Telematik: Anwendungsarchitekturen und Netzwerkprotokolle

Anwendungsarchitektur in Computernetzwerken

Anwendungen sind die raison d'être der Telematik. Während Telekommunikationsnetze für Mobiltelefone darauf ausgelegt sind, Nutzern eine komfortable Kommunikation über weite Strecken zu ermöglichen, werden Telematik-Computernetzwerke aufgebaut, damit Benutzer Anwendungen nutzen und Daten sowie Informationen untereinander austauschen können.

Telematik-Anwendungen sind im Wesentlichen Software. Wie bereits erwähnt, werden Softwareanwendungen im Internet verteilt, um Systeme oder Rechner zu bedienen; sie bilden zusammen ein verteiltes System.

Architekturmodelle

Die Art und Weise, wie Software verteilt wird, bestimmt die Architektur und die Eigenschaften der Anwendungen. Ein Beispiel ist die Client/Server-Architektur, bei der ein Rechner als Server fungiert, der Anfragen für Dienste von Client-Anwendungen empfängt, die auf anderen Rechnern gehostet werden. Im Gegensatz zum Client sollte der Server idealerweise immer verfügbar sein.

Nach dem Kriterium von Kurose [Kurose 2005] wird der Host-Rechner, auf dem die Server-Anwendung läuft, als Server bezeichnet, und der Host, auf dem die Client-Anwendung läuft, als Client.

Web-Anwendungen (WWW)

Die ersten Internet-Anwendungen basieren auf dem Client/Server-Modell. Im WWW ist der Webbrowser eine Client-Anwendung, die Objekte (meist HTML-Seiten) von einem Webserver anfordert. Bekannte Client-Anwendungen sind Mozilla Firefox, Google Chrome oder Microsoft Edge. Als Webserver dienen beispielsweise Apache, Jakarta Tomcat oder Microsoft Information Server.

Moderne Architekturen: P2P, Cluster und Grid

Neben Client/Server gibt es weitere Architekturen:

• P2P (Peer-to-Peer): Terminals übernehmen gleichzeitig die Rolle von Client und Server.
• Cluster-Computing: Ein verteiltes System zur Umsetzung von Hochleistungsanwendungen und Datenspeicherung.
• Grid-Computing: Vernetzt isolierte Systeme zu einer einzigen Computing-Ressource.

Cluster-Computing

Ein Cluster ist ein paralleles Computersystem, das aus einer Sammlung von Computern besteht, die über ein Netzwerk verbunden sind und als einheitliche EDV-Ressource fungieren [Jia 2005]. Herausforderungen wie Fehlertoleranz, hohe Verfügbarkeit, Skalierbarkeit und Datenkonsistenz werden durch Techniken wie Replikation, Lastverteilung und Single System Image (SSI) gelöst.

Grid-Computing

Das Grid-Computing-Konzept, ursprünglich von Ian Foster und Carl Kesselman 1998 eingeführt [Maozhen 2005], ermöglicht die Zusammenarbeit in virtuellen Organisationen über Wide Area Networks. Es nutzt heterogene Ressourcen wie Cluster, Supercomputer oder Workstations.

Prozesskommunikation

In der Welt der Betriebssysteme wird ein Computerprogramm in Ausführung als Prozess bezeichnet. Die Kommunikation zwischen Prozessen auf verschiedenen Hosts erfolgt durch den Austausch von Nachrichten (PDUs der Anwendungsschicht). Ein verteiltes System wird definiert als ein System, in dem lokalisierte Komponenten (Prozesse) in einem Netzwerk kommunizieren und ihre Aktionen durch den Austausch von Nachrichten koordinieren [Coulouris 2001].

Protokolle der Anwendungsschicht

1 Web und HTTP

Das WWW basiert auf dem HTTP (Hypertext Transfer Protocol) gemäß RFC 2616. Es ist ein stateless Protokoll, das TCP als Transportprotokoll nutzt. Webbrowser fordern Objekte über URLs an. HTTP-Anfragen bestehen aus Methoden (GET, POST, HEAD), der URL und der Protokollversion.

2 File Transfer Protocol (FTP)

FTP (RFC 959) dient der Übertragung von Dateien zwischen entfernten Systemen. Es nutzt zwei Verbindungen: eine Kontrollverbindung (Port 21) für Befehle und eine Datenverbindung (Port 20) für die eigentliche Dateiübertragung.

3 E-Mail-Protokolle

Der E-Mail-Dienst nutzt verschiedene Protokolle:

• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): Zum Senden und Weiterleiten von E-Mails (RFC 2821).
• POP3 / IMAP: Zum Abrufen von E-Mails (RFC 1939, RFC 2060).

SMTP arbeitet nach dem Push-Prinzip, während POP3 und IMAP dem Pull-Prinzip folgen.

4 Domain Name System (DNS)

DNS ist ein Dienst, der es Benutzern ermöglicht, Hosts über Namen statt über IP-Adressen zu identifizieren. Es basiert auf UDP (Port 53) und nutzt eine verteilte Datenbankhierarchie, bestehend aus Root-Servern, Top-Level-Domain-Servern und autorisierenden DNS-Servern.

5 P2P-Netzwerke

P2P-Netzwerke sind ein zentrales Forschungsgebiet der Telematik. Man unterscheidet zwischen unstrukturierten (z. B. Gnutella) und strukturierten Architekturen (z. B. Chord). Sie finden Anwendung in Bereichen wie Finanzen, Militär, Gesundheitswesen und Forschung.