Compuetrnetze
Quelle: H. R. Hansen: Wirtschaftsinformatik
- Seiten 714 bis 743
1. Netzwerkentwicklung
Die in den 70er Jahren dominierende die
hierarchische Struktur, bei der bestimmte Knotentypen im Netz anderen untergeordnet waren,
resultierte aus den damals typischen Terminalnetzen, bei denen ein Host viele „dumme"
Datenstationen zu bedienen hatte.
Infolge des Minirechnerbooms wurden die
Datenstationen aller Hierarchiestufen und Größenklassen gleichberechtigt um miteinander
kommunizieren zu können (peer to peer).
In den 80er Jahren gab es eine Unmenge an
verschiedenen Netzen.
Aus diesem Grund wurden multiprotokollfähige Steuereinheiten
entwickelt, die mit Datenstationen verschiedener Hersteller kommunizieren konnten.
Auf die OSI Normierungsbestrebungen der ISO
(International Organisation for Standardisation; Vereinigung von über 50 nationalen
Normausschüssen) und auf die Herausbildung des herstellerübergreifenden Marktstandards
TCP/IP haben alle Hersteller mit Gateway Produkten reagiert und damit ihre Welten für die
Kommunikation nach außen geöffnet.
Die Client Server Architektur wird zwar
überall als das Zukunftskonzept der Datenverarbeitung gepriesen, über die reale
Ausgestaltung und die Aufgabenverteilung in solchen verteilten Datenverarbeitungssystemen
gibt es aber unterschiedliche Meinungen. Die Stellung des Großrechners ist noch nicht
ganz klar.
2. Herstellerspezifische und offene
Netze
Ein herstellerspezifisches Netz (proprietary
computer network) ist ein Rechnernetz, dessen Kommunikationsarchitektur nicht dem ISO-OSI
Referenzmodell (Das ISO-OSI Referenzmodell für die Kommunikation offener Systeme - Open
Systems Interconnection - beschreibt ein allgemeines abstraktes Modell für die
Kommunikation zwischen Datenstationen, d.
h. es werden nur die wichtigsten Eigenschaften
des Außenverhaltens funktional festgelegt - 7 Schichten) entspricht. Der
Informationsaustausch zwischen den verbundenen Datenstationen erfolgt nach
herstellereigenen Standards, die zu den Protokollen anderer Hersteller bzw. zu den
ISO-Normen nicht oder nur schwach kompatibel sind.
SNA /Systems Network Architecture) von IBM
TRANSDATA von Siemens
DNA (Digital Network Architecture) von DEC
DCA (Distributed Communicatoins Architecture)
von Unisys
DSE (Distributed Systems Environment) von
Bull
DSN (Distributed Systems Network) von Hewlett
Packard
2.1 SNA von IBM
Anhand dieses Beispiels wollen wir uns die
Datenverarbeitung im Großrechnerumfeld anschauen.
SNA wurde von IBM 1974 angekündigt, um eine
einheitliche Kommunikationsbasis für IBM-Rechner zu schaffen. Seither erlebte diese
Netzwerkarchitektur einige bedeutende Entwicklungsstufen. Dadurch wurde es zu einer sehr
mächtigen, aber im Vergleich zu anderen Netzwerkarchitekturen auch sehr komplexen
Kommunikationsarchitektur. IBM setzte mit SNA einen de-facto Standard, für den viele
kleinere Hersteller in der Kommunikationsbranche kompatible Produkte entwickelt haben.
Auch die anderen großen Computerhersteller haben in ihren Netzwerkarchitekturen SNA
Übergänge implementiert. In SNA ist, wie in OSI, ein funktionales Schichtenmodell und
zugehörige Protokolle definiert, darüber hinaus sind jedoch noch zusätzliche
Komponenten der physischen und logischen Struktur des Systems spezifiziert.
Funktional besteht SNA genauso wie das ISO
OSI Referenzmodell aus einer siebenschichtigen Architektur. Jedoch entsprechen diese nicht
ganz dem ISO OSI Referenzmodell. Jede Schicht nimmt (wie bei OSI) Dienste der
darunterliegenden Schicht in Anspruch, erbringt Dienste für die nächst höhere Schicht
und kommuniziert mittels Protokollen mit den korrespondierenden Schichten in anderen SNA
Produkten.
Ein SNA Netzwerk besteht aus einer Vielzahl
von Hardware- und Softwarekomponenten, den sogenannten Nodes. SNA definiert einen Knoten
als Set von Hardware- und dazugehörigen Softwarekomponenten, das die Funktionen der
sieben Schichten des SNA Architekturmodells implementiert. Je nach Aufgabe werden vier
verschiedene Knotentypen unterschieden:
Subarea Nodes (T5 Knoten od.
Host Nodes): Sie
sind die hierarchisch am höchsten stehenden Knoten. Sie sind normalerweise als
Großrechner (Mainframe) implementiert und stellen jene Funktionen zur Verfügung, die zur
Steuerung eines Netzwerkes notwendig sind.
Communicatoin Controller Nodes (T4 Knoten):
Werden als Vorrechner direkt an den T5 Knoten angeschlossen und enthalten Funktionen, die
den Datenfluß innerhalb eines Subarea Networks steuern.
Peripheral Nodes (T2.0 und T2.1): Dies sind
alles periphere Geräte.
Ein T2.1 Knoten unterscheiden sich von einem T2.0 Knoten durch
die Fähigkeit, mit einem anderen T2.1 Knoten kommunizieren zu können, ohne einen T5
Knoten dazwischenschalten zu müssen dh er besitzt Peer-orientierte Funktionen. Zwei
direkt miteinander in einem Subarea Network verbundene T2.1 Knoten werden als LEN Nodes
(Low Entry Networking Nodes) bezeichnet.
3. Lokale Netze
lokales Netz: LAN = local area network
ermöglicht die Kommunikation zwischen mehreren unabhängigen Datenstationen mit hoher
Übertragungsgeschwindigkeit (mehrere Mio. Bits/sec) und niedriger Fehlerrate in einem
begrenzten Gebiet (in vielen Ländern wegen Postmonopol begrenzt auf ein Grundstück;
maximale Entfernung zw. Knotenrechnern ca. 10 km)
3.1 Zugangsverfahren
Man kann sich ein lokales Netz wie ein
großes Förderband vorstellen, auf dem Datenpakete transportiert werden.
Dabei sind aber
folgende Probleme zu lösen: Wer darf wann ein Datenpaket auf das Förderband legen und
wer entfernt es wieder? Das entfernen der Pakete erfolgt bei einem Förderband von selbst
- es fällt hinunter. Bei einem lokalen Busnetz muß an jedem Ende ein „Dämpfer"
eingebaut sein, der die Signale schluckt. Bei einem Ringnetz muß der Sender sein
Datenpaket sobald es wieder bei ihm angelangt ist, wieder löschen. Lesen von Nachrichten
im lokalen Netz heißt also nicht, daß die Nachricht heruntergenommen wird, sondern daß
eine Kopie des Inhaltes angelegt wird.
Dabei gibt es prinzipiell zwei
Möglichkeiten:
Eine strenge Vorschrift, die exakt festlegt,
wann welche Station senden darf, oder
jede Station ist sendeberechtigt, bis durch
die Sendekonkurrenz der kommunizierenden Station ein Fehler auftritt, der dann korrigiert
wird.
3.
2 Strenge Zugangsregelung -
Tokenverfahren
Wenn sichergestellt wird, daß zu einem
Zeitpunkt nur eine Station senden darf, kann es nie zu Überschneidungen kommen. Für die
strenge Zugangsregelung hat sich das Tokenkonzept durchgesetzt:
In einem Netz kursiert ein eindeutiges
Zeichen in Form eines speziellen Bitmusters, das Token. Jede Station, die senden will,
muß auf das Token warten. Wenn es bei ihr eintrifft, kann sie es vom Netz entfernen und
darf das eigene Paket senden. Spätestens nach einer vorgegebenen Zeitspanne ist die
Sendung zu beenden, und als Endmarke wird das Token an die Nachricht angefügt. Dadurch
wird auch gleichzeitig die Sendeberechtigung an den nächsten Teilnehmer weitergegeben.
Natürlich gibt es auch Regelungen, um zu vermeiden, daß Daten, die wie das Token
aussehen als Token interpretiert werden können. Es kann also nie dazu kommen, daß zwei
Stationen gleichzeitig senden. Der einzige Fehler kann nur dann auftreten, wenn das Token
verlorengeht. In diesem Fall erzeugt eine beliebige Station ein Ersatztoken, welches von
allen Stationen bestätigt wird oder eine Station meldet, daß sie das Token hat.
Zusammenfassung 1: Tokenverfahren
3.3 Wettkampfverfahren - CSMA/CD
Das Konzept dieses Systems, bei dem
natürlich auch nach strengen Regeln vorgegangen wird, wurde in der Universität in Haiti
entwickelt.
Die einzelnen Institute sind auf viele Inseln verteilt und können nicht durch
Kabel verbunden werden. Durch diese Lage war man gezwungen, ein Rundfunkverfahren zu
entwickeln: Einer sendet, die anderen hören zu. Da aber jede Station gleichzeitig Sender
und Empfänger ist, kann es natürlich vorkommen, daß mehrere Stationen zugleich senden
und daher keiner etwas versteht.
Das Verfahren wurde also mit folgender
Vorschrift verbessert: Bevor eine Station sendet, muß sie sich überzeugen, daß kein
anderer Teilnehmer sendet. Wenn der Kanal frei ist, kann man mit der Übertragung
beginnen, wenn jemand sendet muß man warten, bis der Kanal wieder frei wird. Dieses
System arbeitet schon viel besser.
Es kann aber ein Fehler auftreten, wenn zwei Stationen
zur gleichen Zeit senden wollen.
Folglich gibt es noch einen dritten
Entwicklungsschritt: Nicht nur vor, sondern auch während der Sendung ist der
Übertragungskanal abzuhören. Damit kann jede Kollision erkannt werden und die Sender
brechen die Übertragung ab.
Das eben beschriebene Verfahren ist bei
Busnetzen gebräuchlich und heiß CSMA/CD (carrier sense multiple access witch collision
detection):
viele beliebige Sender: multiple access
vor dem Senden hineinhorchen: carrier sensing
und auch während der Übertragung den Kanal
prüfen: collision detection.
Zusammenfassung 2: CSMA/CD
Der Vergleich der Zugangsprotokolle läßt
keine schlüssige Bewertung zu, welches Verfahren besser ist. Es hängt von den
Bedingungen im lokalen Netz ab.
Im Hochlastbereich ist das Tokennetz schneller als das
CSMA/CD. Dafür hat CSMA/CD bei einer geringeren Zahl von Stationen und nicht so
intensivem Nachrichtenverkehr, daß man nicht auf das Token warten muß, sondern gleich
senden kann.
3.4 Kopplung von lokalen Netzen
Für viele Betriebe ist es günstiger,
mehrere lokale Netze zu installieren, da jede Abteilung andere Software benötigt. Auch
wäre ein großes Netz viel langsamer, weil alle Daten an alle geschickt würden. So
werden aber nur die notwendigen Informationen außerhalb des lokalen Netzes gebracht.
Dies
wird durch spezielle Kopplungseinheiten realisiert (Repeater, Bridges, Router, Gateways,
...). Lokale Netze können so natürlich auch über lange Strecken mit Standleitungen
verbunden werden. Wenn nun eine Station eine Nachricht an eine Station in einem anderen
lokalen Netz senden will, so sendet sie diese an den Router, der die Weiterleitung
übernimmt.
Falls das Zielnetz nicht direkt von Router erreichbar ist, wird die Nachricht
an den nächstgelegenen Router weitergeleitet. Einem Router muß also die gesamte
Topologie des Netzes bekannt sein.
3.5 LAN-Standards: Ethernet, Tokenring,
FDDI
Noch vor einem Jahrzehnt gab es eine Vielzahl
an LAN-Systemen. Die IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers; große
herstellerneutrale Vereinigung, die Anwenderinteressen vertritt) hat mit dem Standard IEEE
802 diese Vielzahl auf einige Grundsysteme reduziert.
IEEE 802.
3: CSMA/CD - ein Bussystem mit
CSMA/CD - Zugangsverfahren
IEEE 802.5: Tokenring - ein Ringsystem mit
Token - Zugangsverfahren
IEEE 802.4: Tokenbussystem
IEEE 802.6: Metropolitan Area Network
IEEE 802.8: FDDI - ein
Hochgeschwindigkeitsnetz mit Glasfaserkabeln
Die ISO hat die IEEE - 802 - Normen als ISO
8802 - Normen übernommen.
Tokenbus:
Bei einem Tokenbussystem ist ein logischer
Ring auf einem physikalischen Bus implementiert.
Das heißt, die Stationen sind
physikalisch durch einen Bus miteinander verbunden, als Zugangsregelung wird das
Tokenverfahren verwendet.
Ethernet:
Das Ethernet ist der am weitesten verbreitete
LAN - Standard. Ein Ethernet ist relativ Kostengünstig und bietet eine hohe
Betriebssicherheit Es verwendet einen passiven Basisbandbus, der eine
Übertragungsgeschwindigkeit von 10 Mbit/s ermöglicht. Das Zugangsprotokoll ist CSMA/CD.
Die maximale Netzwerklänge beträgt 2500 m, bis zu 1024 Stationen können angeschlossen
werden.
Tokenring:
Das Tokenring ist ein von IBM favorisierter
LAN - Standard, der in der ISO 8802-5 Norm definiert ist.
Die Netzwerktopologie ist ein
Ring, die Zugangsregelung erfolgt mittels Tokenverfahrens. Für das Medium bestehen zwei
Varianten: Verdrillte Kupferkabel erlauben Übertragungsraten von 1 bis 4 Mbit/s, bei
Basisbandübertragungen über Koaxialkabel sind Übertragungsraten von 4 bis 40 Mbit/s
möglich.
FDDI:
Der FDDI - Standard (FDDI: fiber distributed
data interface; Deutsch: Datenschnittstelle für verteilte Glasfasernetze) spezifiziert
einen Glasfaserring mit einer maximalen Länge von 100 km für Hochgeschwindigkeitsnetze.
Mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 100 Mbit/s wird er vorwiegend als „Backbone"
für unternehmensweite Netze eingesetzt. FDDI unterstützt sowohl synchrone als auch
asynchrone Datenübertragung und bietet Schnittstellen zu Ethernet und Tokenring - Netzen
an. Bis zu 500 Stationen können an einen FDDI - Ring angeschlossen werden, wobei die
maximale Entfernung von je zwei Datenstationen 2 km beträgt.
FDDI ist als Doppelring mit
einer Gesamtlänge von 200 km definiert, wobei in den beiden Ringen gegenläufig
zueinander Übertragen wird. Der Sekondärring dient im normalen Betrieb als Backup -
Ring, auf den bei Bedarf und in Notfällen automatisch umgeschaltet wird. Die Doppelring -
Struktur ermöglicht ein hohes Maß an Fehlertoleranz und Ausfallsicherheit. Bei
Störungen wird das Netz automatisch neu konfiguriert. Bezüglich des Netzanschlusses
werden zwei Arten von Datenstationen unterschieden: Typ A Stationen sind direkt mit dem
Primär und dem Secondärring verbunden und erhalten folglich die Komponenten der
physikalischen Schicht in doppelter Ausführung. Typ B Stationen sind nicht direkt sondern
über Konzentratoren einfach an den FDDI Ring angeschlossen.
Es können auch an
Konzentratoren weitere Konzentratoren angeschlossen werden.
4. PC - Host Verbund
In vielen Firmen ist es heute so, daß die
Mitarbeiter den Komfort eines PCs ausnützen wollen, aber trotzdem auf die Daten des
Großrechners zugreifen sollen. Dabei prallen nun zwei verschiedene Welten aufeinander.
Der physikalische Anschluß eines Microrechners an das Rechnernetz wird meist über eine
Adapterkarte realisiert. Die Abwicklung des Programmes erfolgt programmgesteuert.
Die dazu
erforderliche Software für den Mikrorechner wird beim Kauf der Adapterkarte mitgeliefert.
Im einfachsten Fall arbeitet der Microrechner
als Stapelstation. In diesem Fall werden Daten von Großrechner zum Microrechner
übertragen und natürlich auch umgekehrt. Soll der Microrechner auch die Hardware
(Prozessor, Drucker, Platten, ...
), Programme und Datenbestände des Zentralrechners im
Dialogbetrieb nutzen können, so ist eine Terminalemulation erforderlich. Dabei wird durch
die Software das Kommunikationsverhalten eines „dummen" Terminals nachgebildet.
Probleme gibt es oft damit, daß der Großrechner eine andere Tastatur verwendet, als der
Microrechner.
5. Client-Server-Systeme
Eine Client-Server-Anwendung kann quasi als
„geteilte Anwendung" betrachtet werden, die in der Verarbeitung teilweise von
Client und teilweise von Server vorgenommen wird. Für die funktionale Trennung der
Programmlogik zwischen Client und Server innerhalb einer Anwendung gibt es meist mehrere
Möglichkeiten.
Grundidee der Client-Server-Architektur ist eine möglichst optimale
Ausnutzung der Ressourcen der beteiligten Systeme. In diesem Modell werden die Vorzüge
von Arbeitsplatzrechnern mit mehrbenutzerfähigen Verarbeitungsrechnern integriert.
Meist werden im Client-Teil der Anwendung die
Benutzeroberfläche, die Eingabeprüfung, die Verarbeitung und die
Kommunikatoinskomponente (Kommunikation mit Server) realisiert. Ein Server besteht aus
einer Kommunikationskomponente und einer Komponente zur Datenspeicherung und
Datenmanipulation.
Client-Server-Computing bedeutet also eine
bestimmte Rollenaufteilung einer Anwendung in die dienstanfordernde (Client) und
diensterbringende Teil (Server). Das Serversystem stellt eine od.
mehrere Funktionen zur
Verfügung (Drucken, Datenbanken, ...), die von Client aufgerufen werden können.
Entwicklungen, die das Client-Server-Modell
unterstützen:
Steigende Leistungsfähigkeit von
Arbeitsplatzrechnern
Verfügbarkeit von immer leistungsfähigeren
und kostengünstigeren Netzverbindungen
zunehmendes Angebot von
Kommunikationsstandards und Standardsystemplattformen
veränderte Unternehmensstrukturen
verstärkter Wunsch nach Integration
bestehender PC-Insellösungen
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