Rechnernetze und Datenbertragung IFB 2006 Daniel Jonietz Rechnernetze

Rechnernetze und Datenübertragung IFB 2006 Daniel Jonietz

Rechnernetze Motivation 4 Isoliert stehende Rechner sollen verbunden werden. 4 Vorteile: – Austausch von Daten – Gemeinsame Bearbeitung und Lösung von Problemen 4 Nachteile / Probleme: – Welche Daten werden ausgetauscht (Datenschutz, Virenproblem, . . . ) – Wie geschieht die Kommunikation • im Detail • im Großen gesehen Jonietz

Rechnernetze Übersicht 4 Historischer Einstieg: Telegrafie und Morsen – Grundbegriffe 4 Programmtechnische Umsetzung Überblick über vorhandene Möglichkeiten – Teil 1 Nachbildung von Taster und Lampe: Übertragen von „An“ und „Aus“ – Teil 2 Übertragen von Bitfolgen – Teil 3 Übertragen von Zeichen Ausblick Übertragen von Texten: Terminalprogramm 4 Schichtenmodell – ISO/OSI – Sicherungsschicht – Anwendungsschicht im Internet Jonietz

Rechnernetze Telegrafie 4 „Transatlantik-Kabel“ – Der Taster ist im Ruhezustand geschlossen, die Lampe leuchtet. (So kann eine Unterbrechung der Leitung leichter festgestellt werden) – Durch Drücken des Tasters wird die Leitung unterbrochen, die Lampe geht aus. – Mit zwei Adern kann nur eine Seite, nämlich diejenige die den Taster hat, senden ® simplex-Betrieb Jonietz

Rechnernetze Telegrafie 4 Umbau zum half-duplex-Betrieb: – Es reichen weiterhin zwei Adern aus. – Die Partner müssen sich darüber einig werden, wer gerade sendet. Senden beide gleichzeitig, werden die Daten gestört. Jonietz

Rechnernetze Telegrafie 4 Umbau zum full-duplex-Betrieb – Wenn beide Seiten gleichzeitig senden (und empfangen) wollen, muss die Schaltung weiter ergänzt werden. – Es werden drei Adern benötigt. Jonietz

Rechnernetze Morsen – Mit dem vorgestellten Aufbau könnte man jetzt seriell Textnachrichten übermitteln. Dazu muss festgelegt werden, wie der Empfänger es interpretieren soll, wenn die Leitung vom Sender unterbrochen wird, also die Lampe ausgeht. – Morsecode: A B C D E F G H I J K L M Jonietz . -. --. . . . ---. . -- N O P Q R S T U V W X Y Z -. --. --. . -. ---. . 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 . ---. . . . . ----. ----- Á Ä É Ñ Ö Ü . ----. . . -- , . ? ; : / ' () _ --. . -. -. -. . . --. . -. -. ---. . . ----. -. --. - Komma Punkt Fragezeichen Semikolon Doppelpunkt Slash Bindestrich Apostrophe Klammern Unterstrich

Rechnernetze Morsen - Details 4 Damit ist aber noch nicht alles geklärt: – Was bedeuten die Zeichen. bzw. - ? • . „kurz“ – was heißt kurz? • - „lang“ – aber wie lang? – Wie verhalten wir uns bei Fehlern? • Sender sendet versehentlich falsches Zeichen, möchte so etwas wie „Backspace“ verwenden • Empfänger kommt nicht mehr mit, weil Sender zu schnell ist • . . . – Übertragungsbeginn und –ende „If the duration of a dot is taken to be one unit then that of a dash is three units. The space between the components of one character is one unit, between characters is three units and between words seven units. To indicate that a mistake has been made and for the receiver to delete the last word send. . . . (eight dots). “ • Wie meldet der Sender seinen Mitteilungsbedarf? Vielleicht hört ihm niemand zu? • Wann betrachten wir eine Übertragung als abgeschlossen? ® Jonietz Protokolle

Rechnernetze Morsen - Ergebnis 4 Die Interpretation der Daten ist unabhängig von der Art der Übermittlung – Aus den Symbolen. und – kann auf die Nachricht geschlossen werden, egal wie wir die Symbole erhalten haben (Spannungsimpulse, Lichtsignale, Rauchwolken, notierte Zeichen, kurze und lange Holzstöcke, . . . ) – Wir können zwischen Transport-Medium und dem Vorgang des Morsens trennen. Wer morsen kann, kann dies unabhängig vom gerade eingesetzten Medium. Jonietz

Rechnernetze Teil 1 Morsen: Nachbildung von Taster und Lampe Jonietz

Rechnernetze Serielle Schnittstelle 4 Sehr analog zu unserem Morsekabel: – Ruhezustand auch „Leitung an“, also „LED leuchtet“. 4 Nullmodemkabel Jonietz

Rechnernetze Nullmodem 4 mit LEDs (schwarz und braun im Stecker getauscht!) Pin 5 = Masse Pin 8 R=220 W LED Pin 7 LED Jonietz

Rechnernetze Die Klasse TNetz. Hw 4 Eigenschaften – Unterscheidet sich je nach verwendeter Hardware – Definiert auch den Datentyp TAn. Aus mit den Werten An und Aus, der zur Beschreibung des Zustandes von Leitungen verwendet werden kann – Schnittstelle und Verhalten aber bei allen Fassungen gleich, dadurch austauschbar! – Klassendiagramm (hier für die Klasse TNetz. Hw in der Unit u. Seriell, ausgelegt für die Verbindung per Nullmodem. Kabel) Jonietz

Rechnernetze Vorgehensweise 4 Programmtechnische Nachbildung von „Taster“ und „Lampe“ des „Atlantikkabels“ ® Übertragen von Bits 4 Übertragung von Bitfolgen 4 Übertragung einzelner Buchstaben Ausblick: Übertragung ganzer Texte Jonietz

Rechnernetze Nachbildung Atlantikkabel 4 Aufgabe: – Lampe (und Leitung) im Ruhezustand an – Sender kann ein- und ausschalten – Empfänger zeigt aktuellen Zustand der Leitung an 4 Problem – Wie wird eine Änderung des Leitungszustandes detektiert? ® Timer Jonietz

Rechnernetze Lösungsvorschlag 4 In beiden Programmen: – uses. . . u. Seriell; – type TGUI = class( TForm ). . . private o. Netz. Hw : TNetz. Hw; – procedure TGUI. On. Create(Sender: TObject); begin o. Netz. Hw : = TNetz. Hw. Create; end; – procedure TGUI. On. Close(Sender: TObject; var Action: TClose. Action); begin o. Netz. Hw. Free; end; Jonietz

Rechnernetze Lösungsvorschlag 4 Sender: – procedure TGUI. b. An. Click(Sender: TObject); begin o. Netz. Hw. set. Sende. Leitung( An ); end; – procedure TGUI. b. Aus. Click(Sender: TObject); begin o. Netz. Hw. set. Sende. Leitung( Aus ); end; 4 Empfänger: – procedure TGUI. On. Timer. Tick(Sender: TObject); begin case o. Netz. Hw. get. Empfangs. Leitung of An : s. LED. brush. Color : = cl. Red; Aus : s. LED. brush. Color : = cl. Black; end; Jonietz

Rechnernetze Teil 2 Übertragen von Bitfolgen Jonietz

Rechnernetze Übertragen von Bitfolgen 4 Aufgabe: – Der Sender soll eine beliebige Bitfolge automatisch übertragen, indem er entsprechende Signale auf die Leitung legt. – Der Empfänger muss den Anfang einer Übertragung detektieren, um dann die Bits mitzubekommen 4 Prototyp: Jonietz

Rechnernetze Die Klasse TBit. Folge 4 Hilfsklasse, die den Datentyp „Folge von 8 Bits“ und Operationen auf diesem kapselt Jonietz

Rechnernetze Signalübertragung 4 Brauchen Zuordnung zwischen logischen Signalen und physikalischen Signalen auf dem Medium Jonietz Signal Elektrisch Optisch Zwei Level Binärkodierung 0 1 0 V 5 V Licht aus Licht an 0 1 0 Drei Level Mehrfachniveaus 0 1 2 0 V 2, 5 V 5 V Licht aus Licht gedämmt Licht voll an 0 1 2

Rechnernetze Kodierung 4 Gebräuchliche Binärkodierungen: – NRZ-L (No Return to Zero – Level) log. 0 = low log. 1 = high 0 1 0 1 1 0 0 1 (No Return to Zero – Mark) log. 0 = keine Pegeländerung 0 1 log. 1 = Pegeländerung 0 0 1 0 1 1 0 0 1 high low – NRZ-M high low – NRZ-S (No Return to Zero – Space) log. 0 = Pegeländerung log. 1 = keine Pegeländerung 0 1 high low Jonietz

Manchester-Kodierungen Rechnernetze 23 4 Jede Bit-Zeit wird in zwei Intervalle unterteilt – Manchester-Kodierung log. 0 = low / high log. 1 = high / low 0 1 0 1 1 high low – Differentielle Manchester-Kodierung log. 0 = Pegeländerung im ersten Intervall log. 1 = keine Pegeländerung im ersten Intervall immer Pegeländerung im zweiten Intervall 0 high low Jonietz 1 0 0 1 1 low / low und high / high sind zwei illegale Kodierungen, die mit J und K bezeichnet und z. B. in Token-Ring. Netzen zur Kennzeichnung des Anfanges eines neuen Rahmens verwendet werden.

Manchester-Kodierungen Rechnernetze 24 4 Vorteile differentieller Kodierungen: Beteiligte Rechner können sich anhand der übertragenen Signale selbst synchronisieren, da mindestens in der Mitte jedes Intervalles ein Pegelwechsel stattfindet: – Differentielle Manchester-Kodierung 0 0 0 0 high low – NRZ-L-Kodierung high low – Nachteil: Doppelte Bandbreite benötigt! Jonietz

Rechnernetze Takte - Timer 4 Jedes zu sendende Bit hat eine feste Länge / Dauer high low 4 Timer steuern den Takt, in dem die Bits gesendet und empfangen werden. 4 Der Timer löst in festem Takt ein Ereignis aus, das dann von einer Ereignisbehandlungsroutine bearbeitet wird. 4 Beispiel: – Timer „tickt“ alle 100 ms und löst dabei das Ereignis Timer. Tick aus – Timer. Tick verarbeitet dies indem z. B. der Signalpegel der Sendeleitung geändert wird. Jonietz

Rechnernetze Timer in Delphi 4 Timer in Delphi: Eigentlich graphisches Objekt, aber auch anders einsetzbar: – Beim Erzeugen ist normalerweise ein grafisches Objekt (das Formular) als Erzeuger anzugeben, geht aber auch: NIL – mein. Timer : = TTimer. Create( NIL ); 4 Klasse – TTimer in Unit Ext. Ctrls 4 Attribute: – enable true/false – interval in Millisekunden – On. Timer (procedure of object) 4 Löst das Ereignis On. Timer aus und ruft entsprechende Methode zur Bearbeitung auf Jonietz

Rechnernetze Bitfolgen-Begrenzer 4 Schwierigkeit 1: – Der Empfänger kann nur dann den Anfang einer Übertragung bemerken, wenn sich das erste übertragene Signal von dem des Ruhezustands unterscheidet. 4 Lösung – Weil das erste Bit im Prinzip ein beliebiges sein kann, muss ein Anfangsbegrenzer AB (Startdelimiter, SD) vorgeschaltet werden. – Zur Kennzeichnung des Anfangs der Übertragung wird ein zum Ruhepegel komplementäres Signal verwendet hier: Ruhepegel = low also: AB = high Jonietz

Rechnernetze Bitfolgen-Begrenzer 4 Schwierigkeit 2: – Nach jeder erfolgten Übertragung muss sichergestellt sein, dass der Ruhepegel auch wieder erreicht wird. – Nur dann kann der Empfänger den Übergang Ruhepegel ® Anfangsbegrenzer feststellen. 4 Lösung: – Nach der eigentlich zu übertragenden Bitfolge wird ein Stoppbit SB gesendet. – Zur Kennzeichnung des Übertragungsendes wird das Signal des Ruhepegels verwendet hier: Ruhepegel = low also: SB = high Jonietz

Rechnernetze Sender Jonietz high low Nutzdaten Overhead Ruhe Stoppbit 8. Datenbit 7. Datenbit 6. Datenbit 5. Datenbit 4. Datenbit 3. Datenbit 2. Datenbit 1. Datenbit Anfangsbegrenzer Ruhe Übersicht Bitfolge 4 Damit gestaltet sich die Übertragung wie folgt:

Ruhe SB 8. Datenbit 7. Datenbit 6. Datenbit 5. Datenbit 4. Datenbit 3. Datenbit 2. Datenbit 1. Datenbit Ruhe Sender AB Rechnernetze Sender/Empfänger high Warte SB 8. Datenbit 7. Datenbit 6. Datenbit 5. Datenbit 4. Datenbit 3. Datenbit 2. Datenbit 1. Datenbit AB Empfänger Warte low high low regelmäßiges Abtasten Jonietz Startbit erkannt Anfang 1. Datenbit vermutet Messen 1. Datenbit in der Mitte Anfang 8. Datenbit vermutet Messen 8. Datenbit in der Mitte Ende 8. Datenbit vermutet

Rechnernetze Jonietz 2. Datenbit 3. Datenbit 4. Datenbit 5. Datenbit 6. Datenbit 7. Datenbit 8. Datenbit SB low 1. Datenbit high AB Aufbau von Rahmen 1 1 0 0 1 1 1 0 Rahmen (Frame)

Rechnernetze Wahrheit 4 Tatsächlich kann die Hardware Pegeländerungen (Flanken) selbst detektieren. – Ein Messen – wie hier durchgeführt – ist nicht nötig. – Die zeitlichen Differenzen entfallen. – Vgl. differentielle Manchester-Kodierung! 4 Die hier verwendeten Timer haben einen großen Nachteil: Sie können ausbleiben oder mit quasi beliebig großer Verzögerung eintreten! – Folge: Plötzliches Auftreten augenscheinlich unerklärlicher Übertragungsfehler – Besser: Selbstsynchronisierende Verfahren Jonietz

Rechnernetze Teil 3 Übertragen von Zeichen Jonietz

Rechnernetze Übertragen von Zeichen 4 Aufgabe: – Statt Bitfolgen sollen jetzt Zeichen übertragen werden. 4 Prototyp: 4 Idee: – Kodiere und Dekodiere die Zeichen irgendwie, z. B. ASCII (leicht, da chr() : int ® char und ord() : char ® int schon existieren) Jonietz

Rechnernetze Lösungsvorschlag 4 Zeichen können schon übertragen werden, nur die Repräsentation muss angepasst werden: 4 Empfänger procedure TGUI. Refresh; begin e. Daten. Text : = o. Empfaenger. get. Bit. Folge. to. Char; end; 4 Sender procedure TGUI. onb. Sende. Click(Sender: TObject); begin o. Daten. from. Char( e. Daten. Text[1] ); o. Sender. On. Bit. Folge. Gesendet : = Show. Message; o. Sender. Sende( o. Daten ); end; Jonietz

Rechnernetze Ausblick Übertragen von Texten Jonietz

Rechnernetze Übertragen von Texten 4 Aufgabe: – Vereinige Sender und Empfänger in einem Kommunikator – Terminalprogramm 4 Prototyp: Jonietz

Rechnernetze Texte übertragen 4 Idee: – Übertragen den Text einfach zeichenweise! 4 Problem: – Können das nächste Zeichen erst dann senden, wenn die Übertragung des vorherigen abgeschlossen ist, da sonst die einzelnen Bits interferieren! 4 Lösungsansätze – Sender sagt, wann er fertig mit der Übertragung ist – Sender erhält (großen) Puffer, der mit den zu sendenden Daten gefüllt wird –. . . Jonietz

Rechnernetze ISO-OSI-Referenzmodell 4 ISO: International Organization for Standardisation 4 OSI: Open-System-Interconnection 4 Beschreibt abstraktes, logisch-funktionelles Architekturmodell, das die Datenkommunikation in offenen Systemen beschreibt (heutige Fassung von 1984) 4 Wird in Praxis nirgendwo in Reinform umgesetzt, trotzdem hohe Bedeutung, die gerade in der Referenzhaftigkeit liegt. Jonietz

Rechnernetze ISO-OSI-Referenzmodell 4 Überblick Jonietz 7 Anwendungsschicht 6 Darstellungsschicht 5 Sitzungsschicht 4 Transportschicht 3 Netzwerkschicht 2 Sicherungsschicht 1 Bitübertragungsschicht Application layer Presentation layer Session layer Transport layer Network layer Data link layer Physical layer

Rechnernetze ISO-OSI / Wir 4 Einordnung in ein Schichtenmodell 7 Anwendungsschicht 6 Darstellungsschicht 5 Sitzungsschicht 4 Transportschicht 3 Netzwerkschicht 2 Sicherungsschicht 1 Bitübertragungsschicht Application layer Presentation layer Session layer Transport layer Network layer Data link layer Physical layer Physikalisches Medium Jonietz Feststellen von Übertragungsfehlern Aufbau von Rahmen (Rahmenbegrenzer) Bit (Eins, Null) in TNetz. Hw, Länge eines Bits RS 232 (Stecker, Spannungen) Kabel

Rechnernetze Schichtenarchitekturen 4 Vorteile: – Saubere Trennung von Zuständigkeiten – Klare Schnittstellen – Einzelne Schichten können einfach ausgetauscht werden • Austausch der Hardware-Schicht: Ohne irgendwelche Änderungen kann z. B. mit Austausch der entsprechenden TNetz. Hw auch die Hardware ausgetauscht werden! – Weitere Schichten können einfach eingeschoben werden • Z. B. Sicherungsschicht mit zusätzlicher Fehlerüberprüfung Jonietz

Anwendungsschicht H i ! 7210 = ‚H‘ 10510 = ‚i‘ 3310 = ‚!‘ Sicherungsschicht 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 Bitübertragungsschicht a b 0 c 1 0 0 d 1 0 0 1 1 e 0 1 0 0 1 0 0 f Medium Rechnernetze Überblick Schichten Jonietz 0 a b 0 c 1 0 0 d 0 1 0 0 1 1 e 0 1 0 1

Rechnernetze Ausblick 4 In „echten“ Netzen treten weitere Probleme auf, die wir hier durch Einsatz einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung vermeiden konnten. Dadurch ist: – keine Adressierung notwendig (weder Kennzeichnung des Empfängers noch Angabe des Absenders) – keine Leitweg-Suche – keine Mechanismen zur Zugriffskontrolle auf das Medium nötig (full-duplex, aber jeweils immer nur ein Sender und ein Empfänger), keine Kollisionen möglich 4 Haben darüberhinaus der Einfachheit halber gespart – Positive / Negative Quittungen über eingehende Daten – Automatische Neuversendung fehlerhafter Daten Jonietz