Kommunikationsnetze & deren Dienste

Der Weg vom Client zum Server

 

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OSI- und TCP/IP-Modell

 

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OSI-Modell Merksatz: Alle deutschen Studenten trinken verschiedene Sorten Bier.
TCP/IP-Modell Merksatz: Andy Tanzt Nie Disco-Fox. (N = Netzwerk, D = Data Link)

Server, Client und Router im TCP/IP-Modell

 

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Was auf der selben Schicht liegt, ist gegeneinander austauschbar (z.B. Webserver und Browser).

Die Transportschicht wählt die Anwendung aus, während die Internetschicht die Routingentscheidung trifft. Hier wird die entsprechende Netzwerkkarte ausgewählt.

Protokolle

 

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Der Client baut zunächst ein Datenpaket aus verschiedenen Headern mit Hilfe der folgenden Protokolle zusammen:

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HTTP

Als Sprache für den Webserver

TCP

mit Source-Port und Destination-Port. Die Portnummern werden bei Start des Gerätes vom Betriebssystem verteilt. Dabei sollte auf Port-Standards der IANA geachtet werden: HTTP verwendet bspw. oft den Port 80 (serverseitig).

IP

mit Source-IP-Adresse und Destination-IP-Adresse. Die Destination-IP-Adresse kann mit Hilfe DNS ermittelt werden. 

Eth (Ethernet)

mit Source-MAC-Adresse und Destination-MAC-Adresse. Das Ziel in diesem Fall ist nur der nächste Router, denn das Ethernet-Protokoll bringt das Datenpaket lediglich einen Schritt weiter in Richtung Ziel.

Wird nun die Internetschicht des ersten Routers erreicht, werden Ethernet-Header und -Trailer abgeschnitten. Anschließend wird anhand der Informationen im IP-Header eine Routing-Entscheidung getroffen. Danach werden mit dem entsprechenden NIC ein neuer Ethernet-Header und -Trailer angehängt. Das Datenpaket nimmt den nächsten Teilschritt auf dem Weg in Richtung Ziel.

Beim Server angekommen werden die entsprechenden Header beim Durchlauf der Schichten von unten nach oben abgeschnitten, sodass beim Webserver nur noch der HTTP-Header ankommt. Für die Antwort werden IP-Adresse und Port des Clients zwischengespeichert.

Protokolle auf der gleichen Schicht sind gegeneinander austauschbar.

HTTPS -> sichere Verbindung durch verschlüsselten Header

TCP -> '3-Way-Handshake' SYN+ACK, zuverlässige Verbindung, Fehlermeldung bei Nichtzustellung

UDP -> direkt drauf los (Streaming)

 

 

Genauere Betrachtung der Header

Die Zusammensetzung der einzelnen Header finden sich in RFCs (Request for Comments)

IPv4-Header

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'Time to live' im IPv4-Header

Durch eine falsche Routing-Entscheidung könnte eine Schleife entstehen. Durch die 'Time to live' wird bei jedem passierten Router der Zähler dieses Wertes um 1 reduziert. Erreicht der Zähler die 0, wird das Datenpaket vom Router verworfen, damit es nicht sinnlos im Netz verweilt.

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TCP-Header

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UDP-Header

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ICMP

→ Internet Control Message Protocol

CSMA

→ Carrier Sense Multiple Access

Das CSMA dient der Überwachung des Kabels bei mehrfachem Zugriff, um Kollisionen zu vermeiden.

Es gibt diese Technik in zwei Ausführungen: Für LAN (CD: Collision Detection) und für WLAN (CA: Collision Avoidance).

CSMA/CD

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Ein HUB sendet ein Paket an alle angeschlossenen Geräte weiter. Die Empfänger prüfen die MAC-Adresse: Ist das Paket nicht für sie, wird es verworfen.

Problem:

Werden mehrere Pakete gleichzeitig versendet, kommt es zu einer Kollision, die Daten werden unbrauchbar.

Lösung:

Die Geräte hören, ob der Übertragungskanal frei ist, bevor sie senden. (→ Listen before Talk)

Wenn zwei Geräte gleichzeitig hören und der Kanal frei ist, beginnen sie zu senden und es kommt zu einer Kollision. Das falsche Signal kommt bei den Sendern an. Sie hören auf zu senden.

Nach einer Zufallszeit wird weiter gehört und gesendet.

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CSMA/CA

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Senden mehrere Geräte gleichzeitig, kommt es zu Interferenzen. Die Daten werden unbrauchbar. Um dies zu vermeiden soll auch hier gehört werden. Die Daten werden durch ein ACK bestätigt.

Dies läuft ähnlich ab wie bei LAN: Nach dem ACK wird eine Zeit gewartet und weiter gesendet.

Hidden Station Problem

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S1 bekommt nichts von den Daten von S2 mit. Durch das ACK-Paket vom Access-Point weiß S1 aber, dass gesendet wird.

Deshalb wird zuerst ein Request to Send abgesendet. Ist der Kanal frei, antwortet der Access Point mit einem Clear to Send, das auch S2 mitbekommt. S2 weiß nun, dass bis zum nächsten ACK-Paket der Kanal belegt ist.

Nach dem ACK warten S1 und S2 eine vorgegebene Zeit, plus eine Zufallszeit, bevor sie eine RTS senden.

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SIFS

DIFS

 

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Die vom Frame selbst generierte Zufallszahl wird bis 0 runterzählt. Wenn 0 erreicht ist, wird gesendet.

 

Routing

Dort wo zwei Netze aufeinander treffen, befindet sich ein Router.

Router verbinden Netze.

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Im Betriebssystem wird die Routing-Entscheidung getroffen:

Die Routingtabelle

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Die Ziel-Adresse wird durch AND-Verknüpfungen Zeile für Zeile mit der Routingtabelle verglichen, um die Routing-Entscheidung zu treffen.

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ARP - Address Resolution Protocol

Ist die Routing-Entscheidung getroffen, wird der Ethernet-Header zusammengestellt. Dazu werden Quell-MAC-Adresse und Ziel-MAC-Adresse benötigt. Die Ziel-MAC-Adresse wird mit ARP herausgefunden.

Dazu sendet der PC einen ARP-Broadcast an alle Geräte im gleichen Netzwerk. Dafür wird eine einheitliche MAC-Adresse verwendet, die binär nur aus 1en besteht.

Das passende Gerät sendet eine ARP-Response mit seiner MAC-Adresse zurück. Der PC kann den Ethernet-Header vervollständigen. Die MAC-Adresse wird für 20 min im ARP-Cache gespeichert, um Zeit und Datenverkehr beim Versenden von weiteren Datenpaketen an den gleichen Adressaten zu verringern.

DNS - Domain Name System

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Mit DNS kann der Teil www.ibs-ol.de (Auch FQDN bzw. Hostname genannt) in die IP-Adresse des dahinter stehenden Servers umgewandelt werden. Dazu wird ein DNS-Server benötigt. Es gibt auch einen DNS-Cache.

DSL - Digital Subscriber Line

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Einfluss der Kabeldämpfung

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Je kleiner die Frequenz, desto größer ist der Einfluss der Kabeldämpfung (gerade im Uploadbereich). Je länger das Kupferkabel ("letzte Meile"), desto größer ist die Kabeldämpfung.

Telefon

POTS - Plain old Telephone (Gutes altes Telefon)

→ Nutzt die großen Frequenzen im DSL-Bereich

Puls-Code-Modulation

→ Sprache in digitale Informationen umwandeln

Früher beim analogen Telefon traf der Luftdruck aus der Sprache auf eine Membran, die ein elektrisches Signal erzeugte (elektrische Schwingungen). Dies wurde über eine exklusive Leitung übertragen.

Heute funktioniert das Mikrofon mit dem Luftdruck und der Membran noch gleich. Die elektrischen Signale werden bei ISDN etwa 8.000 mal pro Sekunde abgetastet und in Binärcode umgewandelt.

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  1. Stufen definieren
  2. Abtastrate definieren (konstant)
  3. PAM-Stufen zeichnen
  4. Werte ablesen
  5. Bitfolge bilden (PCM-Signal)

Dieses Signal wird als Datenpaket übertragen. In der Realität wird hier NICHT-LINEAR gearbeitet:

Voice over IP (VoIP)

Voice over IP meint das Telefonieren über das Internet zwischen Telefonen aber auch zwischen PCs (z.B. Skype). Da es sich um eine Echtzeit-Interaktion handelt, sind die Qualitätsanforderungen (Sprachqualität, Geschwindigkeit) sehr hoch.

Protokolle

RTP

RTCP

SIP

Ein Datenpaket für Telefonie sieht wie folgt aus:

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Mobilfunk

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Wie läuft ein beispielhaftes Telefonat ab?

Handy A tippt eine Rufnummer ein und drückt auf den grünen Hörer. BTS (Mit dem Handy A aktuell kommuniziert) gibt Information an BSC (lediglich eine Verbindungskomponente), dieser an das MSC. Hier wird festgestellt, dass Handy B im gleichen VLR angemeldet und damit erreichbar ist. Es wird im VLR abgefragt mit welchem BTS Handy B verbunden ist. Damit wird der Anruf bzw. die Verbindung mit dem jeweiligen BTS bzw. Handy B hergestellt.