Technische Universität Ilmenau Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Hauptseminar Verteilung von Software und Daten in drahtlosen, vermaschten Weitverkehrsnetzen vorgelegt von: Nikita Paul Chruscz eingereicht am: 14. 01. 2019 geboren am: Studiengang: Wirtschaftsingenieurwesen Studienrichtung: Elektrotechnik Informationstechnik / Telekommunikation Anfertigung im Fachgebiet: Kommunikationsnetze Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Verantwortlicher Professor: Prof. Dr. rer. nat. Jochen Seitz Wissenschaftlicher Betreuer: M. Sc. Matthias Aumüller Inhaltsverzeichnis i Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Grundlagen der Softwareverteilung in WANs 2 2.1 Wide Area Networks . 2 2.2 Softwareverteilung mit Protokollen . 3 3 Protokolle zur Softwareverteilung 6 3.1 FTP . 6 3.1.1 Aufbau und Funktionsweise von FTP . 6 3.1.2 Vor- und Nachteile von FTP . 7 3.1.3 Anwendbarkeit von FTP in WANs . 8 3.2 BitTorrent . 8 3.2.1 Aufbau und Funktionsweise von BitTorrent . 8 3.2.2 Vor- und Nachteile von BitTorrent . 11 3.2.3 Anwendbarkeit von BitTorrent in WANs . 11 3.3 Gnutella . 12 3.3.1 Aufbau und Funktionsweise von Gnutella . 12 3.3.2 Vor- und Nachteile von Gnutella . 15 3.3.3 Anwendbarkeit von Gnutella in WANs . 15 3.4 Chord . 16 3.4.1 Aufbau und Funktionsweise von Chord . 16 3.4.2 Vor- und Nachteile von Chord . 20 3.4.3 Anwendbarkeit von Chord in WANs . 20 4 Gegenüberstellung der Protokolle 22 5 Weitere Anwendungsfälle der Protokolle 24 6 Zusammenfassung und Fazit 26 Literaturverzeichnis 28 Hauptseminar Nikita Paul Chruscz Inhaltsverzeichnis ii Abbildungsverzeichnis 31 Tabellenverzeichnis 32 Abkürzungsverzeichnis 33 Erklärung 34 Hauptseminar Nikita Paul Chruscz 1 Einleitung 1 1 Einleitung Die zunehmende Digitalisierung und Globalisierung, führt zu einem erhöhten Bedarf an digitalem Datenaustausch. Hierbei stellen Weitverkehrsnetze (engl. Wide Area Net- work, WAN) eine Form dar, um Telekommunikations- oder Computernetze über große geographische Distanz zu realisieren. Dabei kann ein WAN sich über eine Region er- strecken, ein Land oder mehrere Kontinente mit einander verbinden. Ein WAN eignet sich z.B. wenn ein Unternehmen mehr als einen Standort hat und die lokalen Netze (engl. Local Area Network, LAN) verbinden möchte [Cow12]. Im Rahmen dieser Seminararbeit werden Protokolle untersucht, die sich zum Ver- teilen von Daten und Software in drahtlosen, vermaschten Weitverkehrsnetzen eignen. Darüber hinaus, werden diese Protokolle verglichen und die einzelnen Vorteile und Nachteile der Protokolle herausgearbeitet. Zusätzlich werden weitere Anwendungsfälle in denen die Protokolle genutzt werden können ermittelt. Hierfür werden zunächst in Kapitel 2 die Grundlagen der Softwareverteilung mittels Protokollen in WANs kurz skizziert. Anschließend werden in Kapitel 3 Protokolle zur Softwareverteilung vorgestellt, für die Anwendung in WANs, zusätzlich werden hier Vor- und Nachteile der einzelnen Protokolle erarbeitet. In Kapitel 4 werden die zuvor analysierten Protokolle mittels einer Tabelle gegenübergestellt. Weiterführend werden mögliche weitere Anwendungsfälle der zuvor behandelten Protokolle ermittelt und in Kapitel 5 kurz dargestellt. Abschließend werden die Ergebnisse der Arbeit zu einem Fazit zusammengefasst (Kapitel 6). Hauptseminar Nikita Paul Chruscz 2 Grundlagen der Softwareverteilung in WANs 2 2 Grundlagen der Softwareverteilung in WANs Die folgenden Kapitel stellen die Grundlagen für die Seminararbeit dar. Dazu wird zu- erst das WAN vorgestellt und anschließend die Softwareverteilung mittels Protokollen. 2.1 Wide Area Networks WANs werden genutzt um Daten über weite Distanzen zu übermitteln. Dabei kann sich ein WAN über eine gewisse Region, ein ganzes Land oder sogar über mehrere Kontinente erstrecken (auch als Global Area Network (GAN) bekannt). Ein WAN kann dabei z.B. wie in Abbildung 2.1 dargestellt, gebildet werden. Abbildung 2.1: Beispielhaftes europaweites vermaschtes WAN Das dargestellte WAN, ist hierbei vermascht, das ergibt sich daraus, dass jeder Kno- Hauptseminar Nikita Paul Chruscz 2 Grundlagen der Softwareverteilung in WANs 3 ten über eine oder mehrere Kanten mit anderen Knoten direkt verbunden ist. Ein Netz in dem jeder Knoten mit jedem anderen Knoten verbunden ist, heißt voll vermaschtes Netz. Außerdem sind die dargestellten Kanten dieses WANs ungerichtet bzw. bidi- rektional, d.h., dass Daten in beide Richtungen zwischen zwei verbundenen Knoten übermittelt werden können. Dabei setzt sich, wie in Abbildung 2.1 abgebildet, ein WAN aus einzelnen LANs oder einzelnen Computern bzw. Servern zusammen. Die maximale Anzahl an Knoten ist hierbei durch die maximale Anzahl an Adressen von IPv4 (< 232) bzw. IPv6(< 2128) limitiert. Beispiele für bekannte WANs sind unter anderem: • Das Internet, welches vermascht ist und z.B. durch Long Term Evolution (LTE) auch drahtlos verfügbar ist [Lam18]. • Highspeed Amateurradio Multimedia NETwork (HAMNET), ein ver- maschtes, funk- und kabelgebundenes IP-Netzwerk zwischen Amateurfunksta- tionen. • Bahnnetze mit European Train Control System (ETCS), greifen auf ver- maschte WANs zu, die der Zugsteuerung, -sicherung und -disposition dienen. Dabei werden Stellwerke, Signale, Weichen und weitere Feldelement miteinander vernetzt und über Betriebszentralen zusammengefasst. Im Rahmen des OSI 7-Schichten Modells, arbeiten WANs auf den beiden unteren Ebenen, der Bitübertragungsschicht (engl. Physical Layer) und der Sicherungsschicht (engl. Data Link Layer). Weiterhin, verwenden die Netzknoten in einem WAN die dritte Schicht, die Vermittlungsschicht (engl. Network Layer) [Don17]. Die Datenrate von WANs sind allgemein geringer als die von LANs [Cow12]. 2.2 Softwareverteilung mit Protokollen Der Begriff Softwareverteilung ist nicht eindeutig definiert. So wird der Begriff zum einen für Prozesse zur meist automatisierten Installation von Software auf Client-PCs und Servern verwendet [Adm13]. Zum anderen kann der Begriff Softwareverteilung aber auch die Bereitstellung von Daten bzw. Software (z.B. Installationsdateien) im Internet beschreiben [Erd06]. Softwareverteilung kann aber auch z.B. die Verteilung von Datenträgern mit Software während einer Messe sein. Im Rahmen dieser Seminararbeit wird der Begriff der Softwareverteilung genutzt, als die Distribution von Software und Daten innerhalb eines WANs, in diesem Sinn Hauptseminar Nikita Paul Chruscz 2 Grundlagen der Softwareverteilung in WANs 4 wird auch der Begriff des Filesharings verwendet. Für das Übertragen von Daten werden dabei Protokolle benötigt. Konkret werden hier Kommunikationsprotokolle betrachtet, sie legen die Regeln für die Wechselwirkung zwischen Knoten eines Netzwerks bzw. deren Instanzen fest. Dabei wird durch das Kommunikationsprotokoll die zeitliche Abfolge von Interaktionen und das Format der auszutauschenden Daten zwischen Knoten definiert [Kö02]. Darüber hinaus lassen sich unterschiedliche Netzwerkstrukturen zur Softwarevertei- lung unterscheiden, diese sind in Abbildung 2.2 dargestellt. Hierbei lassen sich 3 Arten differenzieren: 1. Client-Server-Modell In einer Client-Server-Architektur, befindet sich ein zentraler Server in einem Netzwerk mit mehreren Clients. Dateien werden von berechtigten Usern auf dem Server abgelegt, bzw. von diesem heruntergeladen. Dabei kann ein Server von mehreren Clients gleichzeitig adressiert werden. Bei Bedarf kann ein Client einen Download von dem Server anfordern, daraufhin antwortet der Server. Eine Er- weiterung bieten vermaschte Netze, hier kann der Server den Client an Knoten mit der angefragten Datei weiterleiten, um dort die Datei direkt herunterzuladen [Ber92]. 2. Peer-To-Peer mit Koordinationsserver Peer-to-Peer (P2P) beschreibt die Verbindung zwischen zwei gleichberechtigten Knoten, Peer wird synonym zu einem bekannten bzw. verbundenen Knoten ver- wendet. In einem P2P-Netzwerk mit Koordinationsserver, wird durch den zen- tralen Server eine Liste, der im Netzwerk vorhanden und angebotenen Dateien, geführt. Die Verteilung von Daten und Software erfolgt unmittelbar via P2P zwi- schen Knoten, nachdem diese durch einen Server aufeinander verwiesen wurden. Eine Erweiterung der Technik ermöglicht den Download von Dateien von meh- reren Knoten gleichzeitig, vorausgesetzt diese bieten die selbe Software an. P2P mit Koordinationserver stellt eine Erweiterung der ursprünglichen Client-Server- Modelle dar, dadurch, dass im Endeffekt eine Client-Server-Beziehung zwischen dem Knoten, der eine Datei anfragt, und dem Server besteht. 3. Peer-to-Peer vollständig dezentral Ein vollständig dezentrales P2P-Netzwerk kommt ohne Server aus. Die Zuord- nung zu den Knoten und die Verweise auf Knoten erfolgt selbstständig unter den Knoten. Die Software wird direkt von anderen Knoten heruntergeladen, auch hier ist es möglich, die Daten von mehreren Knoten gleichzeitig zu beziehen. Hauptseminar Nikita Paul Chruscz 2 Grundlagen der Softwareverteilung in WANs 5 Abbildung 2.2: Verschiedene Netzwerkstrukturen für Filesharing Hauptseminar Nikita Paul Chruscz 3 Protokolle zur Softwareverteilung 6 3 Protokolle zur Softwareverteilung Die diversen Protokolle zur Softwareverteilung lassen sich zu den in Kapitel 2.2 vorge- stellten Netzwerkstrukturen für Filesharing zuordnen. 1. Client-Server-Modell Zu den Protokollen die eine Client-Server-Architektur verwenden zählen: Unix to Unix Copy Protocol, Apple Filing Protocol und Server Message Block, vorgestellt wird als Beispiel für diese Netzwerkstruktur das File Transfer Protocol (FTP). 2. P2P mit Koordinationsserver Beispiele für Protokolle, die diese Struktur verwenden