ISO-OSI-Referenzmodell Service Access Point und PDU

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ISO-OSI-Referenzmodell
International
Standardisation
Organisation
Service Access Point und PDU
Open Systems
Interconnection
- OSI-Terminologie (ein ganz kleiner Einblick...)
- Entity = Aktive Einheit (“Instanz”) einer Schicht
- realisiert in Hardware oder Software
- Referenzmodell:
Kein Protokoll, sondern ein “Schema” für
konkrete Protokolle und deren Normierung
- Peer entities = Instanz der gleichen Schicht
auf verschiedenen Rechnern
- Anzahl der Ebenen (Vorschlag: 7)
- prinzipielle Aufgaben der verschiedenen Ebenen
- SAP (Service Access Point) = Stelle, wo der Service
angeboten wird (identifiziert durch eine Adresse)
--> Strukturelle Basis (“Architekturmodell”) für viele
Protokolle und Normen zur Datenkommunikation
- einheitliches Vokabular für Normierungszwecke
Interface Data Unit
Interface Control
Information
Service Data
Unit
Ebene i+1
SAP
Offenes System:
- Festlegung spezifischer Normen entsprechend
einer vereinbarten Architektur
Interface Control
Information
Steuerinformation für
Ebene i, z.B. Länge der
Service Data Unit
- Jeder Anwenderprozess kann mit jedem anderen
kommunizieren, sofern er sich an die vereinbarten
Regeln hält (offengelegte Schnittstellen)
Nutzinformation
Service Data
Unit
109
Ebene i
(ggf. fragmentiert in viele PDUs)
Header
- Interface Data Unit geht
über einen SAP von der
Ebene i+1 zur Ebene i
Vernetzte Systeme, WS 01/02, F. Ma.
Interface
Service Data
Unit
Protocol Data Unit (PDU)
der Ebene i (“i-PDU”)
110
Die OSI-Protokollhierarchie
AnwendungsProtokoll
7
Application
layer
6
Presentation
layer
Darstellungsschicht
5
Session
layer
Kommunikationssteuerungsschicht
Zweck der 7 Schichten
Anwendungsschicht
7
Kommunikationsabläufe der Anwendung
6
Systemunabhängige Datendarstellung
5
Verbindung über längeren Zeitaum aufrechterhalten
4 Sichere Verbindung zwischen Prozessen herstellen
TransportProtokoll
4
Transport
layer
3
Network
layer
Vermittlungsschicht
2
Data link
layer
Sicherungsschicht
1
Physical
layer
BitübertragungsProtokoll
Transportschicht
3 End-zu-End-Verbindung zwischen Rechnern
Bitübertragungsschicht
Datenübertragung zwischen benachbarten Stationen
1
“Physikalische” Übertragung von Signalen
Ebene 4
Wieso gerade 7 Schichten?
- in einigen Protokollen sind einige Schichten fast “leer”
- in einigen Protokollen werden einige Schichten nochmals unterteilt
Was sind die Aufgaben der Schichten? -->...
2
Ebene 3
1001010010
Ebene 2
Ebene 1
111
112
Informationsfluss und
Nachrichtenformat
7
gesendet
6
Aufgaben der Schichten 1 und 2
1. Physical Layer
- Normung von Steckern und Kabeleigenschaften
- Physikalische Darstellung der Bits
empfangen
M
- z.B. Strom / Spannung (z.B. “0” = 1V), oder
- Licht (mit Vereinbarung der Wellenlänge etc.), oder ...
M
- Kodierung von Bitfolgen und ggf. Taktsignale
5
M
- Takt zwecks Bitsynchronisation von Sender und Empfänger
M
- Übertragung unstrukturierter Bitfolgen über ein Medium
Header
Paketisierung
4
H4 M1
H4 M2
H4 M1
3
H3 H4 M1
H3 H4 M2
H3 H4 M1
2
H2 H3 H4 M1 T2
H2 H3 H4 M2 T2
H2 H3 H4 M1 T2
1
Rahmen aus
schichtspezifischer
Steuerinformation
- z.B. Telefonleitung, Lichtleiter, Funkkanal für Radiosignale...
- Aktivierung / Deaktivierung von Leitungen
- Beispiele: RS232-C oder X.21 der ITU
2. Data Link Layer
Dafür Aufteilung des
Bitstroms in Pakete!
- Erkennung und Behebung von Übertragungsfehlern
10010111010011101010101101011
- z.B. mit Sequenznummern und Prüfsummen
- Meldung nicht-behebbarer Fehler nach oben
- Bei LAN: Aufspaltung in zwei Teilschichten:
- Header Hi und Trailer Ti der Schicht i
- Prüfbits, Sequenzzähler und andere “Verwaltungsdaten” hinzufügen
bzw. entfernen
2b
- Eigentliche Nutzdaten M
- Gesamtnachricht der Schicht i = Nutzdaten (“payload”) der Schicht i-1
Logical Link
Control (LLC)
2a Media Access
Control (MAC)
Fehlererkennung und Flusssteuerung
Zugangsprotokoll zum phys. Medium
(z.B. CSMA/CD bzw. Tokenverwaltung)
- Einige Schichten teilen lange Nachrichten auf
- Adapterkarten, die das Protokoll “in Hardware” abwickeln
- Nachrichtenlänge auf unterer Ebene oft durch Puffergrössen begrenzt
- Zusammenbau (“assembly”) auf der Empfangsseite
113
114
Schicht 4 (Transport Layer)
Schicht 3 (Network Layer)
- Verknüpft Teilstreckenverbindung
Insbesondere bei Kommuzu Endsystemverbindungen
nikation von Rechnern
unterschiedlicher Leistung
- Wegewahl (Routing)
(Rückkanal notwendig!)
- Aufbau und Abbau
- Multiplexen mehrerer virtueller
- Logische Verbindung zwischen (adressierten!) Prozessen
(bzw. ports, sockets...) statt Rechnern
- Multiplexen von Verbindungen
Endsystem
- Ggf. Fehlerbehebung und ggf. Flusssteuerung
(u.U. über mehrere Zwischensysteme hinweg)
Rechner B
4
3
2
1
Rechner C
?
Rechner A
“Benutzer” des Transportdienstes in den Endsystemen
Endsystem
Transitsystem
Ende-zu-Ende-Verbindung
4
3
2
1
- Reihenfolgeerhaltende, sichere End-zu-End-Verbindung
- Flusssteuerung (“flow control”)
z.B. Sliding window-Protokoll:
End-zu-End
- Anzahl unbestätigter Pakete vereinbaren
- kontinuierlicher Datenfluss auch bei
langen Verzögerungen
- Beachte: meisten Aufgaben entfallen in LANs
270 ms
“time of flight”
- Abstrahiert von der Art und Natur des benutzten Netzes
- Man unterscheidet:
1) verbindungslos (“packet switching”; Datagramm)
- Erbringung eines Dienstes mit vereinbarter (bzw. “ausgehandelter”)
Dienstqualität wie z.B. Fehlerrate oder Schutz / Sicherheit
unabhängig von den Leistungen der darunterliegenden Schicht
- jedes Paket wird einzeln geroutet
- Bietet daher Transparenz bzgl. Übertragungs- und
Vermittlungstechnik sowie benutzten Teilnetzen
- Bsp: TCP im Internet
2) verbindungsorientiert (“circuit switching”)
- Einrichtung einer virtuellen Verbindung
- Wegewahl i.a. nur bei explizitem Verbindungsaufbau
- expliziter Verbindungsabbau notwendig
- Nachrichten beliebiger Länge werden in Pakete aufgeteilt;
Adressen des network layer werden hinzugefügt
- Beispiel: IP im Internet
- ausserdem: Sequenznummern, Prüfsumme (z.B. CRC) für Bitfehler
und weitere Kontrollfelder für die Flusssteuerung etc.
115
116
Schichten 5 - 7
Protokoll-Stack
5. Session Layer
- Menge der in einem gegebenen Fall verwendeten
spezifischen Protokolle; z.B. Internet:
- Wird in konkreten Protokollen selten benutzt
- Festlegen, wann Teilnehmer A oder B senden darf
(simplex, halbduplex, duplex)
bzw. Protokollimplementierungen (eines Herstellers)
- Checkpoints festlegen (Kommunikation später, z.B.
nach einer Fehlerbehebung, dort wieder fortsetzen)
- Sitzungsverwaltung über Phasen (z.B. Login/Logout) hinweg
- Kopplung mehrerer Transportverbindungen (z.B. Audio
+ Video) zu einer Sitzung
6. Presentation Layer
- Kodierung komplexer Daten (Typ, Wertebereich, Struktur...)
7
6
5
4
3
2
1
ftp, telnet, smtp, snmp, http, nntp, dns...
z.B. RPC (remote procedure call)
./.
TCP und / oder UDP
IP
LLC
MAC
z.B. CSMA / CD
z.B. Koax-Kabel...
- z.B. ASN.1 (“Abstract Syntax Notation”)
Beispiel:
GSMProtokollStack
- Ggf. Komprimierung oder Verschlüsselung sowie inverse
Operationen (aber auch auf anderen Ebenen denkbar!)
Wireless Application Environment (WAE)
user interface on the phone, WAE contains
the Wireless Markup Language (WML)
Wireless Session Protocol (WSP)
7. Application Layer
Wireless Transaction Protocol (WTP)
runs on top of a datagram service such as
User Datagram Protocol (UDP)
- Protokolle für spezifische Anwendungen, z.B.:
- Dateitransfer (z.B. ftp - “file transfer protocol”)
- WWW (http-Protokoll)
- Electronic Mail
- Directory Service (z.B. X500)
- Homebanking
- ...
Wireless Transport Layer Security (WTLS)
Wireless Datagram Protocol (WDP)
Bearers
e.g. CSD, SMS, USSD
117
118
Aufteilung der Schichten
in Hard- und Software, z.B.:
Kritik am ISO-OSI-Modell
Rechner
Betriebssystem/ Middleware
Protokollstack
Anwendungsprozess
RPC-Implementierung
Software
auf
Rechner-cpu
Transport
LLC
Übertragung
- Industrie- und Quasistandards (z.B. TCP/IP) passen
nicht genau in dieses Modell
- Aber: Durch die Trennung der verschiedenen Aufgabenbereiche und hierarchische Gliederung ist
es ein gutes Strukturierungshilfsmittel!
Systembus
MAC
--> etwas praxisfremd
--> neuere Entwicklungen lassen sich oft schlecht in das Schema pressen
- Vorgaben lassen sich oft nur schwierig oder
ineffizient umsetzen
Verlagerung weiterer
Software-Schichten in
Hardware / Coprozessoren
ggf. sinnvoll
Vermittlung
- Das Modell wurde früh entwickelt
Software als “Kartentreiber”
auf der Netzkarte
(z.B. Einschubkarte für Ethernet,
“LAN-Karte”, für Laptops i.a. als
PC-Karte realisiert)
- Terminologie und Architekturprinzip wird in vielen
konkreten Protokollen zumindest teilweise benutzt
Netz
119
120
Die Internet-Protokollhierarchie
Application Layer
- Elektrische Signale
Gegenüber OSI sind die drei obersten
Schichten zusammengefasst
Transport Layer
TCP (bzw. UDP)
Internet Layer
Verfahren, um mehrere verschiedene
Netze zu traversieren; Wegewahl; IP
Network Access Layer
LLC
Fehlerfreie Übertragung;
MAC
Zugriff auf das Medium
PHY
Bitübertragung
Physical Layer
Übertragungsmedien - Übersicht
- Amplitudenmodulation
- Frequenzmodulation
- Phasenmodulation
- Licht (Laser)
- Twisted-pair-Kabel (Telefondraht)
- Koaxialkabel
In lokalen Netzen wird eine identische
LLC-Schicht für verschiedene LAN-Typen
(Token-Ring, Ethernet-Varianten etc.)
verwendet mit jeweils spezifischer
MAC-Schicht (Medium Access Control)
- elektromagnetische Einstrahlung
und Dämpfung gering
- höhere Bandbreiten als twisted pair
- Dienstprogramme wie dns oder ftp
- echte verteilte Anwendungen
- “Middleware”, die eine eigene Infrastruktur für grosse verteilte
Anwendungssysteme bereitstellt
121
leitungsgebunden
- Lichtwellenleiter (“Glasfaser”)
- Funk (Mobiltelefone...)
- Richtfunk (terrestrisch)
- Satellit
- Laser
- Im Internet gehört alles oberhalb der TCP-Ebene
zur “Anwendungsebene” (d.h. interessiert nicht...)
später mehr dazu
drahtlos
122
Twisted pair
Diverse Twisted-pair-Kabel
- Signalübertragung durch ein Paar verdrillter
(isolierter) Kupferdrähte
UTP
(8 Adernpaare)
- Verdrillung reduziert die Abstrahlung
- Sehr preiswert; einfach zu verlegen
- Relativ störungsempfindlich
- elektromagnetische Einstrahlung!
- Relativ starke Dämpfung
- Vieladrige Kabel aus mehreren verdrillten Paaren
UTP mit
Kabelschirm
(Adern jedoch
nicht einzeln
abgeschirmt)
- meist zwei Adernpaare in einem Kabel (“Vierdrahtleitung”),
um Vollduplexbetrieb zu ermöglichen
- Zwei Hauptsorten:
- UTP (Unshielded Twisted Pair)
- STP (Shielded Twisted Pair: jedes Paar einzeln abgeschirmt)
- genormte Kategorien (i.w. nach Eignung für Bandbreiten)
- Kategorie UTP-5 garantiert 100 Mb/s über mind. 100 m
(wesentlich stärker verdrillt als UTP-3, das klassischerweise
zur Sprachübertragung eingesetzt wurde)
- Querschnitt:
UTP
Kabelmantel
STP
Adern
STP
Adernpaarschirm
Kabelschirm
123
124
Koaxialkabel
Lichtwellenleiter (“Glasfaser”)
- Für hohe Frequenzen (Breitband) und mittlere
Datenraten und Entfernungen
- LWL; “fibre optics” (Glas oder “Plastik”)
>300 MHz bei analoger Übertragung (Kabel-TV!)
>500 Mb/s bei digitaler Übertragung
- Lichtimpulse durch LED, Laserdiode bzw. Laser
- typische Wellenlängen: 850, 1300 oder 1500 nm
- Rückwandlung in elektrisches Signal z.B. durch Photodiode
- Intensitätsmodulation (meist dreiwertig)
- Innenleiter mit radialsymmetrischer Abschirmung
Kabelmantel
Innenleiter
Isolation
0
Abschirmung
1
1
0
0
- Frequenzmultiplex möglich
- optische Verstärker durch Erbium-dotierte Glasfaserstrecken
(ca. 30dB; i.w. transparent bzgl. der Bitrate im Unterschied zu
“Repeatern”, die das optische Signal in ein elektrisches verwandeln,
dann regenerieren und in ein optisches zurückverwandeln)
- Prinzip: Totalreflexion an Grenzschicht Kern / Hülle
Kupferkern Isolation
(Innenleiter)
Abschirmung
(Aussenleiter)
Schutzmantel
aus Plastik
- Vorteile (gegenüber Kupferkabeln):
- Abschirmung = Kupfergeflecht als äusserer Leiter
- Geben kaum eigene Strahlung ab; äussere Einstrahlungen
werden gut kompensiert (Wirkung auf beide Leiter)
- Dämpfung (frequenzabhängig) relativ gering;
Verstärkung erst nach mehreren zig Kilometern nötig
- Typischerweise BNC-Steckverbindungen
- keine störende Ausstrahlung; immun gegen el. Einstrahlungen
- höhere Sicherheit gegenüber Abhörversuchen
- höhere Übertragungsraten (Gb/s-Bereich)
- dünner (0.1 - 0.2 mm), flexibler und leichter
- Nachteile:
- Verbindung zweier Kabel schwieriger (“spleissen” bzw.
diffizile Steckverbindungen)
- auf kurze Distanzen u.a. deswegen Kupferkabeln (noch) unterlegen
125
126
Dispersion
Herstellung von Glasfaser
- Signal wird “verschmiert” --> Bandbreitenbegrenzung
- unterschiedliche Pfadlänge
Mantel
Kern
(ca 50 µm)
Hülle (ca.
125-500 µm)
- Drei Grundtypen von Glasfasern:
Multimodefaser
(Stufenprofil):
Modendispersion
--> keine sehr
hohen Bandbreiten
(ca. 100 MHz*km)
Multimodefaser
(Gradientenprofil):
Brechzahl ändert
sich nicht stufensondern parabelförmig
--> geringere Dispersion,
höhere Bandbreite
(ca. 1 GHz*km)
Monomodefaser:
Kerndurchmesser
ca. 5 µm (statt 50)
--> quasi geradlinige
Ausbreitung; bis zu
50 GHz*km
127
128
LWL-Kabel
Dämpfung bei Kupfer und LWL
Glasfaser
- Grobe Charakterisierung:
Kevlar (Zugentlastung)
ST-Anschluss
Dämpfung [dB/km]
Füllmaterial
Koaxial
Polyurethan
als Kabelmantel
100
Twisted
Pair
0.9mm
2.6 /
9.5 mm
Aluminium
10
Stufenindex
SC-Anschluss
MIC-Anschluss
Glasfaserkabel typw. als Bündel
mit 8 - 48 Fasern (Redundanz bzgl.
gebrochener Fasern wichtig); für
gebäudeinterne Verkabelung auch
Einzelfasern mit beschichtetem
Isoliermaterial
Gradientenindex
Monomode
Frequenz [MHz]
10
100
1000
10000
Bem: Lichtleiter müssen in einem relativ engen Frequenzspektrum betrieben werden
129
130
Die Internet-Netzinfrastruktur
Frequenzspektrum
Telefon
1MHz
1GHz
Radiowellen
1012Hz
Mikrowellen
AM FM TV
Twisted Pair
1015Hz
Infrarot
sichtb. Licht
1kHz
UV
“Some weeks ago it occurred to me that I know much more about the
abstract protocols of the Internet than I do about the nuts and bolts
that hold it together...” -- Brian Hayes
1018Hz
X
WLAN
LWL
Koax
Satelliten;
Mobilfunk
Network Access Point (NAP), operated by Sprint (in NJ)
“When I set out to see what the
physical layer of the Internet
looks like, I soon found myself
talking to telephone companies and their subsidiaries...
Drahtlose <--> leitungsgebundene Übertragung
I found an unmarked and windowless concrete bunker, half
buried in an earthen berm, with
dual-redundant cooling units
and diesel generators on the
roof, and an abundance of ‘call
before you dig’ placards on the
surrounding fences.”
Weiterlesen: “The Infrastructure of the Information Infrastructure” von Brian Hayes in
MCNC Internet Exchange
“American Scientist” May /
in North Carolina
June 1997:
http://www.amsci.org/amsci/Issues/Comsci97/compsci9705.html
131
132
Durchsatz eines Netzknotens (1)
MAE East - Gigaswitch #1 - Jul 24, 1997 (MAE = Metropolitan Area Exchange)
http://www.mfsdatanet.com/MAE/east.giga.970724.html
CERN-USA Transparent Web Cache Traffic (Nov. 1998):
- grün: eingehender Datenverkehr
- blau: ausgehender Datenverkehr
http://sunstats.cern.ch/mrtg/webcache.html
CERN-USA Traffic (E1 line to MCI/Perryman), day:
http://suncs02.cern.ch:8000/mrtg/cernh8.html
CERN-USA Traffic (E1 line to MCI/Perryman), week:
http://suncs02.cern.ch:8000/mrtg/cernh8.html
133
134
SWITCH (2001)
Swiss Academic & Research Network
November 2001
CERN-USA Traffic, 155 Mbit/s circuit to KPN Qwest Chicago)
ETHZ-CERN:
2.5 Gb/s
since 2001
http://www.switch.ch/lan/map/SWITCHlanbb.gif
http://sunstats.cern.ch/mrtg/cernusa.html
135
The SWITCHlan consists of an ATM core network which is built on
top of diAx’s national SDH infrastructure. STM-1 links are used to
construct a double star ATM topology with hubs in Le Lignon (GE) and
Altstetten (ZH). Every site on the ATM core is connected by two
different STM-1 links which use physically diverse paths on the SDH rings.
The local loops between the customer’s site and the nearest diAx PoP are
realized as dark fibers.
Access from ETHZ/SWITCH to WorldCom’s Zurich PoP is realized
through the City Ring Zurich. Two STM-1 links to Amsterdam and
Frankfurt connect Switzerland to WorldCom’sATM Backbone.
From Switzerland to New York, the transatlantic connection uses two 155
Mb/s circuits which follow different paths through Europe and across
the Atlantic ocean (geograpical diversity).The US-link from Zurich(ETHZ)
via the AC-1 cable terminates at the SCNA PoP in New York, 111, 8th
Avenue at a router owned by SWITCH. The link from Geneva (CERN) via
the TAT-12 cable terminates at another SCNA PoP in New York, 60, Hudson
Street, again at a router of SWITCH.
Vernetzte Systeme, WS 01/02, F. Ma. 136
Das deutsche Wissenschaftsnetz (1997)
SWITCH Traffic (1999)
rot: 155Mbit/s-Backbone
34 Mbit/s
155 Mbit/s
beantragt
155 Mbit/s
This figure represents traffic leaving the SWITCHlan backbone.
1’000 GByte/Month are equivalent to a 3 Mbps average data stream.
“The traffic has been growing by a factor of approximately 2 for many
years, and there is no indication that this will change in the near future.”
Swisscom Journal, Nov. 2000
137
www.dfn.de/win/bwin/bwin-karte.gif
138
Informationsflüsse
Weitere Visualisierungen...
Usenet 1993
Rot: hohes Datenvolumen; blau: niedrigeres Datenvolumen
Standorte von DNSServern in den USA
139
140
Seekabel
- Bilden die transkontinentalen Backbones des Internets
- Von Telekomgesellschaften über Jahre hinaus angemietet
- Markt derzeit kontrolliert von AT&T, MCI, BT, NTT
ISPs USA (1998)
- Transatlantik-Kabel (Europa-USA):
- TAT-1 (1956-1978) erstes Transatlantikkabel für Telefonie (fast 100
Jahre nach dem ersten Telegraphie-Kabel!): 48 Telefonkanäle, 144 kHz
- TAT-7 (1983-1994) Kupferkabel, 662 Repeater
- TAT-8 (1988) erstes Glasfaserkabel, 109 Repeater, 280 Mbit/s
- TAT-9 (1992) 51 Repeater, 565 Mbit/s (entspricht 80000 Telefonkanäle)
- CANTAT-3 (1994) 2.5 Gbit/s (Kanada - Island - Sylt: 7100km)
- TAT-12/13 (1995) “selbstheilender“ Ring, $700 Mio, 2 × 5 Gbit/s
(Umschaltung auf anderes Kabel im Sekundenbereich)
- AC-1 (1998) “Atlantic Crossing” 40 Gbit/s
141
142
- Columbus III (Feb 2000): 40 Gbit/s USA-Südeuropa
- Kosten:
- Transatlantik-Glasfaserkabel: ca. $300 - 600 Mio
- Investitionen in Glasfaser-Unterseekabel zwischen 1995 und 1998 ca.
$ 13900 Mio weltweit (Kessler Marketing Intelligence Corp.)
- Historie:
- erste Telegraphie-Verbindung zwischen Irland und Neufundland 1857
(jedoch nur kurze Zeit und sehr unzuverlässig funktionsfähig)
- erfolgreich entlang gleicher Route 1866 (bis 1877 in Betrieb)
- Probleme u.a.:
“In 1870, a new cable was laid between England and France, and
Napoleon III used it to send a congratulatory message to Queen Victoria. Hours later, a French fisherman hauled the cable up into his
boat, identified it as either the tail of a sea monster or a new species
of gold-bearing seaweed, and cut off a chunk to take home.”
143

ISO-OSI-Referenzmodell Service Access Point und PDU

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