beim Verbindungsaufbau angegeben. 

◮ Ausfälle von Netzkomponenten führen zum (bemerkbaren) 

Verbindungsabbruch. 



◮ Verbindungsorientiert vs. verbindungslos 

◮ Verbindungslose Kommunikation (connectionless) 

◮ Der Datenaustausch kann jederzeit ohne speziellen Verbindungsaufbau 

beginnen. 

◮ Verbindungslose Kommunikation kann auf Leitungsvermittlungs- und 

Paketvermittlungssystemen realisiert werden. 

◮ Jede versendete Nachricht muss vollständige Adressinformationen besitzen. 

◮ Ausfälle und Störungen können zu unbemerkten Verlusten von Nachrichten 

führen. 


Kommunikationsprotokolle 

◮ Aufgabe: standardisierte Schritte zum Austausch von Daten 

◮ Komplexe Aufgaben z. B. 

◮ Finden eines Weges zum Ziel-Rechner 

◮ Prüfen, ob Empfänger alle Daten in der richtigen Reihenfolge erhalten hat, 

Fehlererkennung und -behebung 

◮ Transformation der Daten, so dass sie über physisches Medium übertragen 

werden können 

◮ Konsequenz: Aufgabe wird in Teilaufgaben zerlegt 

◮ Schichtenstruktur: jede Schicht bietet Dienste 

◮ oberste (abstrakteste) Schicht: Anwendung 

◮ unterste Schicht: physikalische Ebene der Bitübertragung 

◮ Standardisierte Schichten und Protokolle: ISO/OSI-Modell 1 

1 Open Systems Interconnection 



ISO/OSI-Referenzmodell 

◮ Die 7 Schichten des OSI-Modells 




◮ Schichtenbildung und Protokolle 

◮ Schicht i von Rechner A kommuniziert (virtuell) über Schicht-i Protokoll mit 

der Schicht i des Rechners B 

◮ Schicht i fügt den Daten einen Schicht-i-Header hinzu: Kontrollinformation der 

Schicht i (z. B. Adressierungsinfos) 

◮ Vorteile der Schichtenbildung 

◮ eingesetzte Netzwerktechnik ist transparent für Anwender, d. h. 

◮ Details über Blocklängen, Fehlerbehebung 

◮ Details der Kodierung von Information etc. sind transparent 

◮ Ergebnis: unterschiedliche Prozesse können auf vielfältigen Plattformen 

standardisiert zusammenarbeiten 



Protokollschichten im Überblick 

◮ Schicht 1 Bitübertragung (physical layer): 

◮ physikalischen Verbindung zwischen zwei direkt verbundenen 

Kommunikationspunkten 

◮ Übertragung unstrukturierter Ströme von Bits 

◮ legt die Charakteristika der physischen Verbindung fest, z. B. Spannungspegel, 

Dauer eines Impulses für 1 Bit 

◮ Schicht 2 Sicherungsschicht (data link layer): 

◮ Austausch von Daten zwischen direkt verbundenen Knoten 

◮ bündelt Bitströme zu Einheiten, genannt Frames 

◮ strukturiert Bitstrom und fügt Kontrollinformationen hinzu 

◮ Prüfsummen zur Erkennung von Übertragungsfehlern 

◮ Aufgabe: Regelung des Medien-Zugangs ⇒ Medium-Access Control (MAC) z. B. 

CSMA/CD Verfahren 




◮ Schicht 3 Netzwerkschicht (network layer): 

◮ verknüpft und kontrolliert Teilnetze 

◮ Ende-zu-Ende Kommunikation zwischen Kommunikationspartnern, die nicht 

direkt benachbart sein müssen 

◮ Weiterleiten der Daten-Pakete über verschiedene Knoten 

◮ Vermittlung von Leitungen bei circuit switched Netzen 

◮ Routingaufgabe (Wegewahl) ⇒ Anlegen von Routing-Tabellen (u. a. Pfad von A 

nach B) 

◮ Routingalgorithmen: statisch, dynamisch 

◮ Erkennen, Auflösen von Stausituationen (congestion control) 

◮ Schicht 4 Transportschicht (transport layer): 

◮ Ende-zu-Ende Kommunikation i. d. R. zwischen Prozessen 

◮ in der Regel zuverlässiges, verbindungsorientiertes Protokoll 

◮ korrekte Reihenfolge: Vergabe von Sequenznummern 

◮ erneutes Versenden bei Paketverlusten, nach Timeout 

◮ Bestätigen empfangener Pakete (Acknowlegment) 

◮ TCP, UDP 




◮ Schicht 5 Sitzungsschicht (session layer): 

◮ Unterstützung von Sitzungen über längere Zeiträume hinweg 

◮ Synchronisation der Datenübertragung über mehrere Verbindungen 

◮ Zustandsinformation ist notwendig, z. B. Sicherungspunkte zur Weiterführung 

eines unterbrochenen Transfers 

◮ Schicht 6 Darstellungsschicht (presentation layer): 

◮ Aushandeln gemeinsamer Datenformate, Syntax, Semantik 

◮ Absprache der Informationsdarstellung: Byte-Ordering, Zahldarstellung (u. a. 

Komplement, Gleitkommadarstellung) 

◮ Schicht 7 Anwendungsschicht (application layer): 

◮ Vielzahl von Protokollen, die von Anwendungen genutzt werden können 

◮ Beispiele: http (www), smtp (e-mail), ftp (Datei-Transfer) 


Weiterführende Veranstaltung und Forschung 

am Fachbereich Informatik/Elektrotechnik 

◮ Kanonik: Einführung in Net Centric Systems 

◮ Communication Networks I (KN I), Communication Networks II (KN II) ⇒ Prof. 

Steinmetz 

◮ Communication Networks III (KN III), Communication Networks IV (KN IV) ⇒ 

Prof. Steinmetz, Prof. Hollick 

◮ ... 

◮ Forschung: 

◮ Peer-to-Peer Netzwerke 

◮ Telekooperation 

◮ Multimedia Kommunikation 

◮ ... 


Zusammenfassung und Ausblick 

◮ Kommunikationsnetze 

Nächste Vorlesung behandelt 

◮ Parallele Programmierung, MPI, Ausblick

29. Vorlesung Dr.-Ing. Wolfgang Heenes - Ra.informatik.tu ...

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