Technische Grundlagen der Informatik 2 - 4. Semester

- kennt Adressen der Nameserver der Top-Level-Domains (com, net, org, de, uk, ...)
- gibt Infos bei Anfrage an lokalen DNS-Server weiter
- 13 logische DNS-Rootserver, aber weltweit mehr als 500 tatsächliche Server

- DNS-Server einer Organisation, der eine autorisierte Abbildung der Namen dieser Organisation auf IP-Adressen anbietet
- verwaltet von der Organisation oder einem Service Provider

- gehört nicht zur Hierarchie der DNS-Server
- jeder ISP besitzt einen lokalen Nameserver
- erhält von Host eine DNS-Anfrage, um die er sich kümmert, bis eine endgültige Antwort vorliegt
- kontaktiert bei Bedarf Root-Nameserver, TLD-Nameserver (Top-Level-Domain) oder autoritative Nameserver

- Flusskontrolle
- Segmentierung / Desegmentierung
- Fehlerkontrolle

- Initiieren einer Sitzung
- Nachverfolgen der einzelnen Kommunikationsvorgänge zwischen Anwendungen
- Segmentieren der Daten und Verwalten jeder Dateneinheit
- Neuzusammensetzen der Segmente zu Anwendungsdatenströmen
- Erkennen der verschiedenen Anwendungen
- Flusskontrolle zwischen Endbenutzern
- Wiederherstellung im Fehlerfall

Gleichzeitiges Senden/Empfangen verschiedener Anwendungen, die gleichzeitig auf dem Computer ausgeführt werden.

Multiplexing beim Sender:
- Daten von mehreren Sockets einsammeln
- Daten mit einem Header versehen
- Weiterleiten der Pakete an die Netzwerkschicht

Demultiplexing beim Empfänger:
- empfangene Pakete am richtigen Socket abliefern
- empfangenes IP-Datagramm enthält Absender- und Empfänger-IP-Adresse sowie Transportschichtpaket mit Absender- und Empfänger-Portnummer

0 bis 1023

Bsp.:
25 - SMTP
80 - HTTP
110 - POP3

- Benutzerprozessen oder -anwendungen zugeordnet
- Prozesse sind meist Einzelanwendungen, die ein Benutzer registriert hat
- 1024 bis 49151

- Ressourcen von Netzwerkhosts (Speicher, Bandbreite) stets begrenzt
- bei Überbeanspruchung sind einige Protokolle in der Lage, die sendende Anwendung zur Verringerung ihrer Datenrate aufzufordern
- Regulierung der Datenmenge, die der Absender überträgt
- Verhindert Verlust von Segmenten

- Übergabe großer Datenmengen von der Anwendungsschicht an die Transportschicht
- Unterteilung in kleinere Einheiten --> Segmente
- jedes Segment benötigt Header zur Zuordnung zu einer Anwendung
- ohne Segmentierung könnte nur eine einzige Anwendung zur Zeit Daten senden oder empfangen

49152-65535
- werden meist in dynamischer Form Clientanwendungen zugewiesen, sobald eine Verbindung hergestellt wird

Sender:
- Segmente = Folge von 16-Bit-Integer-Werten
- Addition dieser Werte
- invertiertes Resultat im UDP-Prüfsummenfeld ablegen

Empfänger:
- Berechnung der Prüfsumme des empfangenen Segments inkl. des Prüfsummenfeldes (!)
- Ergebnis: Alle Bits = 1?
  Ja: kein Fehler erkannt, Nein: Fehler erkannt

- minimales Internet-Transportprotokoll
- UDP-Segmente können verloren gehen oder in der falschen Reihenfolge ausgeliefert werden
- verbindungslos: kein Handshake zum Verbindungsaufbau, jedes Segment unabhängig von allen anderen behandelt

- kein Verbindungsaufbau (der zu Verzögerungen führen kann)
- einfach (kein Verbindungszustand im Sender oder Empfänger)
- kleiner Header
- keine Überlastkontrolle (UDP sendet so schnell, wie von der Anwendungs gewünscht)

- Prüfsumme: Erkennung von Bitfehlern
- Timer: Wiederholung eines Paketes, wenn keine Bestätigung nach vorgegebener Zeit kommt
- Sequenznummer: fortlaufende Nummerierung von Paketen (Lücken zeigen Empfänger fehlende Pakete an, Duplikate können ignoriert werden)
- Acknowledgement ACK: Bestätigung durch Empfänger, dass Paket korrekt erhalten wurde
- negatives Acknowledgement NAK: Anzeige des Empfängers, dass Paket nicht korrekt übertragen wurde
- Pipelining/Sendefenster: Sender darf mehrere Pakete senden, bevor eine Bestätigung kommt, Sequenznummern müssen in einem gegebenen Bereich liegen

Go-Back-N:
- ACK(n):Bestätigt alle Pakete bis einschließlich dem Paket mit Sequenznummer n
- ein Timer für jedes unbestätigte Paket
- Timeout(n): erneute Übertragung aller Pakete mit der Sequenznummer n und höher

Selective Repeat:
- Empfänger bestätigt jedes empfangene Paket einzeln
- ein Timer für jedes unbestätigte Paket
- Puffern der korrekt empfangenen Pakete, die außer der Reihe empfangen wurden
- Timeout: Nur Wiederholung des einzelnen Paketes

Schritt 1:
- Client sendet TCP-SYN-Segment an Server (initiale Sequenznummer, keine Daten)
Schritt 2:
- Server empfängt SYN und antwortet mit SYNACK (initiale Sequenznummer)
- Server legt Puffer an
Schritt 3:
- Client empfängt SYNACK und antwortet mit ACK (Segment darf bereits Daten enthalten)

- Client kontaktiert Server (Schritt 1)
- Server legt Verbindungsvariablen und Puffer an
- Client antwortet nicht, damit erfolgt Schritt 3 nicht
- Server löscht Daten durch Timeout erst nach einer Minute oder mehr --> bei entsprechender Paketzahl in kurzer Zeit wird Server blockiert

- kein dauerhafter technischer Schaden oder Datenverlust
- Server wegen Überlast für Dritte nicht erreichbar

- Server ermittelt bei Anfrage initiale TCP-Sequenznummer (Cookie) aus Quell- und Ziel-IP-Adressen, Quell-Portnummer und einem geheimen Wert
- Rücksendung als SYN-ACK mit der speziellen Sequenznummer
- Vergessen der Kommunikationsanfrage
- Client antwortet mit ACK und sendet errechnete Sequenznummer +1 zurück
- Server: Neuberechnung der Sequenznummer --> bei Übereinstimmung Alloziierung einer offenen Verbindung mit Puffer
--> Server nimmt keinen Schaden, wenn Client nicht antwortet

- Client: Senden eines TCP-FIN-Segmentes an den Server
- Server: Antwort auf FIN mit ACK, Senden eines FINs
- Client: Antwort auf FIN mit ACK
- Server: Empfang von ACK und schließen der Verbindung

Definition des Formates und der Reihenfolge des Nachrichtenaustausches zwischen kommunizierenden Entitäten sowie der Handlungen, die bei Übertragung und/oder Empfang einer Nachricht (oder anderer Ereignisse) ausgeführt werden.

Internet Service Provider (ISP) werden zur Unterscheidung der Größe ihrer Netzstruktur in Rangordnungen (Tier) eingeteilt. 

Tier-1-ISP: Betreiber großer IP-basierter Netzwerke, miteinander verbunden, geichberechtigte Partner

Tier-2-ISP: kleinere, oft nationale oder regionale ISPs, mit einem oder mehrere Tier-1-ISPs und oft auch anderen Tier-2-ISPs verbunden

Tier-3-ISP: kleine regionale Provider, Kunden von Tier-1- und 2-ISPs

- Lastverbund

- Leistungsverbund

- Verfügbarkeitsverbund

- Datenverbund

- Funktionsverbund

Gleichmäßige Auslastung verschiedener Ressourcen durch Aufteilung stoßweise anfallender Lasten auf verschiedene Rechner:

- Jeder Rechner kann die Aufgabe ausführen, Rechnerwahl durch Lastmanager

- Abfangen von Leistungsanforderungsspitzen, Vermeidung von Leerlaufzeiten

Verringerte Antwortzeiten durch Aufteilung einer Aufgabe in Teilaufgaben:

- Aufgabe muss zerlegbar sein

- Verwaltungsoverhead muss in gesundem Verhältnis zu gesparter Antwortzeit stehen

Weiterbetrieb bei Ausfall einzelner Rechner des Verbunds

Bessere Auslastung von Ressourcen, erhöhte Verfügbarkeit benötigter Daten:

- geografisch verteilter Datenablageverbund

- Herausforderung: Datenkonsistenz

Bereitstellung spezieller Funktionen an verschiedenen Stellen:

- Teilung von Aufgaben

- Einbindung von Spezialrechnern, die Aufgaben für andere übernehmen (z.B. Druckserver)

Anwendungsschicht: Unterstützung von Netzwerkanwendungen wie FTP, SMTP, HTTP

Darstellungsschicht: Ermöglicht es Anwendungen, die Bedeutung von Daten zu interpretieren (z.B. Verschlüsselung)

Kommunikationsschicht: Synchronisation, Setzen von Wiederherstellungspunkten

Transportschicht: Datentransfer zwischen Prozessen (TCP, UDP)

Netzwerkschicht: Weiterleiten der Daten von einem Sender zu einem Empfänger (IP, Routing-Protokolle)

Sicherungsschicht: Datentransfer zwischen benachbarten Netzwerksystemen (Ethernet)

Bitübertragungsschicht: Bits auf der Leitung

Netzwerkgeräte, die Netzwerkpakete zwischen mehreren Rechnernetzen weiterleiten können.

Nutzung meistens zur

- Internetanbindung

- sicheren Kopplung mehrerer Standorte (Virtual Private Network)

- direkten Kopplung mehrerer lokaler Netzwerksegmente

Kopplungselement, das Netzwerksegmente miteinander verbindet

- sorgt innerhalb eines Segments dafür, dass Datenframes an ihr Ziel gelanden

- Weiterleitungsentscheidung anhand selbsttätig gelernter Hardware-Adressen der angeschlossenen Geräte

- zur Verbindung von Geräten in einem Rechnernetz

- Arbeit auf Ebene der Bitübertragungsschicht

- Verstärkung des Signal eines Netzteilnehmers auf Bitebene

- halbiert zur Verfügung stehende Übertragungsrate

Switch: Sucht sich zielgerichtet Ports des Empfängers

Repeater: Leitet Bits an alle Netzteilnehmer weiter

- Struktur der Verbindungen mehrerer Geräte bei einem Computernetz untereinander

- entscheidend für Ausfallsicherheit

- nützlich zur Bewertung einer Netz-Performance

- Durchmesser: maximale direkte Entfernung zwischen zwei Knoten (größerer Durchmesser --> größere Transferzeit)

- Grad: mittlere Anzahl der Links pro Knoten (höherer Grad --> höhere Kosten)

- Bisektionsweite: minimale Anzahl von Links, die durchschnitten werden müssen, um Netz mit n Knoten in 2 Netze mit je n/2 Knoten zu teilen (niedrigere Bisektionsweite --> ungünstigerer Zeitbedarf für Datenaustausch)

- Symmetrie: Netz sieht von jedem Betrachtungspunkt aus gleich aus (Vereinfachung von Programmierung, Lastverteilung und Routing, da es keine Spezialfälle gibt)

- Skalierbarkeit: kleinstes Netzinkrement (Anzahl Knoten und Links), um das man Topologie erweitern kann, um vertretbaren Aufwand, keine Leistungseinbußen und Beibehaltung topologischer Eigenschaften zu garantieren

- Konnektivität: minimale Anzahl Knoten oder Links, die durchtrennt werden müssen, damit Netz als solches nicht mehr funktionsfähig ist

Linie, Baum, Stern, Ring, Vollvermascht, Vermascht, Bus

- je zwei Teilnehmer über Zweipunktverbindung miteinander verbunden

- Weiterleitung der Information von Teilnehmer zu Teilnehmer, bis Bestimmungort erreicht ist

- jeder Teilnehmer kann gleichzeitig als Repeater wirken --> Überbrückung großer Entfernungen

- Problem: Ring wird bei Ausfall eines Teilnehmers unterbrochen

- Lösung: Einsatz eines Ringleitungsverteilers RLV, sodass jedes Gerät nur mit einem Kabel mit dem RLV verbunden ist und RLV Daten von einem Port zum nächsten Port weiterreicht --> technisch eine Sterntopologie, logisch eine Ring-Topologie

Von der Ring-Topologie: Linie ist ein "offener" Ring, bei dem erster und letzter Rechner nicht miteinander verbunden sind --> sehr anfällig, da Ausfall eines Rechners die gesamte weitere Datenübertragung unmöglich macht