1 Grundlagen

Aufgaben von Netzwerken

Erreichbarkeit

• Ein Netzwerk aus Knoten und Kanten (Verbindungen) ist eine Möglichkeit, jeden Knoten für jeden anderen Konoten erreichbar zu machen.

Ressourcen-Sharing

• Ein Netzwerk gestattet die Realisierung von Redundanz bei der Nutzung von Ressourcen - z.B. viele CPUs, mehrere Drucker, mehrere Fileserver, mehrere Mail-Server

Ausfallsicherheit

• Redundante Netzknoten, alternative Routen, z.B. Router im Internet, verteilte Bearbeitung

Basiselemente eines Netzes

• Knoten oder Rechner, die die Nutzer des Netzes darstellen

  • Server, Desktop-PCs, Notebooks, Smartphones, Fernseher, Kühlschränke, Lautsprecher, …

  • Engl.: Hosts, Nodes

• Infrastrukturkomponenten, die die einzelnen Knoten zu einem logischen Gebilde miteinander verknüpfen

  • Router, Switches, Access Points, …

  • Engl.: Intermediary Devices

• Medium/Physikalische Verbindungen zwischen Rechnern und Infrastrukturkomponenten

  • Kupfer, Glasfaser, Luft, …

• Protokolle für das Grundverständnis der Kommunikation

  • Regeln zum Austausch zwischen den Elementen

Eigenschaften eines Computernetzwerkes

• Räumliche Trennung: Verzögerung der Signale, Übertragungsdauer, Datenrate (Bandbreite)

• Unabhängigkeit der Knoten: Rechner handeln autonom

• Heterogenität der Knoten: Die Knoten des Netzes unterscheiden sich hinsichtlich Hardware, Betriebssystem und Anwendung

Rechnernetze - Vorteile

• Datenverbund: Zugriff auf räumlich verteilte Daten

• Lastverbund: optimale Prozessorauslastung - Verteilung der Rechenlast zu Spitzenzeiten

• Funktionsverbund: Erweiterung lokaler Funktionalität durch Zugriff auf gemeinschaftliche Ressourcen

• Leistungsverbund: algorithmische Zerlegung eines Problems und Verteilung auf mehrere Knoten

• Verfügbarkeitsverbund: Erreichung einer Mindestleistung bei Ausfall einzelner Komponenten - Steigerung der Verfügbarkeit des Gesamtsystems

Strategische Aspekte

• Skalierbarkeit: Einem Netzwerk müssen problemlos weitere Knoten hinzufügbar sein

• Robustheit: Die Netzinfrastruktur muss durch Stabilität und Fehlertoleranz geprägt sein

• Migration: Das Netzdesign muss den leichten Übergang auf neuere Techniken und Netztopologien zulassen

• Autokonfiguration: neue Netzkomponenten müssen ohne großen Aufwand integrierbar sein

Übertragungsformen

• Leitungsvermittlung schaltet zwischen Sender und Empfänger eine exklusive Verbindung. Dieses Verfahren entspricht der ursprünglichen Telefonvermittlung und besitzt den Vorteil einfach zu sein und hohe Übertragungsraten zu gestatten. Allerdings ist der Verbindungsaufbau zeitintensiv.

• Paketvermittlung baut virtuelle Verbindungen zum Ziel über eine Vielzahl von Netzknoten auf. Das ist das vorherrschende Vermittlungsprinzip in Computernetzwerken. Auch werden herkömmliche Dienste, wie die Sprachkommunikation mittlerweile über paketvermittelte Netze realisiert.

Paket

• Für den Kommunikationsablauf in einem Netzwerk wird die zu übertragende Nachricht in kleinere Einheiten, so genannte Pakete eingeteilt.

• Die Paketgröße hängt vom verwendeten Protokoll ab, bei den häufig verwendeten Protokollen Ethernet/IP zwischen 64 und 1500 Byte.

Leitungsvermittlung

• Vorteile

  • charakteristische Merkmale (Datenrate, Vorzögerungen) der gesamten Verbindung zwischen zwei Hosts sind konstant und oft bekannt

  • keine Störungen durch Dritte: Fehler durch Verluste von Paketen treten nicht (selten) auf

• Nachteile

  • Ressourcen werden auch dann belegt, wenn keine Daten ausgetauscht werden

  • vor der Übertragung der Daten ist ein Verbindungsaufbau notwendig

Paketvermittlung

• Vorteile

  • Pakete belegen nur kruz das Medium, effiziente Auslastung der Verbindung

    • Beispiel Serialisierungszeit: 155 Byte übertragen mit 1 Gbit/s: 1500*8Bit/ 1e9 Bit =0,000012

  • Pakete unterschiedlicher Teilnehmer nutzen das Medium im Zeitmultiplex

    • Zu einem Zeitpunkt kann nur ein Teilnehmer das Medium nutzen

    • Nutzung des Mediums erfolgt i.d.R. zufällig

  • Übertragungsfehler sind erstmal auf Pakete beschränkt

• Nachteile

  • Anwendungen mit konkretem Bedarf an Ressourcen (Dienstgüte) nur schwer umzusetzen

Netztopologien - Merkmale

• Definition:

  • räumliche Anordnung der Rechner und ihre Verbindung zu einem physikalischen Netz

• Bewertungskriterien

  • 1. Verhalten bei Schrumpfung/Erweiterung (Modularity)

  • 2. Reaktion des Netzes auf Stations-/Leitungsausfall (Reliability)

  • 3. Verkabelungsaufwand

Sterntopologie

• Kennzeichen: alle Netzknoten sind sternförmig um eine zentrale Vermittlungsstelle gruppiert

• Bewertung

  • 1. leicht erweiterbar, keine Störung bei Stations- oder Leitungsausfall

  • 2. hoher Verkabelungsaufwand, Totalausfall des Netzes bei Ausfall der zentralen Vermittlungsstelle

  • 3. heute vorherrschendes Netzdesign

Ringtopologie

• Kennzeichen: Jede Stations besitzt genau einen linken und einen rechten Nachbarn. Der Ring ist gerichtet, d.h. die Nachrichten werden in definierter Weise weitergeleitet.

• Bewertung:

  • 1. leicht erweiterbar, geringer Verkabelungsaufwand, Stationsausfall unproblematisch

  • 2. Totalausfall des Netzes nur bei Leitungsausfall, bei inaktiven Stationen vergrößert sich Stationsabstand

  • 3. Topologie des Token Ringes

Bustopologie

• Kennzeichen: Alle Stationen greifen auf ein gemeinsames, zentrales, wechselseitig benutztes Mediums zu.

• Bewertung

  • 1. leicht erweiterbar, geringer Verkabelungsaufwand, Stationsausfall unproblematisch

  • 2. Totalausfall des Netzes bei Ausfall der zentralen Leitung

  • 3. Topologie des ursprünglichen Ethernets