Das Dokument behandelt die Grundlagen der multiplexierten Übertragung in vernetzten IT-Systemen, einschließlich verschiedener Multiplexverfahren wie Frequenz-, Zeit- und Code-Multiplexing. Es erläutert die Vermittlungstechniken wie Leitungs-, Speicher- und Paketvermittlung, sowie die Grundlagen des Routings im Netzwerk. Des Weiteren werden Aspekte der Flusssteuerung, Sicherheit und Zuverlässigkeit in Netzwerken behandelt.

1. Vernetzte IT-Systeme
3. Vermittlung und Betrieb
Prof. Dr. Volkmar Langer
Florian Schimanke
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2. Vernetzte IT-Systeme
3. Vermittlung und Betrieb
3.1 Multiplextechnik
Prof. Dr. Volkmar Langer
Florian Schimanke

3. Multiplextechnik
Was ist Multiplexing?
Vermittlung und Betrieb Seite 3

4. Multiplexing
1 physischer Kanal
1 logischer Kanal
Verzweiger Verzweiger
Vermittlung und Betrieb Seite 4
X
X
X
X
Verbindung ohne Multiplexing
Verbindung mit Multiplexing
1 physischer Kanal
3 logische Kanäle
Multiplexer /
Demultiplexer
Multiplexer /
Demultiplexer

5. Überblick Multiplexverfahren
Multiplex-
Verfahren
Vermittlung und Betrieb Seite 5
Frequenz-
Multiplexing
Wellenlängen-
Multiplexing
Zeit-
Multiplexing
Synchrones
Zeitmultiplexing
PDH
SONET/
SDH
Asynchrones
Zeitmultiplexing
Packet Switching
(z.B. Frame
Relay)
Cell Switching
(z.B. ATM)
Code-
Multiplexing
Kupfer
LWL
Funk

6. Grundlegende Multiplexverfahren
Frequenzmultiplexing
Vermittlung und Betrieb Seite 6
Bandbreite logischer Kanal 5
Bandbreite logischer Kanal 4
Bandbreite logischer Kanal 3
Bandbreite logischer Kanal 2
Bandbreite logischer Kanal 1
Gesamtbandbreite des physischen Kanals
Zeit

7. Grundlegende Multiplexverfahren
Zeitmultiplexing
Vermittlung und Betrieb Seite 7
Gesamtbandbreite des physischen Kanals
Zeit
Timeslot
Logischer
Kanal 1
Timeslot
Logischer
Kanal 2
Timeslot
Logischer
Kanal 3
Timeslot
Logischer
Kanal 1
Timeslot
Logischer
Kanal 2
Timeslot
Logischer
Kanal 3
Timeslot
Logischer
Kanal 1

8. Multiplexing
Synchrones Zeitmultiplexing
Multiplexer Demultiplexer
Asynchrones Zeitmultiplexing
Multiplexer Demultiplexer
Vermittlung und Betrieb Seite 8
A
B
A B A B A B A B A B
Feste Zuteilung der Timeslots
Flexible Zuteilung der Timeslots
A
B

9. Vernetzte IT-Systeme
3. Vermittlung und Betrieb
3.2 Paket-/Speicher-/Leitungsvermittlung
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Florian Schimanke

10. Vermittlungssystem – Prinzip
Vermittlungssystem (z.B. Switch oder Router)
Vermittlungs-einheit
Vermittlung und Betrieb Seite 10
Eingangsport
Eingangsport
Eingangsport
Ausgangsport
Ausgangsport
Ausgangsport
Steuereinheit

11. Vermittlungsarten
• Leitungsvermittlung
– Physische Punkt-zu-Punkt-Verbindung
• Speichervermittlung
– Keine direkte Verbindung
– „Store and Forward“-Verbindung
• Paketvermittlung
– Kombination aus Leitungs- und Speichervermittlung
– Aufteilung der Daten in
Fragmente, Pakete, Datagramme, ...
Vermittlung und Betrieb Seite 11

12. Vermittlungsarten (Switching)
Vermittlungsarten
Leitungs-vermittlung
Speicher-vermittlung
Paketvermittlung
Vermittlung und Betrieb Seite 12
Datagramme
(z.B. iP)
Virtual Circuits
(z.B. ATM)
Nachrichten-vermittlung

13. Leitungsvermittlung
(Circuit Switching)
Sender Empfänger
Vermittlung und Betrieb Seite 13
A
B

14. Nachrichten-/Speichervermittlung (Message Switching)
Sender Empfänger
Vermittlung und Betrieb Seite 14
A
B

15. Paketvermittlung
• Prinzip:
– Erzeugung von Frames: Fragmentierung der Daten in Pakete
(Blöcke) gleicher Länge
– fortlaufende Nummerierung der Pakete
– Übermittlung unabhängig von
 Route
 Zeit
Vermittlung und Betrieb Seite 15

16. Vergleich
Nachrichten- und Paketvermittlung
Nachrichtenvermittlung Paketvermittlung
t t
Vermittlung und Betrieb Seite 16

17. Paketvermittlung
• Vorteile:
– Verbindung wird nur für die tatsächliche
Übertragungszeit benötigt
– Gleichzeitige Nutzung einer Leitung
– Routing ist möglich
• Nachteile:
– höherer Protokollaufwand (Multiplexing,
Nummerierung, Routinginformationen, Flusssteuerung)
Vermittlung und Betrieb Seite 17

18. Vernetzte IT-Systeme
3. Vermittlung und Betrieb
3.3 Grundlagen Routing
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19. Grundlagen Routing
Was ist unter Routing zu verstehen?
Grundlagen Routing Seite 19

20. Was ist Routing?
Wie kommen die Daten unter optimaler Nutzung der zur
Verfügung stehenden Ressourcen von A nach B (und
wieder zurück)?
Grundlagen Routing Seite 20
A
B

21. Ziele von Routing-Strategien
• Erzielung eines möglichst großen Gesamtdurchsatzes
• Garantie einer relativ niedrigen mittleren Ende-zu-Ende-
Verzögerung inkl. aller Lauf-, Zwischenspeicher- und
Abfertigungszeiten
• Vermeidung von lokalen Netzüberlastungen durch
Umleitung des Verkehrs bei Eintreten von Stausituationen
Grundlagen Routing Seite 21

22. Routing-Prinzip
ankommendes
Datenpaket
Zielknoten erreicht?
Routingtabelle
Weiterleitung
an
Endgerät (DEE)
Weiterleitung
an nächsten
Router
ja
Grundlagen Routing Seite 22
nein
//

23. Einfachste Routing-Tabelle
Routing-Tabelle
Schicht 3 Adressen
Entfernung in Hops
Next Hop
Jedes Durchlaufen eines Paketes durch einen Router auf dem Weg
vom Sender zum Empfänger wird als Hop bezeichnet!
Grundlagen Routing Seite 23

24. Beispiel für Routing-Tabellen
Netz Next Hop Hops
N1 A 1
N2 C 1
... ... ...
Netz Next Hop Metrik
N1 A 2
N2 E 3
... ... ...
Netz Next Hop Hops
N1 B 2
N2 direkt 0
... ... ...
Netz Next Hop Hops
N1 A 1
N2 E 2
... ... ...
Netz Next Hop Hops
N1 B 2
N2 1
... ... ...
Netz Next Hop Hops
N1 direkt 0
N2 B 2
N2 D 2
N2 D 5
N3 B 8
Grundlagen Routing Seite 24
A
C
D
E
B
N1
N2
N2 B 3
direkt

25. Beispiel: Routing im OSI Referenzmodell
N1 N2
Application
Presentation
Session
Transport
Network
Data Link
Physical
Application
Presentation
Session
Transport
Network
Data Link
Physical
A
Network
Data Link
Physical
B
Network
Data Link
Physical
C
Network
Data Link
Physical
Grundlagen Routing Seite 25
A
C
D
E
B

26. Optimierungskriterien
• hoher Datendurchsatz
• gleichmäßige Lastverteilung
• Kostenminimierung
• Sicherheit
 erfordert ständige Aktualisierung der Routingtabellen!
 Praxis: Kompromiss zwischen Routingeffizienz und Datenaktualität!
 Routing-Tabelle: statt Hops dann Metrik!
 Routing-Verfahren vgl. Kap. 6.4
Grundlagen Routing Seite 26

27. Vernetzte IT-Systeme
3. Vermittlung und Betrieb
3.4 Flusssteuerung
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28. Flusskontrolle (flow control)
• Protokollelement, das die Kommunikation zwischen
…………………………… leistungsfähigen Systemen
im Netz ermöglicht
 ……………………………………………….. zwischen Sender und
Empfänger!
Puffer
Vermittlung und Betrieb Seite 28
unterschiedlich
Geschwindigkeitsanpassung

29. Problem bei Stop-and-Wait
 Kapazität der Übertragungsleitung wird nicht ausgelastet!
Vermittlung und Betrieb Seite 30
Daten
ACK
Stop-and-Wait

30. Problem bei Stop-and-Wait
 Kapazität der Übertragungsleitung wird optimal genutzt
 Keeping the pipe full
Packet-Pipeline
Vermittlung und Betrieb Seite 31
Daten
ACK

31. Sliding-Window-Verfahren
• jeder Frame erhält eine Sequenznummer
• der Sender besitzt ein Schiebefenster (sliding window):
SWS
… 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 …
LAR LFS
LFS – LAR ≤ SWS
• jeder gesendete Frame erzeugt einen Eintrag im Schiebefenster
– Jeder Eintrag steht für einen gesendeten Frame
– LAR: Last Acknowledgement Received bis zu diesem Frame (incl.) wurden
alle quittiert
– LFS: Last Frame Sent
– SWS: Sender Window Size - max. SWS Frames werden ohne ACK
abgeschickt
Vermittlung und Betrieb Seite 32

32. Sliding-Window-Verfahren
• der Empfänger hat ebenfalls ein Sliding Window
RWS
… 5 6 8 9 14 …
LFR LAF
LAF – LFR ≤ RWS
• jedes empfangene Frame erzeugt einen Eintrag
– LFR: Last Frame Received - alle n Frames mit n ≤ LFR wurden
korrekt empfangen und quittiert
– LAF: Largest Acceptable Frame - Frame n wird nur akzeptiert,
wenn LFR < n ≤ LAF
– RWS: Receiver Window Size - Anzahl der Pufferplätze beim
Empfänger
Vermittlung und Betrieb Seite 33

33. Sliding-Window-Verfahren
Sender Empfänger Sender Empfänger
Send 1, 2, 3
ACK 3
Window 2
Send 3, 4, 5
ACK 5
Window 2
Send 5, 6
ACK 7
Window 2
X
X
Static window Sliding window
TCP/IP-Protokollfamilie Seite 34

34. Funktionen/Aufgaben von Sliding Window
• Sicherung der Übertragung
– Neu-Übertragung bei Verlust
– Korrekte Frame-Reihenfolge
• Empfänger gibt nur die Frames mit
Sequenznummer ≤ LFR an die obere Schicht weiter
• Flusskontrolle (durch kleine Erweiterung)
Abstimmung über jeweils
aktuelle Fenstergröße
Vermittlung und Betrieb Seite 35

35. Vernetzte IT-Systeme
3. Vermittlung und Betrieb
3.5 Sicherheit und Zuverlässigkeit
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36. Sicherheit und Zuverlässigkeit
 Sicherheit (security) in Netzwerken
 Betriebsmittelzuordnung
 Berechtigungsschutz
 Zugriffsschutz und Datenschutz
 Speziell Abhörsicherheit in Netzwerken
 Zuverlässigkeit (reliability)
 Verfügbarkeit (availability)
 Mittlere Fehlerintervall (MTBF: mean time between failure)
 Mittlere Reparaturdauer (MTTR: mean time to repair)
Vermittlung und Betrieb Seite 37

37. Sicherheit (security)
• Betriebsmittelzuordnung: Jeder angenommene Job (z.B. Anfrage,
Druckerjob, Datensicherung) muss in angemessener Zeit bearbeitet
werden.
• Berechtigungsschutz: Innerhalb eines Multiusersystems muss jeder
User vor allen anderen geschützt werden, insbesondere vor deren
Fehlern.
• Zugriffs- und Datenschutz: Die Daten der einzelnen User müssen vor
einem zufälligen oder gezieltem Zugriff anderer geschützt werden.
• Speziell Abhörsicherheit: Da die Informationen im Netzwerk häufig
lange Übertragungswege zurücklegen, ist der Einsatz von
Verschlüsselungsverfahren notwendig.
Vermittlung und Betrieb Seite 38

38. Zuverlässigkeit/Verfügbarkeit
 Unter der Verfügbarkeit von x% eines Systems ist zu
verstehen, dass das System während x% der zugesagten
Funktionszeit seine Leistung störungsfrei erbringt!
 wichtig für verbindliche Leistungszusagen (service level
agreements – SLA´s)
 Bsp: Ein Router hat eine Verfügbarkeit von 99,9%
 24h x 30 x 12 = 8640h
 knapp 9 Stunden Ausfall/Jahr!!!
Vermittlung und Betrieb Seite 39

39. Parameter für Verfügbarkeit
 Mittlere Fehlerintervall (MTBF: mean time between failure):
Angabe für das durchschnittliche Zeitintervall, während dessen
ein System fehlerfrei arbeitet.
 Bsp.: Angaben bei Festplatten ca. 40 000 - 60 000h
 Mittlere Reparaturdauer (MTTR: mean time to repair):
Angabe für die durchschnittliche Zeitspanne, in der ein
erkannter/gemeldeter Fehler behoben werden kann.
 Bsp.: 24h-Service auf PC´s bis hin zu Sekunden-Service bei
Netzknoten
Vermittlung und Betrieb Seite 40

40. Qualität und Verfügbarkeit
Wie kann hohe Verfügbarkeit erreicht werden?
 Generell durch Redundanz: Komponenten, Subsystem und
Systeme werden mehrfach bereitgestellt um möglichst hohe
Verfügbarkeit zu erzielen
„Kalter Ersatzrechner“
„Heißer Ersatzrechner“
Intrinsische Überwachung via Netz
Konzept der „ausfallsicheren“ Systeme (Parallel/Einzelbetrieb)
Vermittlung und Betrieb Seite 41

41. Abschätzung/Berechnung der Verfügbarkeit
Wie kann die Verfügbarkeit eines Systems, das
Redundanz enthält, bestimmt werden?
 Die resultierende Ausfallwahrscheinlichkeit bei
Zusammenschalten von Einzelkomponenten mit
individueller Ausfallwahrscheinlichkeit wird wie folgt
berechnet:
Die Ausfallwahrscheinlichkeiten der einzelnen
Komponenten addieren sich, wenn
keine Alternative
…………………………………...besteht.
Die Ausfallwahrscheinlichkeiten der einzelnen
Komponenten müssen multipliziert werden, wenn
Alternativen
……………………………….. bestehen.
Vermittlung und Betrieb Seite 42

42. Quellenhinweise
[1] J. Scherff: Grundkurs Computernetze. Eine kompakte Einführung in die
Netzwerk- und Internet-Technologien, 2., überarbeitete und erweiterte
Auflage 2010, Wiesbaden: Vieweg + Teubner Verlag.
[2] L.L. Peterson, B.S. Davie: Computernetze – Eine systemorientierte
Einführung, dpunkt.verlag Heidelberg, 2008
[3] Tanenbaum, Andrew S.: Computernetzwerke. 4., überarb. Aufl., [4.
Nachdr.]. München: Pearson-Studium (InformatikNetzwerke), 2007
[4] Cisco Networking Academy Program, 1. und 2. Semester CCNA, 3.
Auflage, Markt und Technik Verlag, München, 2007
[5] Cisco Academy @ HSW:
https://www.hsw-elearning.de/cisco/, 2013
August 2014