Aufgaben: Topologien, Client-Server-Struktur, Protokolle und Schichtenmodell

Familie Yilmaz wohnt in Köln und hat ein Smart Home eingerichtet. Im Wohnungsnetz sind ein Router R, ein Thermostat T, ein Fensterkontakt F, ein Laptop L und ein Smartphone S vorhanden. Jedes der vier Geräte T, F, L und S ist durch eine eigene Verbindung ausschließlich mit dem Router R verbunden. Weitere Verbindungen zwischen den Geräten gibt es nicht. Das Thermostat sendet alle fünf Minuten die gemessene Raumtemperatur an einen Server eines Anbieters im Internet. Dieser Server stellt die Daten in einer App bereit.

1. a) Nennen Sie die Netzwerk-Topologie des Wohnungsnetzes und geben Sie die Anzahl der Verbindungen an.

1. b) Erläutern Sie, welche Auswirkungen der Ausfall des Routers und welche Auswirkungen der Ausfall des Thermostats auf das Netz hat.

1. c) Ordnen Sie dem Thermostat und dem Server des Anbieters jeweils die Rolle Client oder Server zu und begründen Sie Ihre Zuordnung.

Für die Kommunikation im Internet wird häufig das TCP/IP-Schichtenmodell mit vier Schichten verwendet. Die folgende Tabelle enthält Protokolle bzw. Aufgaben, die diesen Schichten zugeordnet werden können.

1. a) Ordnen Sie die vier Einträge den Schichten Anwendungsschicht, Transportschicht, Internetschicht und Netzzugangsschicht zu.

1. b) Beschreiben Sie die Aufgabe der Transportschicht.

1. c) Erläutern Sie zwei Vorteile, die ein Schichtenmodell bei der Entwicklung von Netzwerkprotokollen bietet.

Im Schulgarten eines Gymnasiums in Bielefeld misst eine Wetterstation Temperatur und Luftfeuchte. Ein Rechner im Informatikraum ruft die Messwerte über das Protokoll HTTP ab. Der Ablauf einer Abfrage ist wie folgt festgelegt:

1. Der Rechner (Client) sendet die Anfrage GET /messwerte.

2. Die Wetterstation (Server) antwortet mit dem Statuscode 200 OK und den Messwerten.

3. Gibt es die angefragte Ressource nicht, antwortet der Server mit dem Statuscode 404 Not Found.

1. a) Beschreiben Sie, was man unter einem Protokoll versteht.

1. b) Stellen Sie den Ablauf einer erfolgreichen Abfrage als Sequenzdiagramm zwischen Client und Server dar.

1. c) Erläutern Sie, was beim Aufruf von GET /wind geschieht, wenn die Wetterstation keinen Windsensor besitzt.

Am Rhein bei Düsseldorf überwachen vier Pegelsensoren S1 bis S4 den Wasserstand. Sie senden ihre Daten über Funk an ein Gateway G, das mit dem Internet verbunden ist. Die Sensoren können Daten auch über andere Sensoren weiterleiten. Funkverbindungen bestehen genau zwischen folgenden Knotenpaaren:

S1–S2, S1–S3, S2–G, S3–G, S3–S4, S4–G

1. a) Bestimmen Sie die Topologie des Netzes und geben Sie die kürzeste Verbindung von S1 zum Gateway G (Anzahl der Teilstrecken) an.

1. b) Untersuchen Sie, ob nach dem Ausfall des Sensors S3 alle übrigen Sensoren das Gateway weiterhin erreichen können. Geben Sie jeweils einen möglichen Weg an.

1. c) Erläutern Sie einen Vorteil und einen Nachteil dieses vermaschten Netzes im Vergleich zu einer Sterntopologie, bei der jeder Sensor direkt mit G verbunden wäre.

Eine Fahrrad-Zählstelle einer Stadt im Ruhrgebiet überträgt täglich 1.440 Datensätze (einen pro Minute) mit jeweils 25 Byte Nutzdaten über eine Funkverbindung mit einer Datenübertragungsrate von $9{,}6\,\mathrm{kbit/s}$. Für jedes Datenpaket kommen unabhängig von der Nutzdatenmenge 40 Byte Kopfdaten (Header) von TCP und IP hinzu. Es gilt $1\,\mathrm{kbit} = 1.000\,\mathrm{bit}$ und $1\,\mathrm{Byte} = 8\,\mathrm{Bit}$.

1. a) Berechnen Sie die Übertragungszeit für die täglichen Nutzdaten, ohne Kopfdaten zu berücksichtigen.

1. b) Berechnen Sie die Übertragungszeit, wenn jeder Datensatz in einem eigenen Datenpaket mit Kopfdaten gesendet wird.

1. c) Die Zählstelle fasst je 60 Datensätze in einem Paket zusammen. Berechnen Sie die Übertragungszeit für diesen Fall und erläutern Sie, warum das Zusammenfassen sinnvoll sein kann. Nennen Sie auch einen möglichen Nachteil.

Ein Sensorknoten sendet Messwerte an einen Server. Client und Server haben folgendes Nachrichtenformat vereinbart: MESS;<Sensor-ID>;<Wert>. Die Felder sind durch Semikolons getrennt. Der Client und der Server verwenden diese Methoden:

public String baueNachricht(int pId, double pWert) {

  return "MESS;" + pId + ";" + pWert;

}

public double leseWert(String pNachricht) {

  String[] teile = pNachricht.split(";");

  return Double.parseDouble(teile[2]);

}

1. a) Geben Sie die Zeichenkette an, die der Aufruf baueNachricht(7, 21.5) zurückliefert, und den Wert, den leseWert("MESS;12;19.8") liefert.

1. b) Erläutern Sie, inwiefern das Nachrichtenformat ein Teil eines Protokolls ist und warum Client und Server es übereinstimmend verwenden müssen.

1. c) Der Server erhält die Nachricht FEHLER;12. Beschreiben Sie, was beim Aufruf von leseWert geschieht, und erläutern Sie, wie das Protokoll sinnvoll erweitert werden könnte, um mit Fehlermeldungen umzugehen.

An einer Kreuzung in Dortmund erfasst ein Sensor das Verkehrsaufkommen und sendet zehnmal pro Sekunde eine Nachricht von 40 Byte. Die Ampelsteuerung muss innerhalb von 100 ms auf eine Meldung reagieren können. Zwei Architekturen werden verglichen:

• Cloud-Lösung: Alle Nachrichten werden an einen Server in einem entfernten Rechenzentrum gesendet und dort ausgewertet. Die Antwort trifft nach etwa 180 ms beim Ampelcontroller ein.

• Edge-Lösung: Ein lokaler Rechner an der Kreuzung wertet die Nachrichten aus und sendet nur einmal pro Minute eine Zusammenfassung von 60 Byte an den Server der Stadt.

1. a) Berechnen Sie die Datenmenge, die pro Tag (24 Stunden) bei der Cloud-Lösung übertragen wird, in Megabyte ($1\,\mathrm{MB} = 10^6\,\mathrm{Byte}$).

1. b) Berechnen Sie die Datenmenge pro Tag bei der Edge-Lösung und geben Sie ihren Anteil an der Datenmenge der Cloud-Lösung in Prozent an.

1. c) Beurteilen Sie beide Lösungen hinsichtlich Latenz, Datenmenge, Datenschutz und Ausfallsicherheit und treffen Sie eine begründete Empfehlung für die Ampelsteuerung.

Für die Besucherzählung auf einem Weihnachtsmarkt sollen acht Zählsensoren mit einem Gateway verbunden werden. Der Veranstalter erwägt drei Topologien:

1. a) Bestimmen Sie für jede der drei Topologien die Anzahl der Verbindungen.

1. b) Zeigen Sie, dass ein vollständig vermaschtes Netz mit $n$ Knoten $\frac{n\cdot(n-1)}{2}$ Verbindungen besitzt, und berechnen Sie damit die Anzahl der Verbindungen für $n=9$.

1. c) Beurteilen Sie die drei Topologien hinsichtlich Kosten und Ausfallsicherheit und empfehlen Sie begründet eine Topologie. Betrachten Sie dazu insbesondere den Ausfall eines einzelnen Sensors und den Ausfall des Gateways.

Ein Pegelsensor sendet alle 10 Sekunden einen Messwert von 12 Byte Nutzdaten. Beim Senden werden die Daten durch die Schichten gekapselt. Jede Schicht fügt ihre Kopfdaten (Header, bei Ethernet zusätzlich einen Nachspann, Trailer) hinzu:

Alternativ könnte als Transportprotokoll TCP verwendet werden, das vor der Datenübertragung eine Verbindung aufbaut, den Empfang bestätigt und verlorene Pakete erneut sendet. Der Messwert dient der Hochwasserwarnung, wobei einzelne verlorene Messwerte unproblematisch sind, da jeweils kurz darauf ein neuer Messwert folgt.

1. a) Beschreiben Sie den Vorgang der Kapselung und die Rolle jeder Schicht beim Senden und beim Empfangen.

1. b) Berechnen Sie die Gesamtgröße des übertragenen Rahmens und den Anteil der Nutzdaten daran in Prozent.

1. c) Begründen Sie, ob für diese Anwendung UDP oder TCP besser geeignet ist, und nennen Sie einen Fall aus dem Alltag, in dem Sie die jeweils andere Wahl treffen würden.