Rechnernetze: Konzepte und Techniken der Datenübertragung in Rechnernetzen

506 Pages·1994·13.077 MB·German

by  Prof. Dr. rer.nat. Wolfgang Peter Kowalk, Dipl.-Inform. Manfred Burke (auth.)

Leitfaden der Informatik
Kowalk/Burke
Rechnernetze
Leitfiiden der Informatik
Herausgegeben von
Prof. Dr. Hans-JUrgen Appelrath, Oldenburg
Prof. Dr. Volker Claus, Stuttgart
Prof. Dr. GUnter Hotz, SaarbrUcken
Prof. Dr. Lutz Richter, ZUrich
Prof. Dr. Wolffried Stucky, Karlsruhe
Prof. Dr. Klaus Waldschmidt, Frankfurt
Die Leitfaden der Informatik behandeln
- Themen aus der Theoretischen, Praktischen und Technischen Informatik
entsprechend dem aktuellen Stand der Wissenschaft in einer systemati
schen und fundierten Darstellung des jeweiligen Gebietes.
- Methoden und Ergebnisse der Informatik, aufgearbeitet und dargestellt
aus Sieht der Anwendungen in einer flir Anwender versHindlichen, exak
ten und prazisen Form.
Die Bande der Reihe wenden sich zum einen als Grundlage und Erganzung
zu Vorlesungen der Informatik an Studierende und Lehrende in Informa
tik-Stugiengangen an Hochschulen, zum anderen an "Praktiker", die sieh
einen Uberblick Uber die Anwendungen der Informatik( -Methoden) ver
schaffen wollen; sie dienen aber auch in Wirtschaft, Industrie und Verwal
tung tatigen Informatikern und Informatikerinnen zur Fortbildung in pra
xisrelevanten Fragestellungen ihres Faches.
Rechnernetze
Konzepte und Techniken der
Datenubertragung in Rechnernetzen
Von Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Peter Kowalk
und Dipl.-Inform. Manfred Burke
UniversiUit Oldenburg
B. G. Teubner Stuttgart 1994
Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Peter Kowalk
Geboren 1950 in Hamburg. Studium der Informatik an der Universitat Hamburg,
Promotion 1982 und Habilitation in Informatik 1986. Bis 1990 wiss. Mitarbeiter in
einem Untemehmen der Kommunikationsindustrie. Seit 1990 Professor der Infor
matik an der Universitat Oldenburg.
Dipl.-Inform. Manfred Burke
Geboren 1963 in Lastrup. Studium der Informatik an der Technischen Universitat
Braunschweig, Diplom in Informatik 1990. Seit 1990 wiss. Mitarbeiter am Fachbe
reich Informatik der Universitat Oldenburg.
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Kowalk, Wolfgang:
Rechnemetze : Konzepte und Techniken der Dateniibertragung
in Rechnemetzen I von Wolfgang Peter Kowalk und Manfred
Burke. - Stuttgart: Teubner, 1994
(Leitfaden der Informatik)
ISBN-13: 978-3-519-02141-4 e-ISBN-13: 978-3-322-84810-9
DOl: 10.1007/978-3-322-84810-9
NE: Burke, Manfred:
Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung auBerhalb
der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulassig und
strafbar. Das gilt besonders fUr Vervieifaitigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Ein
speicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
© B. G. Teubner Stuttgart 1994
Gesamtherstellung: Zechnersche Buchdruckerei GmbH, Speyer
Einband: Peter Pfitz, Stuttgart
Vorwort
Die Infonnationstechnik erlebt gegenwiirtig einen Ubergang von den zentralen GroB
rechnem, die in Rechenzentren aufgestellt ihre Dienstleistung einer (verhaItnismaBig)
kleinen Gruppe von Nutzem anbieten, hin zur Verteilung der Rechenkapazitat in Fonn
von Arbeitsplatzrechnem oder PCs, die iiber verschiedene Technologien miteinander
Nachrichten oder Arbeitsleistung austauschen k6nnen. Die Verschiedenheit der Tech
nologie verhindert genauso ein einheitliches Konzept wie die inharente Offenheit der
Systeme. bei denen in kiirzester Zeit jedes Netz heterogen auseinanderwachst und somit
die verschiedensten Rechner untereinander zu verbinden sind. Aus diesem Grunde
miissen insbesondere Infonnatiker umfassende Grundkenntnisse von Rechnemetzen be
sitzen, wenn sie in ihrem zukiinftigen Beruf bestehen wollen.
In diesem Buch werden wichtige Fragestellungen und L6sungsansatze aus dem Gebiet
Rechnemetze behandelt. Es wendet sich an Studenten der Infonnatik, sowohl an Univer
sitaten als auch an Fachhochschulen. Dariiber hinaus ist es auch zum Selbststudium
geeignet und zum Nachscblagen wichtiger Stichworte, da es die verschiedenen Aspekte
von Rechr.emetzen in einzelnen, zusarnmenhiingenden Kapiteln beschreibt, ohne daB all
zusehr auf andere Kapitel aufgebaut wird.
Bei der Themenauswahl wurde auf eine gewisse Breite Wert gelegt. Viele Biicher aus dem
Gebiet der Rechnemetze beschranken sich einseitig auf die Darstellung der Standards nach
dem ISOIOSI-Basisreferenzmodell oder auf die TCPIIP-Protokolle. In heutigen Systemen
werden aber beide Standards, neben weiteren, eingesetzt, so daB entsprechende Grund
kenntnisse aller Ansatze vorhanden sein sollten. Diese werden in diesem Buch ebenso
vermittelt wie weiterfiihrende Gebiete, die in den klassischen Standards nicht geregelt
sind. Hier sind vor allem die Gebiete Netzwerkmanagement und Hochgeschwindigkeits
protokolle zu nennen. AuBerdem gehen wir ausfiihrlicher als iiblich auf Fragen der
Leistungsbewertung von Rechnemetzen, Verschliisselungstechniken sowie der fonnalen
Speziflkationstechniken ein.
Lehrbiicher stellen in der Regel den Stand der Technik so dar, wie er sich den Autoren
prasentiert. Dieses Buch verfiihrt ebenso, fiihrt jedoch an geeigneter Stelle auch iiber
diesen Stand der Technik hinaus. Allerdings verzichten wir bewuBt auf die Darstellung der
4 Vorworl
Anwendung von Rechnemetzen. 1m Ausblick gehen wir lediglich kurz auf ODP, CORBA
und ahnliche Ansatze ein; Probleme der verteilten Programmierung werden nicht
betrachtet.
In diesem Buch betrachten wir neben dem klassischen Gebiet Rechnemetze teilweise auch
Bereiche, die eher der Telekommunikation zuzuordnen sind. Dieses rechtfertigt sich vor
allem aus dem Entwicklungsstand der Technik, da diese beiden Gebiete immer enger
zusammenwachsen. Dariiber hinaus spielen bei der Ubermittlung von Daten heute die
digitalen offentlichen Netze, insbesondere das ISDN-Netz, eine immer bedeutendere
Rolle, so daB ohne ein Grundverstandnis der Verfahren und Methoden der Telekommu
nikation keine groBflachigen Rechnemetze aufgebaut werden konnen.
Das Gebiet Rechnemetze und Telekommunikation umfaBt einen sehr groBen Bereich von
technischen (Elektrotechnik, Lichtwellenleiter), theoretischen (Theorie der Fehlersiche
rung, Kodierungstheorie, W arteschlangentheorie), juristischen (Datenschutz, offentliche
Datennetze) und praktischen Fragen (Erstellung von Kommunikationssoftware,
Betriebsaspekte von Rechnemetzen). Dieser Breite der notwendigen Untersuchungen ist
in der Regel nicht mit einem einheitlichen, geschlossenen formalen Konzept beizu
kommen, so daB das Thema Rechnemetze einen ingenieursmaBigen Ansatz verlangt, und
daher auch von uns mit eher pragmatischen Methoden in Angriff genommen wird;
dennoch scheuen wir uns nicht, wo notig auch mathematische oder andere formale
Techniken vorzustellen und anzuwenden.
Ein Manuskript des Titels Rechnemetze diente als Unterlage zu den Vorlesungen Rechner
netze I, Rechnemetze II und "Grundlagen der praktischen Informatik". Es wurde im SS
1992 an der Universitat Oldenburg unter Mitarbeit von Dipl.-Inform. M. Stadler, Dipl.
Inform. M. Krippendorf und Frau M. Brandes-Bruns begonnen, denen wir an dieser
Stelle unseren herzlichen Dank dafiir aussprechen. 1m April 1993 wurde es korrigiert und
erweitert. Die Autoren danken den Koreferenten, Herrn Dipl.-Inform. M. Stadler, Herrn
Dipl.-Inform. M. Krippendorf und Herrn Dipl.-Inform. K. Beckmann filr die kritische
Durchsicht und die konstruktiven Anregungen. Frau M. Brandes-Bruns gilt unser Dank
fUr die sorgfliltige editorische Bearbeitung.
Oldenburg, Juli 1994 W. Kowalk, M. Burke
Inhaltsverzeichnis
Vorwort ....................................................................................................... 3
Inhaltsverzeichnis ........................................................................................ 5
1 Ubersicht ............................................................................................... 15
1.1 Informatik und Kommunikation .................................................................. 16
1.2 Zielsetzungen der Kommunikationstechnik ................................................ 17
1.3 Geschichte der Rechnernetze ....................................................................... 18
1.4 Einsatzgebiete von Rechnernetzen .............................................................. 19
1.5 Klassifizierung von Rechnersystemen und -netzen ..................................... 19
1.6 Architektur von Kommunikationssystemen ................................................ 22
1.7 Routing und FluBkontrolle ........................................................................... 27
1.8 Leistungsbewertung ..................................................................................... 29
1.9 Internationale Datennetze ............................................................................ 30
1.10 Netzwerkmanagement. ................................................................................. 31
2 Grundlegende Begriffe .......................................................................... 33
2.1 Entfernung .................................................................................................... 33
2.2 Anwendungen .............................................................................................. 34
2.2.1 Lastverbund ...................................................................................... 34
2.2.2 Leistungsverbund .............................................................................. 34
2.2.3 Kommunikationsverbund ................................................................. 35
2.2.4 Datenverbund .................................................................................... 36
2.2.5 Wartungsverbund .............................................................................. 37
2.2.6 Funktionsverbund ............................................................................. 37
2.2.7 Kapazitatsverbund ............................................................................ 38
2.3 Ubertragungstechnik .................................................................................... 38
2.3.1 Vermittlungsnetze, Rundsendesysteme ............................................ 39
2.3.2 Leitungsvermittlung, Speichervermittlung ....................................... 39
6 Inhaltsverzeichnis
2.3.3 Verbindungslose und verbindungsorientierte Kommunikation ....... .40
2.3.4 Dbertragungsmedien ......................................................................... 40
2.3.5 Basisband-und Breitbandnetze ......................................................... 42
2.4 Dbertragungswege ........................................................................................ 42
2.4.1 Offentliche Netze .............................................................................. 42
2.4.2 Private Netze ..................................................................................... 43
2.4.3 Elektrische Netze .............................................................................. 43
2.4.4 Lichtwellenleiter ............................................................................... 43
2.4.5 Satellitennetze ................................................................................... 44
2.4.6 Funknetze .......................................................................................... 44
2.5 Protokolle ..................................................................................................... 44
2.6 Topologie ..................................................................................................... 44
2.6.1 Busnetze ............................................................................................ 44
2.6.2 Ringnetze .......................................................................................... 46
2.6.3 Sternnetze .......................................................................................... 46
2.6.4 Vollvermaschte Netze ....................................................................... 46
2.6.5 Gekoppelte Netze .............................................................................. 47
2.6.6 Backbone-Netze ................................................................................ 47
2.7 Kopplung von Rechnernetzen ..................................................................... .47
2.7.1 Repeater ............................................................................................ 48
2.7.2 Bridge ................................................................................................ 48
2.7.3 Router ................................................................................................ 48
2.7.4 Gateway ............................................................................................ 48
3 Technische Grundlagen ......................................................................... 49
3.1 Bemerkungen zur Informationstheorie ......................................................... 49
3.2 Zedegung analoger Funktionen in Oberwellen ........................................... 50
.. - 3.3 Physikalische Grundlagen ............................................................................ 53
3.3.1 Geschichte der N achrichteniibertragung ........................................... 53
3.3.2 Grenzen elektrischer Systeme ........................................................... 54
3.3.3 Lichtwellenleiter ............................................................................... 57
3.4 Dbertragung von Information ....................................................................... 60
3.4.1 Storungsursachen fUr Signale ........................................................... 60
3.4.2 Normung elektrischer Verbindungen ................................................ 63
3.4.3 Modulationsverfahren ....................................................................... 64
3.4.4 MODEMs .......................................................................................... 65
3.4.5 Digitale Dbertragung analoger Signale ............................................. 67
3.5 Informationsiibertragungsmodell ................................................................. 69
3.6 Zur Ausnutzung von Kanalen ...................................................................... 70
,,\;\
4 Leitungskodierung ................................................................................. 73
4.1 Grundsatzliches zur Kodierungstechnik ....................................................... 73
Inhaltsverzeichnis 7
4.2 Betriebsarten ................................................................................................ 75
4.3 Ubertragungsprozeduren .............................................................................. 76
4.3.2 Asynchrone Dbertragungsprozeduren .............................................. 77
4.3.1 Synchrone Ubertragungsprozeduren ................................................ 78
4.4 Ubertragungscodes ....................................................................................... 81
4.4.1 Eigenschaften von Ubertragungscodes ............................................. 81
4.4.2 Non-Return-to-Zero .......................................................................... 83
4.4.3 Return-to-Zero .................................................................................. 83
4.4.4 Non-Return-to-Zero-Mark ................................................................ 84
4.4.5 Bi-Phase ............................................................................................ 85
4.4.6 Bi-Phase-Mark ................................................................................ 85
4.4.7 Differential Bi-Phase ........................................................................ 85
4.4.8 Delay-Mark ....................................................................................... 85
4.4.9 Bi-Puls .............................................................................................. 85
4.4.10 Alternating Mark Insertion (AMI) ................................................. 86
4.5 Gruppenkodierung ....................................................................................... 86
4.5.1 Paired Selected Ternary .................................................................... 86
4.5.2 4 Binary, 3 Ternary ........................................................................... 87
4.5.3 AMI-Kodierung ................................................................................ 88
5 Fehlererkennung .................................................................................... 91
5.1 Entstehung von Fehlern ............................................................................... 91
5.2 Fehlerbeschreibung ...................................................................................... 92
5.3 Fehlerentdeckung durch Redundanz ............................................................ 94
5.4 Fehlerkorrigierende Codes ........................................................................... 96
5.5 Fehlererkennung durch Paritatsprtifung ..................................................... 100
5.6 Zyklische Redundanzprtifung (CRC) ........................................................ 104
5.6.1 Zur Darstellung von Bitfolgen durch Polynome ............................ 105
5.6.2 Das CRC-Verfahren zur Fehlererkennung ..................................... 107
5.6.3 Definition und Eigenschaften von Bitfilter .................................... 108
5.6.4 Eigenschaften einiger Generatorpolynome .................................... 111
5.7 Implementierung der Polynomdivision ...................................................... 112
6 Leitungsprotokolle .............................................................................. 115
6.1 Einfache Leitungsprotokolle ...................................................................... 115
6.1.1 Echo-Uberwachung ........................................................................ 117
6.1.2 Sende-und-W arte-ARQ-Protokoll .................................................. 118
6.l.3 Leistungsbewertung des ARQ-Protokolls ...................................... 123
6.1.4 Kontinuierliches ARQ .................................................................... 126
6.2 BSC-Leitungsprotokolle ............................................................................ 128
6.3 Weitere Leitungsprotokolle ....................................................................... 131
6.3.1 Das HASP-Protokoll ....................................................................... 131
8 lnhaltsverzeichnis
6.3.2 ARPANET ...................................................................................... 131
6.3.3 Digital's DDCMP ............................................................................ 132
6.4 Das HDLC-LAPB-Leitungsprotokoll ........................................................ 133
6.4.1 Modell und Aufgaben des HDLC-LAPB-Leitungsprotokolls ........ 134
6.4.2 Der Aufbau der B10cke ................................................................... 134
6.4.3 Die Verbindungsauf-und -abbauphasen ......................................... 137
6.4.4 Die Datenphase ............................................................................... 138
7 Medienzugangskontrolle ..................................................................... 141
7.1 Zuteilungsstrategie ..................................................................................... 143
7.1.1 Feste und variable Zuteilungsstrategien .......................................... 143
7.1.2 Dezentrale Zuteilungsprotokolle ..................................................... 145
7.1.3 Zentrale Zuteilung durch Polling .................................................... 147
7.1.4 Dezentrale Zuteilung durch Token ................................................. 148
7.2 Zufallsstrategie ........................................................................................... 154
7.2.1 ALOHA ........................................................................................... 154
7.2.2 CSMA ............................................................................................. 156
7.2.3 CSMNCD ...................................................................................... 157
8 Das FDDI-Protokoll ............................................................................ 161
8.1 Ubersicht .................................................................................................... 161
8.2 FDDI-Stationstypen ................................................................................... 163
8.3 Topologie eines FDDI-Netzes .................................................................... 164
8.4 Reaktionen im Fehlerfall.. .......................................................................... 166
8.5 Der PMD Layer .......................................................................................... 167
8.6 Der PHY Layer ........................................................................................... 167
8.6.1 Signalkodierung .............................................................................. 167
8.6.2 Technischer Aufbau ........................................................................ 170
8.7 Der MAC Layer ......................................................................................... 174
8.7.1 FDDI-Prokolldateneinheiten ........................................................... 174
8.7.2 Das Timed-Token Rotation Protokoll ............................................. 176
8.8 Der SMT Layer .......................................................................................... 180
8.8.1 Das Connection Management ......................................................... 182
8.8.2 Das Ring Management. ................................................................... 186
8.8.3 Frame-Based Management Protocols ............................................. 189
8.9 Zusammenfassung ...................................................................................... 192
9 Vennittlungsprotokolle ....................................................................... 193
9.1 Einleitung ................................................................................................... 193
9.1.1 Dienste zur Vermittlung von Daten ................................................ 194
9.1.2 Die Funktionen der Vermittlungsschicht im X.25-Protokoll .......... 194
9.1.3 Die Funktionen der Vermittlungsschicht im Internet Protokoll ..... 195