Computer & Network Architecture
Questions
Questions
Wie gross ist die maximale Schachtelungstiefe für Subroutinen? Geben Sie allfällige Randbedingungen genau an.
- Bis der StackPointer überläuft. Je nach Init 32 resp. 64 Locations (Adressen)
- Stackgrösse ist 64Bit
- Jeder Subroutine Aufruf belegt zwei 8-bit Speicherzellen (JSR Beschreibung Seite 261)
- Keine Interrupts, weil diese auch Stack brauchen.
Benennen Sie einige Aufgaben, die oft mit Stack gelöst werden?
- Ausführung von Unterprogrammen (Rücksprungadresse sichern)
- Parameterübergabe
- Resultatrückgabe
- Zwischenspeicher
- Interrupt-Behandlung
JVM: Wo werden lokale Variablen „versorgt“?
Auf dem Stack.
JVM: Was läuft beim Aufruf einer Java Methode intern genau ab?
- Parameter auf den Stack
- Rücksprungadresse speichern
- Speicher für die lokale Variablen reservieren
- Methode ausführen
- Resultat speichern
- Returnwert laden
Gibt es verschiedene Busse? Wenn ja, beschreiben Sie die jeweilige Aufgabe in ein paar Stichworten.
Ja. (FSB, PCI-Bus, RAM-Busse, ISA-Bus, PCIe, DIE, ATA, EIDE, S-ATA, SCSI, USB, Firewire, usw)
Sie transportieren die Daten von einem Ort zum nächsten.
Nennen Sie zwei Benchmarkverfahren.
Spec(int, fp), Whetstone, Dhrystone, Linpack, Perfect-Club, Slalom (Kapitel 1.3, Folie 9)
Aus welchen Komponenten besteht eine CPU?
Rechenwerk und Steuerwerk:
Funktionsgruppen (Register), Recheneinheit, (ALU), Befehlsdecoder und Adresseinheit
Welche Schnittstellen weist ein PC-Computer heute typischerweise auf? Welche Schnittstellen wird es in Zukunft möglicherweise immer weniger geben?
USB, PCI, PCI-Express, ATA, APM, HDMI, VGA, DVI, S-Video, Firewire, Serial ATA, …
Was versteht man unter Chipsatz?
Ein Chipsatz sind mehrere zusammengehörende integrierte Schaltkreise, die zusammen eine bestimmte Aufgabe erfüllen.
Normalerweise ein Northbridge und ein Southbridge.
Was versteht man unter North-Bridge?
Die Northbridge bezeichnet eine Hardwarekomponente einer modernen PC-Hauptplatine. Traditionell ist die Northbridge ein separater Chip, der sich im Gegensatz zur Southbridge dicht an der CPU befindet, um Daten schnell transferieren zu können.
Welche vier Messdaten sind bei Festplatten relevant?
Cache, Kapazität, Drehzahl, Bussystem, Stromverbrauch, Lautstärke
Wozu dient eine FPU?
(Floating Point Unit)
Ein spezieller Prozessor der Operationen mit Gleitkommazahlen ausführt.
Was versteht man unter BIOS? Welche Aufgaben erfüllt das BIOS?
Den PC funktionsfähig machen und im Anschluss das Starten des Betriebssystems einleiten.
Programm in einem nicht flüchtigen Speicher.
Was versteht man unter Cache Speicher? Was ist ein L1, was ein L2 Cache?
Ein schneller Puffer-Speicher. (Zwischenlagern von Daten)
Cache Hierarchie:
L1 Klein und schnell. Sie liegt am nächsten bei der CPU.
L2 Liegt weiter weg und ist somit langsamer als L1,
Was tut das Programm im Arbeitsspeicher?
Im RAM ist das Programm ($00 bis $07 / $1F) sowie die Daten ($10 bis $13)
Es Addiert den Wert an Adresse $10 mit dem Wert an Adresse $11 und speichert diesen an $12, solange bis der
Wert dem Wert an Adresse $13 entspricht. => Er Addiert alle ungeraden Zahlen von 3 bis 17.
Erweitern Sie das Programm derart, dass es fortlaufend den Wert 2 addiert.
Der Befehl an $05 in JMP $02 ändern (und $06 / $07 in 00000000 ändern).
Erweitern Sie das Programm derart, dass es einmalig alle ungeraden Zahlen zwischen 3 und 17 erzeugt.
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Studieren Sie den detaillierten Ablauf einzelner Mikrocodes
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Implementieren Sie ein Mikroprogramm, das statt der Addition eine Division ausführen kann.
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Welche spezielle Situation sollte bei (5) auch beachtet werden? Ergänzen Sie Ihr Programm entsprechend.
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Gibt es auch Rechner ohne Betriebssystem? Nenne Beispiele
Microcontroller, Taschenrechner, Digitale Uhr, alte Mobiltelefon
Was sind die Nachteile, wenn ein Rechner ohne Betriebssystem benutzt wird?
Jede Programm muss explizit für die Hardware programmiert werden. Die Hardware resp. deren Funktionalität, Möglichkeiten müssen genau bekannt sein. Die Hardware, Speicher muss selber verwaltet werden.
Die Programme sind nicht portierbar. Der Anwender muss verschiedene "Oberflächen"/Betriebssysteme kennen und bedienen können.
Was sind die Vorteile, wenn ein Rechner ohne BS benutzt wird?
- Bessere Performance, ein Programm kann optimal auf die HW programmiert werden.
- Die Hardware kann optimal genutzt werden.
- Keine Abhängigkeiten von BS Lieferanten, weniger Schnittstellen
- Sicherheit, Viren laufen in der Regel erst ab einem OS
Beschreibe die Hauptaufgabe eines BS
- Komfortable Schicht zwischen Anwendungen und der Hardware.
- Ressourcen-Manager
- Verwaltung der Geräte
- Schnittstellen bereitstellen
Was versteht man unter einem verteilten System?
- Ein logisches System wird auf mehrere physikalische Systeme verteilt.
- Für die Anwendung ist es ein kohärentes System
Welche Aufgabe erfüllt eine MMU?
Memory Management Unit
Mapping zwischen virtuellem und physikalischem Memory.
Führt den Relokationsmechanismus (relocation) aus. (Die im Programm enthaltenen Adressen auf die tatsächlichen Adressen im Speicher abbilden)
Worin unterscheiden sich Busy-Waiting und Interrupt?
- Bei Busy-Waiting (polling) ist die CPU blockiert bis die Daten geliefert werden.
- Beim Interrupt kann das OS andere Prozesse ausführen. Das Gerät meldet sich selbst (Interrupt) sobald es ready ist.
Was versteht man unter einem BIOS?
Basic Input Output System
Startet als erstes auf dem PC, überprüft die Hardware Config, ermittelt das Boot-Device und startet davon das OS.
Charakterisiere einen Prozess
- Ein Prozess ist ein in „Ausführung“ befindliches Programm.
- Jeder Prozess hat einen Adressraum (Programm- und Datenbereich, Stack, Registerinhalte)
- Prozesse können andere Prozesse kreieren und beenden
- Prozesse kommunizieren mit anderen Prozessen
Was bedeuten Protection-Codes?
Definieren die Berechtigung in einem Multi-User System.
Unix: RWX
User / Group / World
rwx / r-x / r-- => 111 / 101 / 100 => 754
(111 ist binär für 7)
Was ist eine Pipe?
Eine virtuelle Datei, Pseudofile über das zwei Prozesse miteinander kommunizieren.
FIFO-Speicher: First-In, First-Out
Wozu dienen Systemaufrufe?
Die Schnittstelle zum OS.
Anwendungsprogramme verwenden Betriebssystemfunktionen über Systemaufrufe (System Calls).
Was ist eine Shell?
Kommandointerpreter
(Ein GUI ist grundsätzlich auch eine Shell)
Welche Betriebssysteme kennen Sie?
Windows, Unix, Linux, MAC, DOS
Realtime-OS (z.B. LynxOS)
BS für Mobilgeräte (Android, Symbian, Windows Phone 7)
Stelle in einer Skizze die Architektur eines Computersystems dar. Markiere das Betriebssystem
siehe Bild
Was sind die beiden Hauptaufgaben eines Betriebssystems?
- Ressourcen / Benutzer Verwalten
- komfortable Schnittstellen für die Geräte zur Verfügung stellen
Was ist ein Prozess?
- Ein Prozess ist ein in „Ausführung“ befindliches Programm.
- Jeder Prozess hat einen Adressraum (Programm- und Datenbereich, Stack, Registerinhalte)
- Prozesse können andere Prozesse kreieren und beenden
- Prozesse kommunizieren mit anderen Prozessen
Ein Grund für die langsame Einführung grafischer Benutzungsoberflächen war, dass die nötige Hardware anfangs noch sehr teuer war. Wie viel Videospeicher braucht man für die Darstellung von 80 Zeichen auf 25 Zeilen Textmodus in Schwarzweiss? Und wie viel braucht man für die Darstellung von 1024 x 768 Bildpunkten mit 24-Bit Farbtiefe? Was hat der nötige Speicher 1980 gekostet, als ein Kbyte etwa 5 Dollar kostete? Und wie viel kostet er heute?
80 * 25 = 2‘000 Byte (Zeichen)
1kByte = 5Dollar => 10 Dollar
Der Speicher kostete ca. 10 Dollar.
1024x768x24 = 18‘874‘368 Bit => 2‘359‘296Byte => ca. 11‘520 Dollar
Zählen Sie einige Unterschiede zwischen einem Betriebssystem für einen Personalcomputer und dem für einen Mainframe auf.
PC: Einbenutzer-OS
Mainframe: Mehrbenutzer-OS
Es wird eine Benutzer- und Rechteverwaltung benötigt
Nun ein paar Aufgaben, die das Rechnen mit Einheiten zeigen sollen:
a) Wie lange dauert ein Mikrojahr in Sekunden?
b) Mikrometer werden manchmal als Mikron bezeichnet. Wie lange ist ein Gigamikron?
c) Wie viele Bytes enthält ein 1 Tbyte-Speicher?
d) Die Masse der Erde beträgt 6000 Yottagramm. Wie viel ist das in Kilogramm?
a) Mikro 10^(-6) * 365 * 24 * 3600 => 31,536 Sekunden
b) Giga = 10^9 * Mikron (Mü = 10^(-9)) => 1km
c) Tera=10^12 => 2^40 = 1‘099‘511‘627‘776
d) Yotta = 10^24 => 6‘000 * 10^24g => 6 * 10^24kg
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Cartes-fiches
Round Trip Delay
Berechnen Sie die Zeit, die insgesamt erforderlich ist, eine 1.5 MByte Datei in folgenden Fällen zu übertragen. Gehen Sie von einem Round Trip Delay (RTD) von 80 ms, einer Paketgrösse von 1 kByte, und von Anfangs 2 · RTD für das vor der Übertragung ablaufende „Handshaking“ aus.
c) Die Bandbreite sei „unendlich“. Das heisst, es kann von einer Übertragungszeit von Null ausgegangen werden. Es können bis zu 20 Pakete pro RTD gesendet werden. (Ignorieren)
Die Übertragungszeit sei Null wie in c), aber während der ersten RTD kann einPaket, während dem zweiten RTD zwei Pakete, während dem dritten RTD 4 Pakete usw.gesendet werden. (exponentielle Zunahme).
siehe Bild
Bandbreite
Ein Netzwerk hat eine maximale Entfernung von 50 km. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Kabel beträgt 200'000 km/sec.
a) Bei welcher Bandbreite wäre bei 100 Byte Paketen die Laufzeitverzögerung im Kabel identisch mit der Übertragungszeit des Paketes?
b) Wie hoch wäre sie bei 512 Byte Paketen?
siehe Bild
Round Trip Delay messen
Mit dem Befehl ping (=packet internet groper) kann die Laufzeit gemessen werden. Messen Sie von Ihrem PC aus die Laufzeit von Horw nach Zürich und von Horw nach Adelaide.
Welche Werte erhalten Sie? Was fällt Ihnen dabei auf?
siehe Bild
Konkrete Protokolle im Stack zuordnen
Ordnen Sie folgende Protokolle in den OSI Stack ein:
UDP / IP / IEEE 802.11 / HTTP / SNMP / MIME / FTP / X.25 / Q.931 / X.215
Bei dieser Aufgabe ist es nötig, zusätzliche Informationsquellen hinzuzuziehen. Die Antworten stehen nicht in den Folien.
siehe Bild
OSI - Modell
Die Datenblöcke, die zwischen den Schichten des OSI-Modells ausgetauscht werden, haben allgemeingültige Namen, die von den eingesetzten Protokollen und von den betroffenen Schichten unabhängig sind.
Der folgende Datenblock wird von einer oberen Schicht zu einer unteren Schicht übergeben.
a) Wie heisst dieser Datenblock in der oberen Schicht?
b) Wie heisst dieser Datenblock in der unteren Schicht?
c) Wie heisst das häufigste Protokolle der oberen Schicht?
d) Welche Nummer hat die untere Schicht?
a) PDU, Protocol Data Unit
b) SDU, Service Data Unit
c) TCP. UDP
d) 2
Begriffsdefinitionen beim OSI - Modell
Geben Sie eine Definition und beschreiben Sie den Sinn folgender Begriffe aus dem ISO / OSI Modell mit nicht mehr als drei richtigen, vollständigen und verständlichen Sätzen pro Begriff.
a) Protokoll
b) Dienst
c) SAP (Service Access Point)
d) Segmentieren / Reassemblieren
a) Regelsatz für die Kommunikation zwischen zwei Partner.
b) Funktion, die auf Anfrage der oberen Schicht ausgeführt wird.
c) Die Adresse der benachbarten Schichten
d) Senden: grosse Pakete in kleine aufteilen, Empfangen: kleine Pakete in ein grosses zusammensetzen
Begriffsdefinitionen beim OSI - Modell
Erklären Sie die Begriffe Response, Confirm, Indicate und Request mit einer Skizze und je einer genauen Definition in Worten.
siehe Bild
Was sind die Ziele der Überlastüberwachung?
Sicherstellung, dass das Teilnetz in der Lage ist den Verkehr zu bewältigen.
Was ist der Unterschied zwischen Überlastüberwachung und Flusskontrolle?
Die Flusskontrolle bezieht sich auf einen Punkt-zu-Punkt-Verkehr
Die Überlastungsüberwachung ist zuständig für die Sicherstellung des Datenverkehrs in einem Teilnetz.
Was passiert bei übermässiger Verkehrsbelastung?
Fehlermeldungen und zum Schluss werden die Pakete verworfen.
In welchen Schichten werden Massnahmen zur Steuerung von Überlastungen getroffen?
Layer 2, 3 und 4 (Transport-, Vermittlungs- und Sicherungs-Schicht).
Was versteht man unter einem Lastabwurf?
Das Paket wird weggeworfen.
- Abwurf nach Zufallsprinzip
- Abwurf der ältesten/neusten Pakete
- Abwurf der „unwichtigeren“ Pakete
Was ist die Aufgabe der Flusskontrolle?
Verhindert das ein schneller Empfänger einen langsamen Empfänger überlastet.
Nennen Sie einige Verfahren zur Gewährleistung der Dienstgüter.
- Bereitstellen von Ressourcen im Überfluss
- Zwischenpuffern
- Traffic Shaping (Leaky Bucket / Token Bucket Algorithmus(Reservieren von Ressourcen)
- Zugangssteuerung
- Proportionales Routing
- Zeitliche Planung von Paketen
Was ist der Unterschied zwischen Leaky Bucket und Token Bucket?
Der Leaky Bucket lässt Tropfartig Pakete durch, der Token-Bucket hingegen regelt dies über „Senderechte“.
Was versteht man unter proportionalem Routing?
Proportionale zu den Kanalkapazitäten Aufteilung der Last auf mehrere Pfade.
Nennen Sie die 3 Kriterien, nach denen ein Router einen Lastabwurf durchführen kann.
Was sind jeweils die Vor- und Nachteile?
- Priorität (Pro: wichtiges wird behalten | Kontra: Priorität zu verteilen ist schwierig)
- Alter / TTL (Pro: ist einfach bestimmbar | Kontra: Wichtige Informationen kommen ggf. nicht an)
- Zufall (Pro: einfach | Kontra: keine intelligente Auswahl)
Ist bei einer gut eingestellten Flusskontrolle eine Überlastüberwachung überhaupt noch notwendig?
Ja, die Fluss-Kontrolle regelt nur die Transfer-Geschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger. Trotzdem kann ein Teilbereich von einem Netzwerk von div. Sendern überlastet werden.
Warum vermindert sich bei zu hoher Netzbelastung die Anzahl der zugestellten Pakete nicht langsam, sondern bricht schlagartig ein?
Nicht korrekt zugestellte Meldungen erhöhen die Kontrollmeldungen. Nicht zugestellte Pakete müssen wiederholt werden. Die Netz-Last steigt lawinenartig an.
Wieso kann durch den Token Bucket Algorithmus eine Netzüberlast verhindert werden, obwohl der Algorithmus ein Versenden von vielen Paketen direkt Nacheinander (Burst) erlaubt?
Die Burst-Menge ist durch die „grösse“ des Token Bucket begrenzt. Wenn die Tockens aufgebraucht sind werden vorübergehend keine weiteren Daten verschickt.
Was sind die Nachteile des proportionalen Routings?
- höhere Kosten
- Bandbreite zwar grösser aber ggf. sind die Router langsamer
- ist komplizierter
- es besteht die Gefahr, dass die Pakete in der falschen Reihenfolge ankommen
Warum ist die Dienstgüte wichtig?
Die Dienstgüte ist wichtig, dass man sich darauf verlassen kann, dass die Pakete wirklich ankommen.
Je nach Dienstgüte ändert sich der Preis bei einem ISP.
Welche Voraussetzungen müssen erfüllt sein, damit Zwischenpuffern die Dienstgüte verbessern kann?
Wenn die Übertragunstrecken vor und nach dem Buffer grösser sind.
Wenn einzelne Packete durch verschiedene Laufzeiten verzögert wurden.
Leaky-Bucket (1)
Führen Sie ein Argument an, warum der Leaky-Bucket-Algorithmus unabhängig von der Paketgrösse nur ein Paket pro Zeittakt erlauben sollte.
Citter ?
Damit kein Burst geschickt wird.
Der Arbeitsaufwand ein Paket zu schicken ist der gleiche gross, unabhängig von der Grösse des Paketes.
Leaky-Bucket (2)
In einem Netzwerk wird die Variante des Leaky –Bucket-Algorithmus mit Bytezählung verwendet Laut Regel können in jedem Zeittakt ein 1024 Byte-Paket oder zwei 512-Byte-Pakete usw. übertragen werden. Führen Sie eine wichtige Einschränkung für dieses System an.
Es ist nicht möglich Pakete zu übertragen die grösser als 1024 Byte sind.
Token-Bucket (1)
In einem ATM-Netzwerk wird ein Token-Bucket-Algorithmus zur Verkehrsglättung benutzt. In den Eimer fliesst alle 5 μs ein neues Token ein. Jedes Token steht für eine Zelle, die 48 Byte Daten enthält. Wie hoch ist die maximale dauerhaft durchhaltbare Übertragungsrate?
siehe Bild
Token-Bucket (2)
In einem Netzwerk mit einer Bandbreite von 6-Mbit/s wird ein Computer mittels Token-Bucket reguliert. Der Token-Bucket wird mit einer Rate von 1MBit/s gefüllt. Er ist Anfangs mit 8 Mbit bis zur Kapazitätsgrenze voll. Wie lange kann der Rechner dann mit 6 MBit/s senden?
Zeit = Kapazität / (Bandbreite – Tokenrate)
8 / (6 -1) = 1.6sekunden
Oder: In der ersten Sekunden können 6MBit gesendet werden, sowie 1MBit an Tocken kommt dazu. D.h. im Speicher sind dann 3MBit.
Für diese 3MBit dauert es bei 6MBit/s ca. 0.5 Sekunden -> ~1.5sec.
Token-Bucket (3)
In einem Netzwerk sei die maximale Paketgrösse 1000 Bytes, die Token-Bucket-Rate sei 10 Millionen Byte/s, die Token-Bucket-Grösse sei 1 Millionen Byte und die maximale Übertragungsrate sei 50 Millionen Byte/s.
Wie lange kann ein Burst in Maximalgeschwindigkeit maximal dauern?
siehe Bild
Was ist die Aufgabe der Transportschicht?
End-zu-End Verbindung
- Verlorene, gestörte Pakete erkennen und durch Wiederholung der Übertragung korrigieren. (Ähnlich wie die Sicherungsschicht.)
- Die Mängel der Vermittlungsschicht werden „verborgen“.
- Einheitliche Dienste-Schnittstelle für übergeordnete Schicht, unabhängig von der verwendeten Vermittlungsschicht.
Nennen Sie einige typische Dienstprimitive der Transportschicht
siehe Bild
Muss sich ein End-zu-End-Protokoll um das Routing durch das Internet kümmern?
Nein
Welche Probleme werden in der Transportschicht gelöst?
Mögliche Probleme
- Verlorene (oder gestörte) Pakete
- Pakete kommen verspätet an
- Die Verzögerungszeiten sind variabel, sie hängen von der Netzlast ab
- Pakete können doppelt ankommen (Duplikate)
- Datenstau, Anhäufung von empfangenen Paketen
- Neubooten von Rechnern und Wiederaufnahme einer laufenden Übertragung
Wie löst man folgende Probleme in der Transportschicht?
Mögliche Probleme
- Verlorene (oder gestörte) Pakete
- Pakete kommen verspätet an
- Die Verzögerungszeiten sind variabel, sie hängen von der Netzlast ab
- Pakete können doppelt ankommen (Duplikate)
- Datenstau, Anhäufung von empfangenen Paketen
- Neubooten von Rechnern und Wiederaufnahme einer laufenden Übertragung
Lösungsansätze
- Durchnummerieren aller Pakete mit Folgenummern (Im Beispiel: x, y, z)
- Anforderungen und Bestätigungen
- Beschränkung der Lebensdauer von Paketen (Zeitstempel), Überwachung mit Timer
- Verbindungsaufbau mit 3-Wege-Handshake
Mögliche Probleme in der Transportschicht
- Verlorene (oder gestörte) Pakete
- Pakete kommen verspätet an
- Die Verzögerungszeiten sind variabel, sie hängen von der Netzlast ab
- Pakete können doppelt ankommen (Duplikate)
- Datenstau, Anhäufung von empfangenen Paketen
- Neubooten von Rechnern und Wiederaufnahme einer laufenden Übertragung
Lösungsansätze
- Durchnummerieren aller Pakete mit Folgenummern (Im Beispiel: x, y, z)
- Anforderungen und Bestätigungen
- Beschränkung der Lebensdauer von Paketen (Zeitstempel), Überwachung mit Timer
- Verbindungsaufbau mit 3-Wege-Handshake
Welche Art Handshake wird dabei benutzt?
1. Connection Request (Anforderung) mit Folgenummer x
2. Acknowledge (Bestätigung) mit Bestätigung x und neuer Folgenummer y
3. Erstes Datenpaket mit Bestätigung y
Nennen Sie eigene Unterschiede zwischen UDP und IP
siehe Bild
Aus welchen Feldern besteht ein UDP Header?
siehe Bild
Wie heisst der UNIX-Prozess, der alle TCP-Verbindungen behandelt?
inetd – Internet-Dämon (UNIX only!)
Unterstützt TCP auch Broadcast-Meldungen?
Nein. Keine Unterstützung für Multicast und Broadcast.
Unterstützt TCP die Übertragung von sporadischen Signalen, z.B. Steuerkomandos?
Grundsätzlich ja, ist aber eher ungeeignet.
Mit wie vielen Bits ist bei TCP der Port des Senders angegeben?
16 Bits
