Grundlagen Computernetze


Prof. Jürgen Plate

Ausgewählte Protokolle

SMTP - Simple Mail Transfer Protocol

Der ursprüngliche Standard für SMTP - niedergelegt im RFC 821 - stammt aus dem Jahr 1982 und gilt, abgesehen von einigen Erweiterungen, nach wie vor. Dieser RFC 821 legte ein Minimum an Schlüsselworten fest, die jede Implementation von SMTP (d. h. die Verkörperung von SMTP in einem Programm) beherrschen muß. Dies sind:

Die Verbindung eines MTA zu einem anderen läßt sich nachstellen: 

        telnet lx-lbs.e-technik.fh-muenchen.de smtp
        Trying 129.187.106.196...
        Connected to lx-lbs.e-technik.fh-muenchen.de.
        Escape character is '^]'.
        220 lx-lbs.e-technik.fh-muenchen.de Smail3.1.28.1 #1 ready at Sun, 25 Feb 96 23:15 MET
        helo www.fitug.de
        250 lx-lbs.e-technik.fh-muenchen.de Hello www.fitug.de
        mail from: paulsen@fitug.de
        250  ... Sender Okay
        rcpt to: holm@lx-lbs.e-technik.fh-muenchen.de
        250  ... Recipient Okay
        data
        354 Enter mail, end with "." on a line by itself
        Hallo Holm,
        
        zu Deiner Frage bezeglich der Reinigung von Morgensternen
        wollte ich Dir nur den Tip geben, dazu reine Kernseife zu
        verwenden.
        Damit ist die Drecksarbeit im Handumdrehen erledigt.
        
        Beste Gruesse, Paulsen
        .
        250 Mail accepted
        quit
        221 lx-lbs.e-technik.fh-muenchen.de closing connection
        Connection closed by foreign host.

Beim Verbindungsaufbau meldet sich der lokale MTA mit einer "Begrüßungszeile". Der lokale empfangende MTA wird mit "HELO" angesprochen und als sendender MTA der des Systems www.fitug.de angegeben. Der lokale MTA antwortet mit einem Zahlencode, der dem Sender-MTA signalisiert, daß seine geforderte Aktion in Ordnung geht. Die Klarschrift nach dem Zahlencode dient nur der besseren Lesbarkeit für den Menschen (z. B. für den, der Fehler suchen muß). Auf "MAIL FROM:" folgt die Adresse des Absenders, und auf "RCPT TO:" die des Empfängers. Auf das Schlüsselwort "DATA" folgt schließlich der ganze Brief, also sowohl die Kopfzeilen, als auch der Text. Der Empfänger-MTA wird solange Text erwarten, bis ihm der Sender-MTA über eine Zeile, die nur einen Punkt enthält, signalisiert, daß der Brief zu Ende ist. Nach der letzten Bestätigung des Empfänger-MTAs könnte der Sender den nächsten Brief übermitteln, wiederum beginnend mit "MAIL FROM:". Nach dem Empfang des Briefes kopiert der lokale MTA den Brief in die Postfach-Datei des Empfängers.

Der RFC 821 legte noch einige weitere Schlüsselworte fest, z. B. "EXPN" für expand, welches eine Unterstützung von Mailing-Listen erlaubt, oder "VRFY" für verify, mittels dessen eine Bestätigung der Empfänger-Adresse gefordert werden kann. Eine ganze Reihe von RFCs haben den Standard für SMTP erweitert. Die erweiterte Version heißt nun offiziell ESMTP (für Extended SMTP). Hinzugekommen sind beispielsweise Schlüsselworte für die Unterstützung von 8bit-Briefen (z. B. solche mit Umlauten), und die Möglichkeit eine maximale Größe für Briefe, die empfangen werden, festzulegen.

SNMP - Simple Network Management Protocol

Der SNMP-Namensraum

Der SNMP-Datenraum ist zumindest theoretisch universell und erweiterbar. Große Teile sind für zukünftige Erweiterungen reserviert, und die herstellerspezifischen Ergänzungen sind lokalisiert und werden überwacht, um Konflikte zu vermeiden.

Das grundlegende Format des Namensraums heißt SMI (Structure of Management Information) und ist in RFCI155 beschrieben.

Das SMI spezifiziert eine Hierarchie, die einem Dateisystem sehr ähnlich ist. Hier wird jedoch ein Punkt als Trennzeichen verwendet und jeder Knoten erhält statt eines Namens eine Nummer. Konventionsgemäß erhalten die Knoten für den einfacheren Zugriff auch Namen, aber das dient eigentlich nur der Bequemlichkeit und ist keine Eigenschaft der Hierarchie.

Der Pfad zu einem Knoten heißt OID (Object Identifier). Die grundlegenden Datentypen für einen SMI-Knoten können Integer, Strings und Null beinhalten. Sie können in Folgen grundlegender Typen kombiniert werden, und eine Folge kann wiederholt aus einer Tabelle instantiiert werden.

Die Wurzel einer SMI-Hierarchie teilt sich auf in einen Unterbaum, der vom CCITT verwaltet wird, einem Unterbaum, der von der ISO verwaltet wird, und einem Unterbaum, der zusammen von ISO und CCITT verwaltet wird. Diese Bäume haben die Nummern 0, 1 und 2 mit den logischen Namen 'ccitt', 'iso' und 'joint-iso-ccitt'.

MIBs - Management Information Bases

Der eigentliche Inhalt des Namensraums setzt sich aus den sogenannten MIBS (Management Information Bases) zusammen, die die verschiedenen Daten-Domains beschreiben, auf die über SNMP zugegriffen werden kann. Die obersten Ebenen der SMI-Hierarchie werden für die Zuweisung der Berechtigungen an einzelne Gruppen verwendet und enthalten in der Regel keine sinnvollen Daten. Erst mit OID iso.org.internet.dod.mgmt (numerisch 1.3.6.1.2) erscheinen administrierbare Objekte für TCP/IP.

Die grundlegende SNMP MIB für TCP/IP (MIB-I) wurde in RFC1066 spezifiziert und beschreibt den Zugriff auf grundlegende Verwaltungsdaten: Informationen über das System, seine Schnittstellen, Adreßumformung und Protokolloperationen (IP, ICMP, TCP, UDP und EGP). Später wurde eine vollständigere Überarbeitung dieser MIB bereitgestellt, MIB-II, die in RFC1213 definiert ist. Die meisten Hersteller, die einen SNMP-Server anbieten, unterstützen auch MIB-II. Beispiele für Konten aus dem MIB-II-Namensraum finden Sie in der folgenden Tabelle aufgelistet.

Neben den grundlegenden MIBS gibt es MIBS für spezielle Hardware-Schnittstellen und Protokolle. Es gibt MIBS für einzelne Hersteller und für bestimmte HardwareProdukte. RFCI155 spezifiziert die Regeln und Prozeduren für die Installation einer neuen MIB in der Hierarchie.
Eine MIB ist nur eine Konvention für die Namensgebung von Verwaltungsdaten. Entsprechender Backup-Code muß Zugriff auf diese Daten bereitstellen, wenn er sinnvoll sein soll. Code für die grundlegenden MIBS ist in den meisten SNMP-Servern enthalten. Einige davon können für die Aufnahme weiterer MIBS ergänzt werden, andere dagegen nicht.

OID

Typ

Inhalt

system.sysDescr

text

Systeminformation: Hersteller, Modell, Betriebssystemtyp usw.

system.sysLocation

text

Physische Position der Tabelle

system.syscontact

text

Kontaktinformation für den Eigentümer der Maschine

system.sysName

text

Systemname; in der Regel der vollständige DNS-Name

interfaces.ifNumber

int

Anzahl der vorhandenen Netzwerkschnittstellen

interfaces.ifTable

table

Tabelle der Info-Bits jeder Schnittstelle

ip.ipforwarding

int

1, falls es sich bei dem System um einen Verbindungsrechner handelt, andernfalls 2

ip.ipAddrTable

table

Tabelle der IP-Adressierungsdaten (Masken usw.)

ip.ipRouteTable

table

Die Routing-Tabelle des Systems

icmp.icmpInRedirects

int

Anzahl der empfangenen ICMP-Umleitungen

icmp.icmpInEchos

int

Anzahl der empfangenen pings

tcp.tcpConnTable

table

Tabelle der aktuellen TCP-Verbindungen

udp.udpTable

table

Tabelle der UDP-Sockets und der entsprechenden Server

SNMP-Protokolloperationen

Es gibt nur vier grundlegende Operationen, die für den SMI-Namensraum definiert sind: get, get-next, set und trap. Beachten Sie, daß es keine Möglichkeit gibt, sich durch den Namensraum zu bewegen oder ihn zu erkunden. Jede Anfrage muß einen vollständigen Pfad für die erwünschten Daten enthalten.
Get und set sind die grundlegenden Operationen zum Lesen und Schreiben von Daten auf einem Knoten der SMI-Hierarchie. Get-next liest den Inhalt von Tabellen, wobei für jede Anforderung eine Tabellenzeile zurückgegeben wird.

Ein Trap ist eine nicht angeforderte Benachrichtigung vom Server zum Client, die über das Auftreten eines interessanten Ereignisses oder einer Bedingung informiert.
Es gibt mehrere Standard-Traps, unter anderem die Benachrichtigung 'Ich wurde soeben hochgefahren', Traps, die Fehler oder Wiederbelebungen von Netzwerkverbindungen anzeigen, sowie für verschiedene Routing- und Authentifizierungsprobleme. Viele andere Traps, die keinem Standard entsprechen, sind ebenfalls weit verbreitet, unter anderem zur Beobachtung bestimmter SNMP-Variablenwerte und zum Auslösen einer Nachricht, wenn ein bestimmter Wertebereich überschritten wird. Der Mechanismus zur Spezifikation der Ziele von Trap-Nachrichten hängt von der Server-Implementierung ab.

Weil SNMP-Nachrichten möglicherweise Konfigurationsinformationen modifizieren, benötigt man einen Sicherheitsmechanismus. Leider beinhaltet Version 1 des SNMP-Standards nur eine minimale Sicherheitsumgebung. Das Konzept einer SNMP-'Gemeinde' ist definiert. Dabei handelt es sich im wesentlichen um eine Rolle, die ein Client beim Lesen oder Schreiben von Daten annimmt. Der Gemeinde-Name ist also mehr oder weniger ein Paßwort. Mitte 1993 wurde in den RFCS 1441 bis 1452 Version 2 des SNMP-Standards eingeführt. Unter anderem gibt es dort ein spezifischeres Sicherheitsmodell und Tabellen können als Ganzes gelesen werden. Darüber hinaus werden neue Versionen des SMI und grundlegender MIBS bereitgestellt. Verwechseln Sie das SNMP-Protokoll Version 2 nicht mit MIB-II.

Die SNMP-Dokumentationsflut

Es gibt über 54 RFCS für SNMP, wobei die Aktualisierungen oder Ergänzungen noch nicht einmal berücksichtigt sind. Um Ihnen einen Überblick über diese Informationsflut zu verschaffen, sind die wichtigsten RFCS unten aufgelistet. Veraltete RFCS sind dabei nicht aufgelistet, aber häufig gibt es in der Dokumentation Verweise darauf.

RFC Datum Titel (übersetzt, gekürzt)
1155 5/90 SMI für TCP/IP-basierte Internets
l157 5/90 SNMP (Simple Network Management Protocol)
1212 3/91 Konkrete MIB-Definitionen
1213 3/91 MIB für die Verwaltung TCP/IP-basierter Internets: MIB-II
1351 7/92 SNMP, Administratives Modell
1352 7/92 SNMP-Sicherheitsprotokolle
1441 5/93 Einführung in Version 2 von SNMP
1442 5/93 SMI für Version 2 von SNMP
1443 5/93 Textuelle Konventionen für Version 2 von SNMP
1445 5/93 Administratives Modell für Version 2 von SNMP
1446 5/93 Sicherheitsprotokolle für Version 3 von SNMP
1450 5/93 MIB für Version 2 von SNMP
1452 5/93 Nebeneinander der Versionen 1 und 2 von of SNMP
1470 6/93 FYI für einen Katalog für Werkzeuge zur Netzwerkverwaltung
1503 8/93 Algorithmen für die Automatisierung der Administration in SNMP V2-Managern
1592 3/94 SNMP Schnittstelle für die verteilte Schnittstelle, Version

Darüber hinaus sind zahlreiche MIBS für spezielle Gerätetypen und Protokolle in den RFCS gezeigt.

Es gibt kaum kostenlose SNMP-Clients. Einige einfache Utilities für die Verwaltung einzelner Maschinen sind von CMU erhältlich. Leider verkaufen die meisten Hersteller die SNMP-basierte Netzwerkverwaltungssoftware als separates Produkt und haben somit nicht vor, Ihnen kostenlos etwas zur Verfügung zu stellen.

HTTP - Hypertext Transfer Protocol

HTTP ist ein Protokoll der Applikationsschicht, das alle Möglichkeiten der Übertragung von Hypermedia-Informationen bietet. HTTP ist nicht Hardware- oder Betriebssystemabhängig. Seit 1990 ist dieses Protokoll im Einsatz und wird derzeit meist In der Version 'HTTP/1.0' verwendet.

Heutige Informationssysteme benötigen weit mehr Funktionen als das einfache Senden und Empfangen von Nachrichten. Die Entwicklung von HTTP/1.0 ist nicht abgeschlossen. Es bietet die Möglichkeit, weitere Funktionalität zu entwickeln. Die Adressierung von Ressourcen erfolgt dabei mittels URLs, die zum einen Orte (URL) oder Bezeichner (URN) sein können. Diese zeigen gleichzeitig den gewünschten Übertragungsmechanismus an. Nachrichten werden in der gleichen Form übertragen, wie sie auch bei normalem Mail-Transport verwandt werden. Dabei kommt oft MIME zum Einsatz. HTTP/1.0 ist auch für den Zugriff auf Server mit anderen Protokollen geeignet. So ist es WWW-Clients möglich, mit Servern und Gateways per SMTP, NNTP, FTP, Gopher und WAIS zu kommunizieren.

Hauptfunktionen des HTTP

Die grundlegende Funktionsweise des HTTP folgt dem alten Frage-Antwort-Spiel. Ein fragendes Programm (WWW-Browser) öffnet eine Verbindung zu einem Programm, welches auf Fragen wartet (WWW-Server) und sendet ihm die Anfrage zu. Die Anfrage enthält, die Fragemethode, die URL, die Protokollversion, Informationen über den Dienst und möglicherweise etwas Inhalt in Form einer Nachricht. Der Server antwortet auf diese Frage mit einer Statusmeldung, auf die eine MIME-artige Nachricht folgt, die Informationen über den Server und eventuell schon das gefragte Dokument enthält.

Direkt nach Beantwortung der Frage wird die Verbindung wieder abgebaut. So soll erreicht werden, daß die Leitungskapazitäten geschont werden. Derzeit finden HTTP-Verbindungen meist per TCP/IP statt. Das soll aber nicht heißen, daß HTTP nicht auch auf anderen Netzwerkprotokollen aufsetzen kann. Beide Seiten müssen auch dazu in der Lage sein, auf den vorzeitigen Abbruch der Kommunikation durch die andere Seite zu reagieren. Vorzeitiger Abbruch kann durch Aktionen von Benutzern, Programmfehler oder Überschreiten der Antwortzeiten ausgelöst werden. Durch den Abbruch der Verbindung durch eine der beiden Seiten wird der gesamte Vorgang abgebrochen.

Struktur der HTTP-Botschaften

Jede Kommunikation zwischen zwei WWW-Programmen besteht aus HTTP-Botschaften, die in Form von Anfragen und Antworten zwischen Client und Server ausgetauscht werden. Eine HTTP-Botschaft (HTTP-Message) kann entweder ein Simple-Request, eine Simple-Response, ein Full-Request oder eine Full-Response sein. Die beiden zuerst genannten Botschaftstypen gehören zum HTTP/0.9-Standard. Die beiden letzten Typen gehören schon zum HTTP/1.0.

Allgemeinfelder des Botschaftskopfes

Jedes der Felder eines HTTP-Botschaftenkopfes weist die gleiche Struktur auf. Im RFC 822 wurde definiert, daß jedes Feld mit einem Feldnamen und dem Feldinhalt erscheint. Auf den Feldnamen muß unbedingt ein Doppelpunkt folgen. Der Feldname kann alle Zeichen außer dem Doppelpunkt und der Escape-Sequenzen enthalten. Allgemeinfelder enthalten Informationen wie das Datum, die Message-ID, die verwendete MIME-Version und ein 'forwarded'-Feld, das angibt, ob das Dokument eigentlich von einer anderen Adresse stammt.

Anfragen

Bei Anfragen wird zwischen einfachen und komplexen Anfragen unterschieden. Eine einfache Anfrage besteht nur aus einer Zeile, die angibt, welche Information gewünscht wird. Ein Beispiel: 

     GET http://www.fitug.de/index.html

Dabei wird nur die Methode (GET) und die URL des Dokumentes angegeben. Es werden keine weiteren Felder erwartet und vom adressierten Server wird auch nur ein ganz einfacher Antwortkopf zurückgesendet. Es kann aber auch eine komplexere Anfrage erzeugt werden. Dabei muß die Zeile aus dem obigen Beispiel noch die Version des HTT-Protokolls angehängt werden. In einem Beispiel würde das folgendermaßen aussehen: 

     GET http://www.fitug.de/index.html HTTP/1.0

Die Anfügung der HTTP-Version ist also der ganze Unterschied zwischen einer einfachen und einer komplexen HTTP-Anfrage. Der Unterschied zwischen einfacher und komplexer Anfrage wird aus Gründen der Kompatibilität gemacht. Ein Browser, der noch das alte HTTP/0.9 implementiert hat, wird nur eine einfache Anfrage losschicken können. Ein neuer Server muß dann eine Antwort, auch im Format des HTTP/0.9 zurücksenden.

Felder einer komplexen Anfrage

Um die Anfrage näher zu spezifizieren, wurden weitere Felder eingeführt. In den Anfragefeldern stellen z. B. Informationen über den Server und den benutzten Browser. Weiterhin kann man dort Informationen über den Gegenstand der Übertragung bekommen. In der folgenden kurzen Übersicht sind alle möglichen Felder einer Anfrage aufgeführt.

Fragemethoden

Das an erster Stelle in einer Anfragezeile (Request-Line) stehende Wort beschreibt die Methode, die mit der nachfolgenden URL angewendet werden soll. Die Methodennamen müssen dabei immer groß geschrieben werden. Der Entwurf des HTTP-Standards erlaubt leicht eine Erweiterung. Kommen wir nun zur Bedeutung der einzelnen Methoden. 

·                     GET http://www.fitug.de/index.html

Beispiel einer Konversation

Benutzereingaben werden kursiv geschrieben. 

 
   telnet www.fitug.de 80
   Trying 129.187.206.221...
   Connected to fitug.fitug.de.
   Escape character is '^]'.
   GET index.html HTTP/1.0
   Accept: text/html
 
   HTTP/1.0 403 Forbidden - by rule
   MIME-Version: 1.0
   Server: CERN/3.0
   Date: Wednesday, 08-Oct-97 08:32:47 GMT
   Content-Type: text/html
   Content-Length: 193
 
   <HTML>
   <HEAD>
   <TITLE>Error</TITLE>
   </HEAD>
   <BODY>
   <H1>Error 403</H1>
 
   Forbidden - by rule
 
   <P><HR><ADDRESS><A HREF="http://info.cern.ch/httpd_3.0/">CERN httpd 3.0</A></ADDRESS>
   </BODY>
   </HTML>
Connection closed by foreign host.

Übertragungsmedien für Weitverkehrsnetze

Datex-Netz

DATEX-L

DATEX ist eine Abkürzung für "Data Exchange" (Datenaustausch). Das L sagt aus, daß es sich um ein leitungsvermitteltes Netz handelt, d. h. es wird ein Leitungsweg zwischen zwei Kommunikationspartnern zur Verfügung gestellt. Beide Partnerstationen müssen in Datenrate, Code und Protokoll übereinstimmen. Der Vorteil gegenüber dem Telefonnetz liegt im schnellen Verbindungsaufbau (0.4 - 1 Sekunde). Da heute Datex-L keine Vorteile mehr gegenüber ISDN hat, ist Datex-L ein auslaufendes Modell.

DATEX-P

Das P steht für "Paket-Vermittlung". Die Daten werden in Form genormter und mit Adressinformation versehener Datenblöcke (Datenpakete) übertragen. Stationen, die nicht zur Paketübertragung in der Lage sind, werden über einen Umsetzer (PAD = Packet Assembly Disassembly) versorgt. Die angeschlossenen Stationen können mit unterschiedlichen Datenraten arbeiten. Die Paketübertragung selbst erfolgt im Netz mit 64 KBit/s, wobei derzeit das Netz auf 1,92 MBit/s ausgebaut wird. Jedes Datenpaket wird auf dem günstigsten Weg ohne Rücksicht auf die logische Reihenfolge übertragen. Zwischen zwei über DATEX-P verbundenen Partnern können u. U. mehrere Übertragungswege existieren. Beim Empfänger wird die korrekte Reihenfolge der Pakete wiederhergestellt.

Frame Relay

Frame-Relay stellt eine Fortentwicklung von Datex-P dar. Es werden unter anderem die ausgefeilten Mechanismen zur partiellen Fehlerkorrektur vereinfacht, da inzwischen die Leitungswege eine geringere Bitfehlerrate und höhere Verfügbarkeit besitzen. Zudem werden Fehlerschutzmaßnahmen und Sequenzkontrolle auf höheren Protokollebenen sowieso durchgeführt. Durch das einfachere Protokoll werden Hard- und Softwareaufwand in den Netzknoten reduziert. In den USA werden Frame-Relay-Netze mit bis zu 45 MBit/s betrieben.

Während das Datex-Netz bis zur Schicht 3 hinauf definiert ist, umfaßt der Standard von Frame-Relay nur noch die Schichten 1 und 2. Die Eigenschaften in Stichpunkten:

FPS

FPS (fast packet switching) ist ein schneller Paketvermittlungsdienst, bei dem Rahmen fester Länge vermittelt werden. Die Rahmen werden auch als Zellen bezeichnet, man spricht von Zellenvermittlung (cell switching). ATM basiert auf FPS. FPS zeichnet sich durch eine variable Bandbreitenzuordnung aus. Nur die Informationen im Informationsteil (Header) der Zellen sind mit einer Fehlererkennung ausgestattet. Die Zellen werden wie bei ATM über virtuelle Verbindungen durch das Netz übertragen (zu virtuellen Verbindungen siehe 'ATM'). Zellen werden ununterbrochen generiert und übertragen, nicht belegte Zellen werden im Header als 'leer' gekennzeichnet.

ATM

ATM steht für asynchronous transfer mode = asynchrone Übertragungsart. Diese Hochgeschwindigkeits-Paketvermittlung wurde für Breitband-ISDN (B-ISDN) als Vermittlungstechnik entwickelt und ist für Daten, Sprache, Text und Bilder gleichermaßen geeignet. Es gilt als die Technologie der Zukunft. ATM basiert auf FPS (fast packet switching). Dabei werden die Daten zu Paketen zusammengefaßt und zum Ziel geroutet. Das zuständige Normungs- und Standardisierungsgremium ist nicht das IEEE, sondern das ATM-Forum. Im folgenden soll die Funktion von ATM vereinfacht dargestellt werden. ATM arbeitet verbindungsorientiert, d. h. vor der Übertragung muß eine Verbindung erst geschaltet werden. Wie bei der klassischen Telefontechnik wird die Verbindung "irgendwie" geschaltet; wenn der kürzeste Weg bereits ausgelastet ist, wird ein Ausweichweg verwendet (salopp gesagt: Wenn die Strecke Nürnberg-München ausgelastet ist, wird eben der Weg Nürnberg-Flensburg-München gewählt).

Im Kontrollfeld (Header) werden auch keine expliziten Quell- und Zieladressen angegeben, sondern ein virtueller Pfad und ein virtueller Kanal.
Ein virtueller Pfad (virtual path, VP) ist eine für kurze Zeit geschaltete Verbindung, die während ihrer Existenz so aussieht wie eine richtige Festverbindung (Standleitung). Dieser geschaltete Weg durch das Netz wird als virtuell bezeichnet, weil er nicht permanent fest geschaltet ist, sondern nur für die kurze Zeit der Datenübertragung.
Zur Kennzeichnung wird ihr ein VPI (virtual path identifier) als Bezeichnung zugeordnet. Ein virtueller Kanal (virtual channel, VC) ist ein Übertragungskanal, der genau wie der virtuelle Pfad nur während der Datenübertragung existiert. Zur Kennzeichnung wird ihm ein VCI (virtual channel identifier) als Bezeichnung zugeordnet.
Ein virtueller Pfad besteht aus mehreren virtuellen Kanälen, komplexe Anwendungen können mehrere virtuelle Kanäle gleichzeitig belegen. Die klassischen Standleitungen enthalten ebenfalls mehrere Übertragungskanäle, doch können die virtuellen Kanäle bei ATM die virtuellen Pfade (Leitungen) wechseln. Wenn beispielsweise zwei virtuelle Kanäle auf Pfad 1 ankommen, kann Kanal 1 durchaus auf Pfad 2 und Kanal 2 auf Pfad 1 zum selben Zielnetz geschaltet werden.

Bei der Wegewahl wird eine einfache Art des Routings verwendet, um die Datenpakete durch das Netz zu senden. Der Weg, den das Datenpaket durch das ATM-Netz zurücklegt, besteht dabei aus drei Hauptabschnitten:

  1. Vom Absender zum Switch, an dem der Absender angeschlossen ist.
  2. Vermittlung innerhalb des ATM-Netzes von Switch zu Switch.
  3. Vom Switch, an dem der Empfänger angeschlossen ist, zum Empfänger.

Als Übertragungsverfahren wird bei ATM das Paketvermittlungsverfahren Cell Relay ("Zellenvermittlung") verwendet. Bei diesen Zellen handelt es sich um Rahmen fester Länge mit 5 Byte Header für Adressierung und Steueranweisungen sowie 48 Byte Nutzdaten, insgesamt also 53 Byte. Dabei wird zwischen zwei unterschiedlichen Zelltypen unterschieden.

Die Zellen werden von den Switches an den entsprechenden Trennstellen im ATM-Netz automatisch umgewandelt. Durch die sogenannte 'cell loss priority', die Verlustpriorität, wird festgelegt, welche Zellen auch bei sehr hoher Auslastung des Netzes noch unbedingt übertragen werden müssen (z. B. kritische Daten oder Synchronisationsanweisungen) und welche gegebenenfalls auch verloren gehen können (z. B. Bildinformation bei Bildtelefonie). Die Fehlerkontrolle bezieht sich nur auf den 5 Byte großen Header, nicht jedoch auf die Daten. Es ist ATM völlig egal, was übertragen wird, wichtig ist nur wohin und wie. Das ist auch ein Grund für die Schnelligkeit. Die wichtigsten Übertragungsraten sind 622 MBit/s (Lichtwellenleiter), 155 MBit/s (LWL und Kupferleitungen), 100 MBit/s (LWL und FDDI) und 26 MBit/s (Kupferleitungen).

ATM kann Datenströme unterschiedlicher Bitraten flexibel übertragen und vermitteln. Die Übertragungsrate ist skalierbar, d. h. Übertragungsbandbreite wird flexibel bereitgestellt. Jedem Endgerät kann statisch (also vorab) oder dynamisch (also bei konkretem Bedarf) Bandbreite zugewiesen werden, die Netzleistung wächst also mit. Durch die transparente Übertragung in den Zellen werden bei den Netzübergängen keine Gateways benötigt, um von LAN- auf WAN-Protokolle umzusetzen. ATM ist gleichermaßen für LANs, schnelle Backbones und WANs geeignet.

ATM ist verbindungsorientiert und baut immer eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung auf. Für eine Übertragung muß also immer eine Verbindung zwischen zwei Stationen geschaltet werden (ATM basiert auf der Vermittlungstechnik). Klassische LANS sind verbindungslos, jede Station ist zu jeder Zeit mit allen anderen Stationen fest verbunden, alle teilen sich dasselbe Übertragungsmedium. ATM als LAN (lokales ATM, L-ATM) benötigt eine LAN-Emulation. So entsteht ein virtuelles Netz, bei dem das ATM-Netz mehreren Teilnehmern (Geräte/Software) ein nichtexistierendes LAN vorspiegeln muß. Dabei sind verschiedene Ansätze allerdings noch in Diskussion. Diese LAN-Emulationen arbeiten alle auf Schicht 2 des ISO-Schichtenmodells, dadurch eignen sie sich für routebare und nicht routebare Protokolle gleichermaßen. Aufgrund der Punkt-zu-Punkt-Orientierung gibt es auch Schwierigkeiten bei Broadcasts. Abhilfe könnte hier dadurch geschaffen werden, daß Switches die Broadcasts kopieren und an angeschlossene Endgeräte leiten.

Beispiel zum ATM-Routing

Gegeben sei folgendes ATM-Netz. Die Rechner von Donald, Daisy, Dagobert und Gustav sind am Netz angeschlossen. Das Netz selbst besteht aus den Switches A bis F, die durch die Hochgeschwindigkeitsleitungen I bis VI untereinander verbunden sind.

Für die Vermittlungstechnik sind zwei Listen nötig:

Das Verzeichnis für unser Modell sieht dann so aus:

Name

Switch

Port

Dagobert

B

3

Daisy

A

2

Donald

A

1

Gustav

C

4

 

A

B

C

D

E

F

A

*

D

D

I

D

D

B

E

*

E

E

III

E

C

D

D

*

IV

D

V

D

I

E

IV

*

II

VI

E

D

III

D

II

*

D

F

D

D

V

IV

D

*

Fall 1: Donald will Verbindung zu Dagobert

Donald findet im Verzeichnis: Dagobert B 3. Der Verbindungsaufbau geht folgendermaßen vonstatten:

  1. Verbindung Donald - Switch A aufbauen
  2. Donald wählt 'B 3' an (womit für ihn der Fall erledigt ist)
  3. ATM-Netz baut Verbindung von Switch A zu Switch B auf:
  4. Switch B schaltet Port 3 zu Dagobert

Nun ist ein virtuelle Kanal von Donald zu Dagobert geschaltet: VCI = a. Der virtuelle Pfad ist: Donald, 1, A, I, D, II, E, III, B, 3, Dagobert. Die VPIs werden immer nur zwischen zwei Komponenten geschaltet:

Fall 2: Nun kommt Gustav auf die Idee, mit Donald Verbindung aufzunehmen.

Bei ATM können die Endgeräte mehrerer Kanäle nutzen und mehrere Verbindungen haben. Gustav findet im Verzeichnis: Donald A 1. Verbindungsaufbau:

  1. Verbindung Gustav - Switch C aufbauen
  2. Gustav wählt 'A 1' an
  3. ATM-Netz baut Verbindung von Switch C zu Switch A auf:
  4. Switch A schaltet Port 1 zu Donald

Nun ist ein virtuelle Kanal von Gustav zu Donald geschaltet: VCI = b. Der virtuelle Pfad ist: Gustav, 4, C, IV, D, I, A, 1, Donald

Übungen:

  1. Wie sähe die Verbindung Gustav - Donald aus, wenn die Leitung IV unterbrochen wäre?
  2. Welches Szenario ergibt sich, wenn nun noch Daisy mit Dagobert Verbindung aufnimmt?

Powerline Communications

die Stromleitung ist das Netzwerk

Powerline Communications erlaubt die Obertragung von Daten mit Geschwindigkeiten von mehr als einem Mbit/s bis zum Endbenutzer über das Niederspannungs-Energieverteilnetz. Mit dieser Übertragungstechnik wird eine echte Alternative für die sogenannte "Letzte Meile" geschaffen. Mit der Powerline Communications Systemlösung von Siemens können Energieversorgungsunternehmen (EVU) und Stadtwerke vor allem den privaten Stromkunden neue Dienste wie beispielsweise "Internet aus der Steckdose" sowie Energie- und Mehrwertdienste auf eigener Infrastruktur anbieten. Das Stromverteilnetz ist die weltweit größte flächendeckende Kabelinfrastruktur bis in jeden Haushalt. Die bisher ausschließlich für die Energieversorgung genutzte Verkabelung ist im deregulierten Telekommunikationsmarkt der Schlüssel für den direkten Zugang zum privaten Kunden. Die EVUs können ihr existierendes Stromnetz für neue Dienstangebote nutzen und sich dadurch neue Einnahmequellen erschließen. Auf Basis der PLC Kommunikationsinfrastruktur werden EVUs weitere Anwendungen zur Effizienzsteigerung (z.B. Lastmanagement) und zusätzliche Dienste (z.B. Security, Fernüberwachung) entwickeln und so ihre Wettbewerbsposition in deregulierten Energiemärkten verbessern. Im Unterschied zu anderen Lösungsansätzen ermöglicht die Powerline Communications Lösung von Siemens die Nutzung des Niederspannungsnetzes bis zur Steckdose im Haushalt. Über das Stromnetz können zusätzlich zur Energie gleichzeitig Daten und Sprache übertragen werden. Bitraten von mehr als einem Mbit/s machen aus jeder Steckdose einen leistungsfähigen Kommunikationsanschluß. In die Lösung ist ein intelligentes Bandbreitenmanagement implementiert, das ermöglicht, den Benutzern je nach Bedarf Bandbreite zur Verfügung zu stellen. Siemens entwickelte für Powerline Communications ein neues, für das besondere Übertragungsverhalten des Stromnetzes optimiertes Übertragungsverfahren. Das Verfahren (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) ermöglicht hohe Datenraten selbst bei starken Störungen auf dem Energienetz. Die Siemens AG, Bereich Information and Communication Networks und der Schweizer Hersteller von Telekommunikationsausrüstung Ascom wollen die Entwicklung der breitbandigen Powerline Communications (PLC)-Technik für den Einsatz auf dem Niederspannungsnetz gemeinsam weiter vorantreiben. Beide Unternehmen führen Gespräche, um offene Fragen für die Regulierung zu klären und Spezifikationen für gemeinsame Schnittstellen zu erstellen. Heute gibt es bereits erste Feldversuche und Labormuster für die neue Technik. Aus Kundensicht sind die derzeit auf dem Markt angebotenen proprietären Lösungen jedoch nicht zufriedenstellend. Denn ein breiter Einsatz dieser PLC-Technik wird heute weniger durch den noch frühen Entwicklungsstand, als durch die nicht vorhandene Kompatibilität der Lösungen behindert. Ascom und Siemens führen deshalb gemeinsame Gespräche mit dem Ziel, marktgerechte Produkte zu entwickeln und anzubieten. Themen der Gespräche sind die Schnittstellendefinition zur Gewährleistung von Kompatibilität sowie die Regulierung von PLC. Beide Firmen arbeiten gemeinsam bei der Regulierung beispielsweise an der Grenzwertefestlegung, die für die breite Einführung der PLC-Technik von großer Bedeutung ist. Der Kontakt zu Systemanwendern aber auch zu anderen Herstellern soll intensiviert werden. Die Aktivitäten im Arbeitskreis für technische Regulierung in der Telekommunikation (ATRT) und im Powerline Telekommunication Forum sind zwischen Siemens und Ascom abgestimmt.

Schneller mobiler Netzzugang in GSM: GPRS

Internet mit dem PC über das Telefonnetz der Telekom ist nichts Neues mehr. Mit dem Laptop von unterwegs ins Internet zu kommen geht heutzutage auch, aber langsam. Heute schon können Sie mit Ihrem Laptop und einem GSM-Handy mit einer Geschwindigkeit von 9,6 Kbit/s im Internet "surfen". Die Kosten für die Verbindung berechnet der GSM-Netzbetreiber entsprechend seinen Tarifen, so daß hier für längere Online-Sessions ein enormer Betrag am Monatsende auf der Rechnung stehen kann.

GPRS steht für "General Packet Radio Services" und hat die paketvermittelte Datenübertragung über die GSM-Luftschnittstelle zum Inhalt. GPRS unterstützt beinahe alle Datenübertragungsprotokolle, inklusive X.25 und IP. Damit kann der Benutzer mit jeder Datenquelle, wie z. B. dem Internet oder dem Intranet seines Unternehmens, verbunden sein. Der Benutzer zahlt bei GPRS das übertragene Datenvolumen und kann mit der Datenquelle ständig verbunden sein! E-Mails erreichen somit sofort seinen Empfänger und nicht erst nach Einwahl und Abfrage des Kontos beim ISP. Weiterhin sind bei GPRS höhere Datenübertragungsraten als bei "normalem" GSM möglich.

Bei einem GSM-Telefonat wird die Sprache in digitaler Form in Zeitschlitzen im System des Netzbetreibers übertragen. Hierbei teilen sich bis zu 7 Teilnehmer eine Sende-/Empfangsfrequenz. Ein weiterer Zeitschlitz wird zusätzlich für die Signallisierung benötigt. Die Wiederholrate dieser Zeitschlitze ist so hoch, das wir beim Telefonieren gar nicht merken, das die Sprache nicht kontinuierlich übertragen wird. Bei einer herkömmlichen Datenübertragung über das Handy wird also eine Leitung permanent für die Dauer der Verbindung aufrecht erhalten. Dies ist auch dann der Fall, wenn auf seiten des Anwenders gar keine Daten übertragen werden sollen, da er mit der Aufnahme von Informationen beschäftigt ist. Das ist für beide Seiten nachteilig: Der Netzbetreiber kann sein Netz nicht effizient ausnutzen, der Anwender muß ein teures Verbindungsentgelt bezahlen, obwohl er effektiv seine Verbindung nur einige wenige Minuten genutzt hat. Anders die Datenübertragung in lokalen Netzwerken (LAN) oder dem Internet. Diese Medien sind paketorientiert, das heißt die zu übertragenen Daten werden in kleine Pakete unterteilt und auf die Reise geschickt. Ist die Übertragung abgeschlossen, steht das Netz wieder für andere Anfragen zur Verfügung. Netzwerkkapazität wird also nur dann in Anspruch genommen, wenn sie benötigt wird, ist aber sofort wieder freigegeben, wenn keine Daten mehr übertragen werden müssen. GPRS basiert genau auf dieser paketvermittelten Technologie.

Bei paketvermittelten Diensten kann generell zwischen verbindungsorientierten und verbindungslosen Diensten unterschieden werden. Bei verbindungslosen Diensten (Datagrammdiensten) wird in jedem Paket die vollständige Adresse des Empfängers und Absenders abgelegt und unabhängig von den anderen Paketen durch das Netz geschleust. Pakete zwischen zwei Kommunikationspartnern im Netz gehen möglicherweise unterschiedliche Wege und können sich sogar überholen. Bei verbindungsorientierten Diensten ist der Übertragungsweg für die Dauer der logischen Verbindung fest vorgegeben. Verbindungsorientierung hat den Nachteil, daß für den Auf- und Abbau einer logischen Verbindung ein gewisser Verwaltungsaufwand entsteht und die Verbindung Ressourcen in den Vermittlungsstellen belegt. Sie bietet allerdings den Vorteil, daß die Reihenfolge der übertragenen Pakete gesichert ist und dem Anwender die Möglichkeit geboten wird, die Dienstqualität (quality of service, QOS) beim Verbindungsaufbau zu bestimmen. Die zur Verfügung stehende Übertragungskapazität wird bei GPRS von allen Teilnehmern in einer Funkzelle geteilt, d. h. ein Teilnehmer belegt die Funkstrecke nur, wenn wirklich Pakete übertragen werden. Es existieren Protokolle, die den fairen Zugriff auf die Funkstrecke gewährleisten. Desweiteren unterstützt GPRS den Übergang in öffentliche Paketnetze. Durch die Paketvermittlung kann einiger Overhead vermieden werden, wie er bei Leitungsvermittlung entsteht.So ergibt sich eine höhere Nettobitrate pro Zeitschlitz von 14 Kbit/s. Bei der maximalen Nutzung von acht Zeitschlitzen ergibt sich somit eine maximal erreichbare Nettobitrate von 110 Kbit/s. In GSM-Phase 2+ ist für GPRS eine Datenübertragungsrate bis knapp unter 100 Kbit/s vorgesehen.

GPRS unterstützt die Übertragung von Daten zwischen einem Sender und einem oder mehreren Empfängern. Sender bzw. Empfänger können mobile Geräte oder einfache Datenendeinrichtungen sein. Die Datenendeinrichtung ist entweder direkt an das GPRS-Netz oder an externe Datennetze angeschlossen, während mobile Geräte über die Basisstation an das GPRS-Netz angeschlossen sind. Die Realisierung von GPRS erfordert größere Änderungen in der Netzarchitektur von GSM, um die von GPRS unterstützte Paketvermittlung zu ermöglichen. Die wichtigste Änderung ergibt sich aus der Einführung der GPRS Support Nodes (GSN), die die Paketvermittlung übernehmen und als Gateway zu den Paketnetzen dienen. Die GSN sinf auch für das Mobilitätsmanagement (Roaming) der Teilnehmer verantwortlich. Hieraus ergeben sich die zwei Hauptfunktionen des GSN: die Gateway- und die Roamingfunktion. Für die Erfüllung dieser Funktionen sind zwei unterschiedliche Subsysteme vorgesehen. Die Gatewayfunktion wird vom Gateway GPRS Support Node (GGSN) wahrgenommen, während der Serving GPRS Support Node (SGSN) für das Roaming zuständig ist. Durch die Zuordnung einer temporären, dynamischen Adresse zur Mobilstation wird es dem SGSN möglich, beim Roaming eine Identifizierung der Mobilstation vorzunehmen. Aus der Sicht des Teilnehmers erfolgt die Adressierung wie gewohnt über seine IP-Adresse.

Um das reibungslose Nebeneinander von durchschaltevermittelten Kanälen (GSM) und paketvermittelten Kanälen im selben Netz gewährleisten zu können, muß auf der Luftschnittstelle eine dynamische Ressourcenverwaltung vorgenommen werden. Hierbei wird den durchgeschalteten Kanälen eine höhere Priorität zugeordnet, indem in der Aufbauphase einer GSM-Verbindung der betroffene Kanal für GPRS-Pakete gesperrt wird. Innerhalb eines Trägers können die verfügbaren Zeitschlitze nebeneinander von GSM und GPRS genutzt werden. Zu einem bestimmten Zeitpunkt kann so ein Teil der Zeitschlitze durch GSM genutzt werden, während ein anderer Teil der Zeitschlitze von GPRS-Diensten belegt ist.

Bei den von GPRS unterstützten Diensten wird unterschieden zwischen Point-to-Point-Diensten (PTP) und Point-to-Multipoint-Diensten (PTM):

Ericsson informiert auf seinen Seiten über den GPRS Standard www.ericsson.com. Einige nützliche Infos sind auch bei Nokia erhältlich www.nokia.com. Wer sich über das Wireless Application Protocol (WAP) informieren möchte, sollte vorbeischauen bei: www.wapforum.org.

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Copyright © Prof. Jürgen Plate, Fachhochschule München