Interlexikon-Paketvermittlung

DIMAWEB-Interlexikon (Fachbegriffe)

PAKETVERMITTLUNG

Allgemein

Die PAKETVERMITTLUNG (englisch packet switching) ist ein Verfahren der Datenübertragung in Rechnernetzen. Längere Nachrichten werden in einzelne Datenpakete aufgeteilt und entweder verbindungslos (Datagramm Schalteinrichtung) oder verbindungsorientiert (virtuelle Leitungsvermittlung) übermittelt.

Das Prinzip der Paketvermittlung wurde zunächst für militärische Zwecke in den frühen 1960er Jahren entwickelt und vorerst in kleineren Netzwerken eingesetzt. In weiterer Folge wurde diese Art der Datenübertragung eine der grundlegenden Netzwerk-Technologien im heutigen Internet.

Die Merkmale der Paketvermittlung bestehen in variablen Bitraten (Datenströme oder Paketfolgen). Bei der Paketvermittlung durchqueren die Pakete als unabhängige und eigenständige Einheiten das Netz und können in den Vermittlungsknoten zwischengespeichert (gepuffert) werden.

Im Gegensatz zur herkömmlichen Leitungsvermittlung handelt es sich dabei um ein Verfahren, welches eine begrenzte Anzahl von dedizierten Verbindungen konstanter Bitraten und Verzögerungen zwischen den einzelnen Verbindungsknoten ausschließlich für die Verwendung von Kommunikationssitzungen verwendet.

Paketvermittlungsmethoden

Verbindungslose Paketvermittlung (auch als Datagramm Schalteinrichtung bekannt)

Jedes einzelne Paket umfasst komplette Adressierungen oder Routing-Informationen, diese Pakete werden einzeln und individuell weitergeleitet. Dadurch bedingt werden jedoch verschiedene Übermittlungspfade genutzt, was dazu führen kann, dass Daten nicht in gleicher Reihenfolge beim Empfänger ankommen, wie sie ursprünglich gesendet wurden. Auch bestehen weitere Fehlerquoten wie zb. eine eventuelle „Nicht- Erreichbarkeit“.

Verbindungsorientierte Paketvermittlung (auch als virtuelle Leitungsvermittlung bekannt)

In diesem Fall wird eine eigene Verbindung definiert. Diese Verbindung wird in jedem beteiligten Knoten, während der Übermittlungsphase, vorreserviert. Bei dieser Übermittlung werden die einzelnen Pakete genau identifiziert und in der richtigen Reihenfolge geliefert.

Paketmodus

Übermittlungen können mit oder ohne Zwischenspeicherung in den beteiligten Knoten (Paketweichen oder Router) genutzt werden. In allen Paketmodi werden Netzwerkressourcen durch statistisches Multiplexverfahren oder dynamische Bandbreitenzuweisung effektiv in eine beliebige Anzahl von logischen, variablen Bit-Rate-Kanäle oder Datenströmen aufgeteilt und verwaltet.

Jeder logische Strom besteht aus einer Folge von Paketen, die normalerweise durch Multiplexverfahren und Netzknoten asynchron mit first-in-first-out Puffer weitergeleitet werden. Alternativ können die Pakete auch mittels Fair Queuing weitergeleitet werden.

Bei einem gemeinsam genutzten Netzwerk, können die Pakete durch verschiedene Paket-Modi- Mehrfachzugriffsanordnungen verschickt werden. 

Geschichte

Das Konzept der Paketvermittlung wurde anfänglich von Paul Baran in den frühen 1960er Jahren erforscht. Unabhängig davon hatte Donald Davies am National Physical Laboratory (NPL) in Großbritannien die gleiche Idee und entwickelte ein paar Jahre später Abbate 2000.

Leonard Kleinrock`s frühe Forschungen in der Warteschlangentheorie bewies die Funktionalität der Paketvermittlung und veröffentlichte 1961 seine Forschungsarbeit des verwandten Gebietes der digitalen Nachrichtenübermittlung. Er übernahm später eine der führenden Rollen beim Aufbau und Management des weltweit ersten Paketvermittlungsnetzes, das ARPANET.

Verbindungslose und verbindungsorientierte Paketvermittlung

Es wird zwischen zwei Paketvermittlungsmethoden unterschieden. Der verbindungslosen Paketvermittlung (bezogen auf Datagramm Nachrichten) und der verbindungsorientierten Paketvermittlung (virtuelle Leitungsvermittlung).

Verbindungslose Protokolle sind zb. Ethernet, IP und UDP.

Verbindungsorientierte Protokolle sind zb. X.25, Multiprotocol Label Switching (MPLS) und Asynchronous Transfer Mode (ATM).

Bei der verbindungslosen Paketvermittlung wird jedes Paket mit einer Zieladresse, Quelladresse und den Port-Nummern versehen, weiters kann es aber auch mit einer betreffenden Sequenznummer gekennzeichnet sein. Dies schließt die Notwendigkeit einer genauen Pfadangabe (Wegbeschreibung zum Zielempfänger) aus. Es bedeutet jedoch, dass viel mehr Informationen, als notwendig, im Paket-Header gespeichert werden müssen. Jedes Paket wird versandt und kann über verschiedene Wege zum Ziel gelangen. Folglich muss nun jedes System sehr viel mehr Arbeit leisten, als im Gegenzug zur verbindungsorientierten Übermittlung. Am Bestimmungsort wird die ursprüngliche Nachricht / Daten in der richtigen Reihenfolge wieder zusammengesetzt, bezogen auf die Paketfolgenummer. Diese virtuelle Verbindung, die auch als virtuelle Schaltung oder Bytestrom bekannt ist, wird dem Endbenutzer durch ein Transportschichtprotokoll bereitgestellt.

Im Gegensatz dazu, wird bei der verbindungsorientierten Paketvermittlung jedes Paket mit einem Verbindungs-ID anstelle einer Adresse versehen. Diese Adressinformation wird nur an jedem einzelnen Knoten während der Phase des Verbindungsaufbaus übermittelt. Wenn nun diese Information während des Weges zum Zielempfänger angesprochen wird, erfolgt ein Eintrag in den Schalttabellen jedes betreffenden Netzknotens und die Verbindung wird geschaltet. Die Übermittlung bzw. Weiterleitung eines solchen Paketes ist sehr einfach, da nur ein „Nachschlagen“ in den Schalttabellen der Knoten erforderlich ist, um die betreffende Verbindungs- ID zu ermitteln. Der dazu notwendige Paket-Header enthält wesentlich weniger Informationen (ID, Länge, Zeitstempel oder Folgenummer).

Paketvermittlung in Netzwerken

Das System der Paketvermittlung wird verwendet um die Nutzung von Kanalkapazitäten in digitalen Telekommunikationsnetzen wie Computernetzwerken zu optimieren, die Übertragungslatenz (die Zeit, die Daten über das Netzwerk benötigen um es zu passieren) zu minimieren und um die Stabilität der Kommunikation zu erhöhen. Die bekannteste Verwendung von Paketvermittlungsdiensten erfolgt im Internet sowie und in den meisten lokalen Netzwerken. Im Internet werden durch die Internet-Protokoll-Familie eine Vielzahl von Link Layer Technologien implementiert. Beispielsweise sind Ethernet oder Frame Relay üblich.

X.25 besitzt die Eigenschaften eines leitungsvermittelten Netzes, obwohl die Daten intern paketvermittelt werden. Diese virtuellen Schaltungen ermöglichen Pakete in variabler Länge.

Technologien wie Multiprotocol Label Switching (MPLS) ermöglichen die verbindungsorientierte Übertragung von Datenpaketen in einem verbindungslosen Netz entlang eines zuvor aufgebauten („signalisierten“) Pfades. Dieses Vermittlungsverfahren wird überwiegend von Betreibern großer Transportnetze eingesetzt, die Sprach- und Datendienste auf Basis von IP anbieten. (zb. Internetprovider).

Asynchronous Transfer Mode (ATM) ist eine Technik der Datenübertragung, bei der der Datenverkehr in kleine Pakete – Zellen oder Slots genannt – mit fester Länge (53 Byte, davon 48 Byte Daten, 5 Byte Zellkopf) codiert und über asynchrones Zeitmultiplexing übertragen wird.

MPLS und seine Vorgänger sowie ATM, wurden als "Fast Packet"-Technologien bekannt. Moderne Router jedoch benötigen diese Art der Technologien nicht, um Pakete in variabler Länge mittels Multigigabit Geschwindigkeiten im Netzwerk zu übermitteln.

Quellenangaben

Packet Switching, History and Design (Living Internet.com - 2000)

The Evolution of Packet Switching (Dr. Lawrence G. Roberts – November 1978)

und Eigene

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