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WING FHNW
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Welche Aussagen zum WebSocket Applikationsprotokoll sind korrekt?
Problemdarstellung MQTT
Summary: HTTP Eigenschaften
unidirektional, synchron, stateless
one-to-one
internettauglich
sicher, mittels TLS
Plattformunabhängig
Aber kein Push vom Server möglich:
Der Kommunikationsaufbau muss immer vom Client erfolgen, da die Firewalls einen initialen Verbindungsaufbau vom Server zu einem Client unterbinden müssen.
Summary: WebSocket Eigenschaften
bidirektional (full-duplex)
one-to-one
internettauglich
sicher, mittles TLS
Plattformunabhängig (Java usw.)
Aber kein one-to-many Broadcast an mehrere Clients
Ein one-to-many Verhalten muss im Server ausprogrammiert werden, d.h. es braucht ein Management der offenen WebSocket-Verbindungen.
Motivation HTTP
- Punkt-zu-Punkt Verbindung (one-to-one)
- Request-Response Modell => Unidirektional => Client/Server
- Schwergewichtig
Motivation Websocket
- Punkt-zu-Punkt Verbindung (one-to-one)
- Bidirektional => gleichwertige Kommunikationspartner
- Kein Applikationsprotokoll spezifiziert
Motivation MQTT
- soll leichtgewichtiges Protokoll sein
- soll One-to-Many Verbindungen unterstützen
- soll geringen Kommunikations-Overhead aufweisen
Bedeutung MQTT
Message Queue Telemetry Transport
Funktion MQTT
Der Paradigmenwechsel von einer Request/Response- zu einer ereignisgesteuerten Publish/Subscribe-Architektur ist hierbei der zentrale Aspekt. Sie ersetzt die Punkt-zu-Punkt-Verbindungen durch einen zentralen Server (Broker), zu dem sich Datenproduzenten (Publisher) und Datennutzer (Subscriber) gleichermassen verbinden können.
Wie funktioniert Senden und Empfangen beim MQTT?
Das Senden (publish) und Empfangen (subscribe) von Nachrichten funktioniert über sogenannte Topics.
Was für eine Art Protokoll ist das MQTT?
Ein Asynchrones
Eigenschaften MQTT
- ist für unzuverlässige Netze mit geringer Bandbreite und hoher Latenzzeit entwickelt
. ist robust bei Datenverlusten und schlechten Verbindungen
- hat geringen Kommunikationsoverhead
- kann mit TLS verschlüsselt werden
Was ist ein MQTT Topic
- sind eine Form von Adressen ¨ jede Nachricht ist einem Topic zugeordnet
- ist von der Funktions- und Schreibsyntax Ordnern in einem Filesystem sehr ähnlich
- Beispiel: “5OG/Zimmer5/Temperatursensor/Temperatur”
Was ist ein MQTT Client
- ist der “Endnutzer” der Kommunikation
- kann Nachrichten eines Topics empfangen (Subscriber)
- kann Nachrichten im (gleichen) Topic veröffentlichen (Publisher)
Was ist ein MQTT Broker?
- ist das Backend für MQTT
- verwaltet und administriert jeglichen Datenverkehr:
Speicherung, Verwaltung und Verteilung aller Informationen zu Topics und deren Subscribers
Eigenschaften MQTT Broker
- eine Software, die auf einem Computer (vor Ort oder in der Cloud) läuft.
- selbst installiert oder von einem Drittanbieter gehostet.
- sowohl in Open-Source- als auch in proprietären Implementierungen verfügbar.
MQTT Cloud Infrastruktur
MQTT Komponenten
MQTT Broker
-Zentrale Komponente
- Kommunikationsschaltstelle
- Unterschiedliche Implementationen verfügbar
MQTT Client
Für jede Programmiersprache verfügbar
Kann gleichzeitig sein:
Publisher à Sender von MQTT Messages
Subscriber à Empfänger von MQTT Messages
Wofür ist die Qualitätskontrolle MQTT QoS?
MQTT basiert auf TCP/IP, deshalb ist eine grosse Zuverlässigkeit bei der Übertragung bereits gegeben.
Bei mobilen Netzen mit vielen Übertragungsfehlern durch Verbindungsprobleme ist dies aber nicht ausreichend.
Daher hat das MQTT Protokoll Mechanismen eingebaut, die das erfolgreiche Übertragen von Nachrichten garantieren: Die Zusicherung variiert von keiner Garantie (Level 0) über die, dass die Nachricht mindestens einmal ankommt (Level 1), bis hin zur Garantie, dass die Nachricht genau einmal ankommt (Level 2). (Der Unterschied zwischen Level 1 und 2 liegt darin, dass es bei Level 1 passieren kann, dass eine Nachricht öfter einen Client erreicht.)
Je nach Anwendungsfall sollte der passende Level gewählt werden, denn je höher der Level, desto höher ist die benötigte Bandbreite.
Wichtigsten Features von MQTT
MQTT "publish/subscribe" Architektur
Ideal für Constrained Netzwerke
"low bandwidth, high latency, data limits, and fragile connections"
Quality of Service (QoS)
"The higher the QoS, the lower the performance"
MQTT Clients können bei einem Verbindungsunterbruch benachrichtigt werden
"Last will and testament"
MQTT Clients sind einfach zu implementieren
Die asynchrone, serielle Datenkommunikation braucht 2 Datenleitungen im Duplex-Modus.
"9600 8N1" bedeuten:
Welche Aussagen zur Länge des Datenpakets sind korrekt?
Bei Little-Endian wird das MSB zuerst versendet.
MSB = Most significant bit
Die Baudrate wird mit Bytes pro Sekunde (bps) angegeben.
Es sind Bits pro Sekunde
Welche Aussagen zum Paritybit sind korrekt?
Die serielle Datenkommunikation hat immer ein Stopbit.
Die serielle Datenkommunikation hat immer ein Startbit.
Die asynchrone, serielle Datenkommunikation braucht 2 Datenleitungen im Simplex-Modus.
Die synchrone, serielle Datenkommunikation braucht 2 Datenleitungen im Simplex-Modus.
Was bedeuted die bezeichnung?
Baudrate: 9600 bps
Data Bits: 8
Parity Bit: None
Stop Bit: 1
Litttle Endian: Start mit LSB
Was ist die minimale Voraussetzung für die Wahl der Baudrate?
Die beiden Geräte müssen dieselbe Baudrate besitzen. am gebräuchlichsten ist 9600bps
Was zeigt die Bits pro Sekunde an?
Die Baudrate
Welches sind die Bits welche für die Synchronisation zuständig sind?
Startbit (wechselt auf 0) und Stoppbit (Wechselt auf 1) --> Sie markieren Anfang und Ende
Asynchrones, serielles Protokoll: Regeln
Asynchrones, serielles Protokoll: Regeln
Kostengünstigste Protokollarten (absteigend)
1. Asynchron-Seriell
2. Synchron-Paralell
3. Parallel
Effizienz der Protokollarten (absteigend)
1. Parallel
2. Synchron-Seriell
3. Asynchron-Seriell
Die Daten b0-b7 bestehen aus den Werten 0 und 1.
Die Daten werden nacheinander von Out zu In übertragen.
Es wird keine externes Clock-Signal eingesetzt.
Es braucht 1 Leitung (1 Daten).
Asynchrone, Serielle Kommunikation
Die Daten b0-b7 bestehen aus den Werten 0 und 1.
Die Daten werden nacheinander von Out zu In übertragen. innerhalb eines Clock-Taktes (CLK).
Es braucht 2 Leitungen (1 Daten und 1 Clock).
Synchrone, Serielle Kommunikation
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Lernkarten
Die Methode "self.end_headers()" führt in der Response eine leere Zeile ein.
Eine HTML Repsonse muss immer aus einem HTML File gelesen werden.
Die OpenAPI-Initiative (OAI) wurde von einem Konsortium zukunftsorientierter Branchenexperten ins Leben gerufen, die den immensen Wert einer Standardisierung der Beschreibung von APIs erkannt haben.
RESTful API => OpenAPI Spezifikation
Wie funktioniert Request - Response bei einer Webapplikation?
Wie funktioniert Request - Response bei einem Webservice?
Wofür ist das Richardson Maturity Model (RMM)?
Model zur Bestimmung der Reife eines Services im Bezug auf seine „RESTfulness“
Welche stufen hat das RMM?
Stufe 0 – RESTless --> kein REST Support
Stufe 1 – Ressourcen --> Jede identifizierbare Ressource hat eine eigene URI.
Stufe 2 – HTTP-Verben --> GET, POST, HEAD, PUT, DELETE und OPTIONS werden gemäss ihrer Spezifikation unterstützt. & HTTP Statuscode soll den Status der Verarbeitung beschreiben
Stufe 3 – Hypermedia --> Verknüpfung von Ressourcen und Repräsentationen durch Hyperlinks.
Wofür ist ein Statuscode?
Durch die Übermittlung eines HTTP-Statuscodes teilt der Webserver dem Client mit, ob die HTTP-Anfrage erfolgreich bearbeitet werden konnte oder ob es zu einem Fehler beim Aufruf einer URL gekommen ist.
Welche HTTP Statuscodes gibt es?
1xx Informational (Informationen)
2xx Success (Erfolgreiche Operation)
3xx Redirection (Umleitung oder Weiterleitung)
4xx Client Error (Client Fehler / Fehlerseiten)
¨ 5xx Server Error (Webserver Fehler
Welche Payload Serialisierungen gibt es?
JSON und XML
Welche Vor und Nachteile hat die Serialisierung in XML?
Pros
Zusammen mit einem Schema kann dank Validierung eine hohe Konsistenz des Datenaustausches erreicht werden.
Sehr genaue Beschreibung des Datenaustausch-Formats möglich.
Contra
Parsing und Validierung bzgl. eines Schemas ist teuer.
Sehr Verbose: Bzgl. den Nutzdaten viel zusätzlicher "Balast"
Welche Vor und Nachteile hat die Serialisierung in JSON?
Pros
JSON ist ein JavaScript-Objekt à sehr einfache Serialisierung/Deserialisierung in einer JavaScript Umgebung
Einfach, kompakt à weniger Netzwerklast
Cotras
Unterstützt nur einfache Datenstrukturen wie Variablen, Arrays, Hashmaps.
Beschreibung des Datenaustausch-Formats ist beschränkt.
Einfügen Restful lvl 2
Anfordern Restful lvl 2
Welche Aufgabe hat die Firewall?
Eine Firewall analysiert den Datenverkehr im Netz und kann damit Server, PCs und Netzwerke vor Angriffen schützen. Wörtlich übersetzt bedeutet Firewall "Brandmauer". Der Begriff bezeichnet ein IT-System, das Datenverkehr analysieren, weiterleiten oder blockieren kann.
Was wäre wenn es keine Firewall geben würde?
Ohne eine Firewall können andere Menschen und Programme Zugriff auf Ihren Computer nehmen und im schlimmsten Fall auf ihre sensiblen Daten zugreifen.
Wofür sorgt eine Firewall?
Die Firewall sorgt dafür, dass von ausserhalb ihres Netzwerks ein Zugriff über einen offenen Port auf ihren Rechner ausgeführt werden kann.
Wieviele Firewalls hat man in der Regel?
Im Regelfall haben sie zwei Firewalls: Die Personal Firewall auf ihrem Computer und die externe Firewall.
Wie funktioniert eine Firewall?
Eine externe Firewall (auch Netzwerk- oder Hardwarefirewall genannt) kontrolliert die Verbindung zwischen zwei Netzen und dient dazu, den Netzwerkzugriff zu beschränken, basierend auf Absender- oder Zieladresse und genutzten Diensten. Sie überwacht den durch die Firewall laufenden Datenverkehr und entscheidet anhand festgelegter Regeln, ob bestimmte Netzwerkpakete durchgelassen werden oder nicht. Auf diese Weise versucht sie, unerlaubte Netzwerkzugriffe zu unterbinden.
Motivationen für das HTTP Polling
- Firewall
Anforderung: Eine verteilte Anwendung muss im Internet über eine StandardICT-Infrastruktur kommunizieren können, inkl. den Firewalls.
Restriktion Firewall: Der Aufbau einer Kommunikation ist nur von einem Client aus möglich.
- "Echtzeit"
Anforderung: Neue Daten auf dem Server in "Echtzeit" zum Client kommunizieren können.
Restriktion HTTP: HTTP beschränkt die Kommunikation auf ein Request/Response Modell mit dem Client als Initiator des Kommunikationsaufbaus (siehe Firewall).
- Bidirektionale Kommunikation
Anforderung: Client und Server als gleichwertige Kommunikationspartner.
Restriktion HTTP: Request/Response Modell von HTTP ist Half-Duplex.
Was ist der Lösungsanatz beim Polling?
Beim Polling wird der Server in einem festgelegten Intervall gefragt, ob er neue Informationen hat.
Welche Vorteile hat das Polling?
Mit HTTP umsetzbar
Ist einfach zu realisieren, da alle notwendigen Funktionen in Python vorhanden sind
Welche Nachteile hat das Polling?
Grosser Overhead des Netzwerkes
Zusätzliche, unnötige Last auf dem Server
TCP/IP mit ihren Protokollen
Die fundamentalen Elemente einer HTTP Kommunikation
was bedeutet der "Stateless" Zustand?
"stateless" bezeichnet die Eigenschaft eines Protokolls, mehrere Anfragen – auch desselben Clients – grundsätzlich als voneinander unabhängige Transaktionen zu behandeln. Insbesondere werden Anfragen ohne Bezug zu früheren Anfragen behandelt und keine Sitzungsinformationen ausgetauscht und/oder verwaltet.
Problem HTTP & Lösung Websocket
Welche Art von Kommunikation ermöglicht Websocket?
erlaubt Full-Duplex Kommunikation über TCP-Verbindungen
Wie funktioniert der Websocket?
startet beim Client, der wie bei HTTP einen Request initiiert, mit dem Unterschied, dass nach der Übertragung der Daten zum Verbindungsaufbau die zugrundeliegende TCP-Verbindung bestehen bleibt.
Websocket Protokoll
Websocket Verbindung
Einfache Integrierbarkeit in bestehende ICT-Infrastrukturen des Internets:
- WebSocket ist als Upgrade des HTTP-Protokolls konzipiert: => Das Opening Handshake ist ein valider HTTP-Request
- WebSocket baut nach dem Upgrade eine stehende TCP-Verbindung zwischen Client und Server auf.
Die WebSocket-Spezifikation definiert zwei neue URI-Schemas:
- ws: für unverschlüsselte Verbindungen
- wss: für verschlüsselte Verbindungen
Ist WebSocket ein Protokoll oder Transport?
WebSocket spezifiziert den Auf- und Abbau einer Verbindung.
WebSocket kennt keine Regelung bzgl. der Strukturierung der eigentlichen Daten, d.h. des Payloads.
Ein Teil der Spezifikation sieht die Möglichkeit vor, dass sich Client und Server auf ein Protokoll einigen, mit dem die übertragenen Daten formatiert und interpretiert werden sollen.
--> In der Norm werden diese als "Unterprotokolle" bezeichnet, um Unklarheiten in der Nomenklatur zu vermeiden. Beispiele für Unterprotokolle sind JSON, XML, MQTT, ...
Was für eine Art Protokoll ist das Websocket?
Ein Low-Level Protokoll
Zusätzliches Applikationsprotokoll als "Unterprotokoll" ist notwendig, das sowohl vom Client wie auch vom Server interpretiert werden kann.
Was beinhaltet ein Applikationsprotokoll?
Das Applikationsprotokoll kann folgendes beinhalten:
- Daten wie Funktion, Payload, Zeitstempel, ...
- Format wie Text, Binär, JSON, XML, ...
Wie wird eine Websocket-Verbindung agebaut?
Um die Verbindung zu schliessen, wird ein Closing Handshake durchgeführt:
- Die Seite, welche die Verbindung schliessen möchte, muss dazu ein Frame mit dem Befehlscode ”0x8“ senden.
- Nachdem eine Seite sowohl einen Close-Frame empfangen als auch gesendet hat, muss sie die TCP-Verbindung trennen.
- Durch dieses Vorgehen stellt es auch kein Problem dar, falls beide Seiten zur selben Zeit die Verbindung trennen möchten: Da beide Seiten parallel einen Close-Frame senden und kurz darauf den der anderen Seite empfangen, können sie die Verbindung direkt trennen.
Eigenschaften des Websocket
- bidirektional (full-duplex)
- internettauglich
- sicher: mittels TLS
- Plattformunabhängig: Java, C++..
Was ist das Websocket nicht:
dauerhaft:
WebSocket-Verbindungen werden in einem Internet-Kontext betrieben, d.h. Webserver, Firewall, Routers, ... Deshalb können WebSocketVerbindungen durch solche Komponenten abgebaut werden, falls Inaktivität über eine gewisse Periode festgestellt wird.
Wie wird das Websocket im Betrieb gehalten
Mittels Ping-Pong Messages
Problemlösung Websocket: Sinnbild
Was muss bereitgestellt werden um ein Upgrade Request durchzuführen?
Der Upgrade Request ist ein HTTP GET Request.
Der Kommunikationspartner (Server) muss einen entsprechenden HTTP-Endpoint bereitstellen, der den Upgrade Request entgegennehmen kann.
Unterschiede HTTP und Websocket
HTTP:
- unidirectional (client always initiates request)
- stateless (closed by the server)
- half-duplex (request-response pattern)
Websocket:
- bidirectional (client and server can send messages)
- stateful (connection is persistent)
- full-duplex (client and server can send messages independently of each
other)
