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ID 4348
von Arnim, Götz: Konzeptionierung eines Embedded-Systems für Haushaltsgeräte am Beispiel
einer Kaffeemaschine / Götz von Arnim - Hamburg: Diplomica GmbH, 2001
Zugl.: Berlin, Technische Universität, Studienarbeit, 2001
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Diplomica GmbH
http://www.diplom.de, Hamburg 2001
Printed in Germany
Inhaltsangabe
4
Götz von Arnim
TU-Berlin
Inhaltsangabe
Verwendete Abkürzungen und Kurzzeichen
6
1 Einleitung
8
1.1
Hintergrund
8
1.2
Inhalt und Zielsetzung der Arbeit
9
2 Analyse des Standes der Web-Technologie im Bereich des Teleservice
10
2.1
Das Client-Server-Prinzip erweitert die Möglichkeiten des Teleservice
11
2.2
Das ISO/OSI-Referenzmodell
11
2.2.1 Die transportorientierten Kommunikationsschichten
13
2.2.2 Die anwendungsorientierten Kommunikationsschichten
14
2.2.3 Der TCP/IP-Stapel im Vergleich mit dem ISO/OSI-Referenzmodell
16
2.3
Bluetooth, eine neue transportorientierte Kommunikationschicht für kleine
Netzwerke
19
2.3.1 Die Netzwerkstrukturen von Bluetooth
21
2.3.2 Neue Geschäftsfelder durch Bluetooth und Produktbeispiele
22
2.4
Softwaretechnologien für die anwendungsorientierte Kommunikationsschicht
24
2.4.1 Die Programmiersprache Java
25
2.4.2 Das Software-Komponentenmodell mit JavaBeans
28
2.4.3 Das Plug and Play mit der JINI-Technologie
31
2.5
Anwendungsfelder
34
2.5.1 Netzwerkbetreuung, Buisness Productivity und Konsumelektronik
35
2.5.2 Industrie und Produktion
37
2.5.3 Wohngebäudeautomation
43
2.6
Auswertung
47
Inhaltsangabe
5
Götz von Arnim
TU-Berlin
3 Eine Systemintegration der Web-Technologie am Produktbeispiel einer
Kaffeemaschine
50
3.1
Systemanalyse Kaffeemaschine
51
3.2
Anforderungen an die Prozeßsteuerung einer Kaffeemaschine
54
3.2.1 Verschiedende Prozeß-Steuerungs-Konzepte
57
3.2.2 Statische Werterfassung
57
3.2.3 Dynamische Werterfassung
58
3.3
Systemanalyse Embedded-Web-System
62
3.3.1 Systemarchitektur der Hardware und Software
65
3.3.2 Anforderung an zusätzliche Merkmale
69
3.3.3 Verschiedene Arten von Embedded-Web-Systemen
71
3.4
Systemintegration eines Embedded-Web-Systems als Teilfunktion der
Kaffeemaschine
73
4 Zusammenfassung
75
Glossar
76
Literaturverzeichnis
77
Abbildungsverzeichnis
82
Verwendete Abkürzungen und Kurzzeichen
6
Götz von Arnim
TU-Berlin
API
CAN
Application Programming Interface
Controller Area Network
CGI
COM
EPROM
GSM
Common Gateway Interface
Component Object Model
Erasable Programmable Read Only Memory
Global System for Mobile Communications
GUI
HKL
HP
HTML
Graphical User Interface
Heizung Klima Lüftung
Hewlett Packard
Hypertext Markup Language
HW
I&K
I/O
IP
Hardware
Informations & Kommunikation
Input/Output bzw. Ein-/Ausgang
Internet Protocol
IPC
IrDA
ISM
JNI
Industrie PC
Infrared Data Association
Industrial Scientific Medical
Java Native Interface
JVM
LAN
MC
MP
Java virtuelle Maschine
Local Area Network
Microcontroller
Microprozessor
OSGI
OSI
PC
PDA
Open Service Gateway Initiative
Open System Interconnection oder Open Systems Interconnect
Personal Computer
Personal Digital Assistant
PPP
Point to Point Protocol
Verwendete Abkürzungen und Kurzzeichen
Verwendete Abkürzungen und Kurzzeichen
7
Götz von Arnim
TU-Berlin
RAM
RMI
ROM
Random Access Memory
Remote Method Invocation
Read Only Memory
RTOS
SMS
SW
TCP
Real Time Operating System
Short Message Service
Software
Transmission Control Protocol
TK-Anlage
UDP
WAN
WAP
Telekommunikations-Anlage
Users Datagram Protocol
Wide Area Network
Wireless Application Protocol
Web
WWW
XML
entspricht dem Begriff WWW
Word Wide Web
Extensible Markup Language
1. Einleitung
8
Götz von Arnim
TU-Berlin
1 Einleitung
Als Aladin an seiner Wunderlampe rieb, stieg der Geist aus der
Lampe und fragte Aladin, was er für ihn tun könnte. Aladin sprach
seinen Wunsch aus, und der Geist verschwand in der Lampe. Nach
einer Weile kam der Geist wieder und erfüllte den Wunsch Aladins.
Aladin mußte sich nicht mehr mit unnötiger Arbeit plagen und
konnte in seinem Müßiggang sich den wichtigen Dingen des Le-
bens widmen.
In diesem Märchen und in vielen anderen drückt sich ein tiefes Bedürfnis der Menschen aus,
seine Arbeitswelt mit Hilfe von Geisterhand zu erleichtern. Nicht von ungefähr benennt z. B.
die Firma Ericsson, Hersteller von Funktelefonen, ihren neuen Kommunikationschip
Bluetooth. Bluetooth war ein dänischer König, der die Kraft und den Geist besaß, die skandi-
nawischen Völker zu vereinen. Die Firma Sun Microsystems leitete aus einem bestehenden
Produktnamen Java das neue Produkt Jini (Java Intelligent Network Infrastructure) ab. Jini ist
dem arabischen Wort "djinn" für Geist nicht unähnlich.
1.1 Hintergrund
Computer sind in unserem Alltag kaum noch wegzudenken, weil sie sich zu einem Werkzeug
entwickelt haben, Entscheidungs- und Arbeitsprozesse zu unterstützen, zu erleichtern und teil-
weise zu automatisieren. Mit Hilfe der Internet-Technologie können räumlich voneinander ge-
trennte Computer miteinander kommunizieren, und so können bestimmte Entscheidungs- und
Arbeitsprozesse räumlich und zeitlich voneinander entkoppelt werden. Dadurch entstehen
technische und individuelle Freiheitsgrade. Diese Freiheitsgrade können aber nur dort genutzt
werden, wo entweder entsprechende Geräte oder die Prozesse in der Lage sind, über das Inter-
net zu kommunizieren. Wenn dies möglich ist, dann sind diese Geräte für einen Teleservice
wie Fernsteuerung, Fernwartung, Ferndiagnose oder Ferninstandsetzung bereit.
Ohne daß wir es wissen, sind die meisten Geräte, die wir in unserem Alltag benutzen, mit ei-
ner elektronischen Steuerung ausgerüstet. Diese elektronischen Steuerungen werden Embed-
ded-Systeme genannt und erledigen, für den Anwender unbemerkt, teilweise sehr komplexe
Steuerungsaufgaben. Fernsehgeräte, Videoapparat, Funktelefon, Radio usw. sind nur einige
Beispiele, bei denen Embedded-Systeme zum Einsatz kommen. Der Schritt ist nicht weit, die-
1. Einleitung
9
Götz von Arnim
TU-Berlin
se Geräte durch die Internet-Technologie zu erweitern und sie mit neuen Funktionen wie der
Fernsteuerung aufzuwerten.
1.2 Inhalt und Zielsetzung der Arbeit
Diese Studienarbeit beschäftigt sich mit dem Versuch, einfache elektronische Geräte mittels
eines Embedded-Systems internetfähig zu machen. Dazu soll im ersten Teil der Arbeit unter-
sucht werden, welche Internet-Technologie sich als Standard durchgesetzt hat, und welche
Entwicklungen es noch geben wird. Im speziellen werden Anwendungen und Lösungs-
konzepte in Bereichen der Netzwerkbetreuung, Buisness Productivity, Konsumelektronik,
Industrie, Produktion und Wohngebäudeautomation ausgewertet. Orientiert an dem herauszu-
kristallisierenden Internet-Standard und evtl. Lösungsansätzen aus den Anwendungsbereichen
soll im zweiten Teil der Arbeit ein Konzept entworfen werden, wie ein einfaches handelsübli-
ches Haushaltsgerät über das Internet für den Teleservice ausgerüstet werden kann. Gleich-
zeitig soll am Beispiel einer Kaffeemaschine gezeigt werden, daß der Prozeß durch den
Einsatz eines Embedded Systems optimiert, die Lebensdauer des Produktes verlängert und die
Energiebilanz verbessert werden kann. Einfache, preiswerte und handhabbare Bauteile, die es
bereits auf dem Markt zu kaufen gibt, sollen für den Entwurf eines Prototypen bewertet
werden.
Die Internet-Technologie ist dem Geist, der in Aladins
Wunderlampe verschwindet, in unsichtbarer Ferne eine
Aufgabe löst und wieder auftaucht, nicht unähnlich.
Diese Arbeit soll dazu beitragen, dem Wunsch einen
kleinen Schritt näher zu kommen.
2. Analyse des Standes der Web-Technologie im Bereich des Teleservice
10
Götz von Arnim
TU-Berlin
2 Analyse des Standes der Web-Technologie im Bereich
des Teleservice
Durch die Nutzung der Eigenschaften des Webs (auch Internet genannt) könnte der Tele-
service um sinnvolle Anwendungen erweitert werden, so um die Anwendungsfelder Be-
dienungs-, Beobachtungs-, Diagnose- und Fernwartungssysteme. Für sie werden zunehmend
Web- bzw. Internet-Technologien eingesetzt. Die zum Teil kostengünstige oder auch
kostenlose Verfügbarkeit von Internet-Hardware- und Softwarekomponenten ist der
Hauptgrund für ihre schnelle und erfolgreiche Verbreitung.
1
Das Internet ist weltweit durch
Protokolle, wie z. B. TCP/IP, HTML, FTP, SMTP etc., weitestgehend standardisiert. Die
Protokolle sind teilweise bereits in die Standardbetriebssysteme Windows 95/98, Windows
NT, Linux, Unix, Mac OS etc. integriert. Plattformübergreifende Anwendungen wie Internet-
Browser sorgen für den Informationszugang auf jedem einzelnen Computer. Sie sind auch in
ihrer Bedienung den meisten Nutzern geläufig. Für den Datenaustausch und die Übertragung
von Softwareobjekten sind standardisierte plattformunabhängige Softwaretechnologien wie
HTML, VRML, Java etc. entwickelt worden.
Innerbetriebliche Netzwerke heißen Local Area Networks (LAN) und stellen ein Mini-
Internet dar bzw. ein Intranet. Für deren Einrichtung sprechen einige Gründe:
Gemeinsame Nutzung kostenintensiver Peripherie (z. B. Drucker, Programme).
Gemeinsame Informationen stehen mehreren Teilnehmer zur Verfügung (z. B. Kun-
dendaten, Preislisten, Betriebszustände, Lagerbestände).
Kommunikation der Teilnehmer untereinander (z. B. Mailbox, Newsgroups).
Zugriff auf Computer und Geräte mit Spezial-Funktionen (z. B. Datenbanken,
Gateways).
Kommunikation mit anderen Netzwerken.
Trotz dieser Vorzüge ist die Web-Technologie in ihrer Interaktivität begrenzt. Der Austausch
von Informationen erfordert hohe Ansprüche an die Sicherheit der Authentifizierung, Ver-
schlüsselung und Zugangsberechtigung. Letzteres Problem versuchen internationale Gremien
schrittweise durch Standardisierungen zu beheben.
Die am häufigsten in einem Intranet eingesetze Netzwerk-Technologie ist der Ethernet-TCP/
IP Standard. Das Internet bzw. Web baut zum größten Teil auf diesen Standard auf. Um zu
verstehen, warum sich dieser Standard durchgesetzt hat, soll im Folgenden das ihm zugrunde-
1
Zühlke, S. 3
2. Analyse des Standes der Web-Technologie im Bereich des Teleservice
11
Götz von Arnim
TU-Berlin
liegende ISO/OSI-Referenzmodell näher betrachtet werden. Neben diesem Protokollstandard
gibt es eine neue Technologie zur Bildung dynamischer Netzwerke zu Ad-Hoc-Pico-Netz-
werken, die Bluetooth-Technologie. Auf der Anwenderseite eröffnet die Softwaretechnologie
Java neue Steuerungsmöglichkeiten. Inwieweit sich die einzelnen Technologien und im allge-
meinen die Web-Technologie in den Bereichen der Netzwerkbetreuung, Buisness Productivity
und Konsumelektronik, der Industrie und Produktion sowie Wohngebäudeautomation durch-
setzt, wird im Kapitel 2.5 erörtert.
2.1 Das Client-Server-Prinzip erweitert die Möglichkeiten des
Teleservice
Das Web beruht auf dem Client-Server-Prinzip. Dabei ist der Client ein Rechner, der eine
Information oder einen Dienst eines anderen Rechners abfragt. Der Rechner, der die Informa-
tion liefert ist der Server. Eine Information oder einen Dienst abzufragen, wird immer von ei-
nem Programm ausgelöst, das seinerseits auf eine Antwort wartet. So löst ein Betriebssystem
ständig Anfrageprozesse aus, z. B. Anfrage an den Speicherdienst einer Festplatte oder die
Anfrage einer Information aus einer Schnittstelle. Festplatte und Schnittstelle wären hier der
Server. Der Server ist ein Prozeß und kein Computer! Client und Server teilen sich im wahr-
sten Sinne des Wortes die Arbeit: der eine Teil einer auf dem Client-Server-Prinzip beruhen-
den Software arbeitet auf dem lokalen Rechner und der restliche Teil des Programms auf dem
anderen Rechner (Server).
2
Die meist räumliche Trennung der Anwendung und des Prozesses
ist charakteristisch für das Internet.
2.2 Das ISO/OSI-Referenzmodell
Für einen Datenaustausch mit zwei Computern müssen beide durch einen Kommunikations-
kanal verbunden werden. Kommunikationskanäle können elektrische und optische Verbindun-
gen sein oder durch Funk- und Infrarotwellen hergestellt werden. So müssen z. B. bei einer
elektrischen Verbindung Kabel verlegt und an den Computer angeschlossen werden. Der
Computer muß also die entsprechende Anschlußhardware zur Verfügung stellen. Andere
Geräte, die ebenfalls eine Verbindungsschnittstelle anbieten, können mit dem Computer zu ei-
nem größeren Netzwerk vernetzt werden. Die Verkabelung zweier Computer scheint auf den
ersten Blick trivial, doch bevor die Geräte miteinander einen Datenaustausch durchführen
können, müssen sie sich über bestimmte Aktionsregeln, die auszutauschende Datenstruktur
und die Art der Übertragung einigen. Des weiteren sollte die computerverbindende Kommuni-
2
Willemer
2. Analyse des Standes der Web-Technologie im Bereich des Teleservice
12
Götz von Arnim
TU-Berlin
kation effizient und effektiv gestaltet sein, damit z. B. bei einem Kabelaustausch das Gesamt-
system nicht gestört wird.
Die im obigen Absatz beschriebenen Anforderungen lassen vermuten, daß die Merkmale
Hardware, Kommunikations-Protokoll und Sonstiges eine sinnvolle Struktur ergeben, um die
auf dem Markt verfügbaren Netzwerktechnologien kategorisieren und beschreiben zu können.
Die Grenzen der Merkmale sind aber fließend. Was als Hardware oder Kommunikations-Pro-
tokoll zu bewerten ist, beschreibt das unter der ISO 7498-1 (DIN ISO 7498) eingeordnete
Open System Interconnection-Modell (OSI-Modell), das die computerverbindende Kommuni-
kation in sieben Schichten aufteilt. In den Schichten werden Funktionen beschrieben, die für
einen reibungslosen Datenaustausch erfüllt werden müssen. In Abbildung
2.1 ISO/OSI Refe-
renzmodell
werden die aufeinander aufbauenden Schichten und entsprechenden Austau-
schebenen aufgelistet. Jede einzelne Schicht bietet der ihr darüberliegenden Schicht ihre
Dienste an. Der übergeordneten Schicht ist es egal, wie die unter ihr liegende Schicht die Da-
ten generiert und als Dienst aufbereitet. Daher gibt es keine standardisierte Liste, die den ein-
zelnen OSI-Schichten bestimmte Protokolle zuweist. Jede Schicht kann durch verschiedene
Protokolle, die auch als Stapel oder Stacks bezeichnet werden, umgesetzt werden, solange
diese der ihr darüberliegenden Schicht die Daten entsprechend anbietet. Das Modell ist nur
ein Referenzmodell, in der jede Schicht direkt mit der über und unter ihr liegenden Schicht
kommuniziert. Wenn die Hersteller von Hardware- und Softwarekomponenten sich an dieses
Konzept eines offenen Systems halten, so sind deren Produkte in einem Netzwerk untereinan-
der kompatibel.
physikalisches Übertragungsmedium
Physical Layer
Link Layer
Network Layer
Transport Layer
Session Layer
Presentation Layer
Application Layer
Bitübertragungs-
schicht
Sicherungsschicht
Vermittlungs-
schicht
Transportschicht
Kommunikations-
schicht
Darstellungs-
schicht
Applikations-
schicht
1
2
3
4
5
6
7
Rechner 1
Rechner 2
1
2
3
4
5
6
7
anwendungsorientierte
Schichten
transportorientierte
Schichten
Abb. 2.1 ISO/OSI Referenzmodell
2. Analyse des Standes der Web-Technologie im Bereich des Teleservice
13
Götz von Arnim
TU-Berlin
Das ISO/OSI-Referenzmodell mit seinen entsprechend vielfältigen Protokollen ist nicht das
einzige Netzwerkmodell. IBM mit ihrer System Network Architecture (SNA), Digital
Equipment Copr. mit Digital Network Architecture & DECnet sowie Apple Computer mit
AppleTalk sind die wichtigsten Hersteller ähnlicher Netzwerkkonzepte auf dem Markt.
2.2.1 Die transportorientierten Kommunikationsschichten
Die Bitübertragungsschicht
In der ersten Schicht werden das Übertragungsmedium, die Steckerbelegung, Spannungs-
werte, Schnittstellensignale etc. festgelegt. Die physikalische Übertragung kann über ver-
schiedene Medien wie Kabel, Funkwellen, Infrarotwellen oder Lichtwellenleiter, selbst über
Satelliten technisch umgesetzt werden. Diese Schicht beschäftigt sich mit der reinen Hard-
ware als Schnittstelle und steuert die zu sendenden und empfangenden Bitströme.
Klassische Kabelverbindungen sind verdrillte Kupferkabel (Twisted Pair), Koaxialkabel
(Coaxial Cable) oder Glasfaserkabel (Fiber Optic Cable). Das Koaxialkabel ist mit den
Kabeln für Fernseher und Radios ähnlich, darf aber nicht mit diesen verwechselt werden, da
ein LAN-Kabel einen 50 Ohm Widerstand besitzt im Gegensatz zum Radio-Kabel mit 75
Ohm. Das Koaxialkabel verliert trotz seiner guten Übertragungseigenschaften an Bedeutung
und wird in LANs eher von den symmetrischen Kupferkabeln verdrängt. Hingegen gewinnt
im Weitverkehrsnetz die Lichtwellentechnik mit Glasfaserkabeln immer mehr an Bedeutung.
Die neue Funkwellen-Technologie Bluetooth soll den Kabelsalat der Vernetzung im Nah-
bereich beseitigen. Die Firma HP verfolgt mit ihrem Konzept HP JetSend eine ähnliche
Strategie. Mit dem Aufbau dynamischer Pico-Netzwerke sollen andere und neue Geschäfts-
felder als der der Buisnessnetzwerke erschlossen werden. Auf die Technologie des Bluetooths
und verwandte Konzepte wird im Kapitel 2.3 näher eingegangen.
Sicherungsschicht
Diese Schicht zerlegt den Bitstrom in Pakete, schreibt eine Prüfwertesumme für die Fehlerer-
kennung und evtl. auch Fehlerkorrektur, die in einen Kopf am Anfang der Pakete gesetzt wird.
Auf der anderen Seite setzt diese Schicht die Pakete wieder zu einem Datenstrom zusammen.
Sind die Pakete fehlerhaft, müssen sie erneut übertragen werden. Auf diese Weise wird die
Fehlerfreiheit der Datenübertragung gesichert. Die Sicherungsschicht gehört noch zur Hard-
ware und verwaltet z. B. eine angeschlossene Token-Ring- oder Ethernet-Verkabelung.
Vermittlungsschicht
Die wichtigste Aufgabe in dieser Schicht ist das Routen der Datenpakete. Bei einer direkten
Verkabelung wäre diese Schicht nicht notwendig. Weil aber das Weitverkehrsnetz bzw. Inter-
2. Analyse des Standes der Web-Technologie im Bereich des Teleservice
14
Götz von Arnim
TU-Berlin
net ein komplexes Netz ist, gibt es für die Daten mehrere mögliche Übertragungswege, und
jedes Netzwerk kann nur eine bestimmte Paketlänge optimal transportieren. Die Vermittlungs-
schicht teilt die Daten in die größtmöglichen Paketlängen auf, bestimmt die Adresse, den
effektivsten Weg, den das Datenpaket über die verschiedenen Netzknoten durchlaufen soll,
und speist die Datenpakete in das Netz ein. Als Routen wird diese Wegfindung und Adressie-
rung bezeichnet und kann sowohl statisch als auch dynamisch zur Laufzeit bestimmt werden.
Zusätzlich steuert die Vermittlungsschicht den Verbindungsaufbau und -abbau und sammelt
Gebühreninformationen für die Abrechnung. Hauptsächlich ist sie verantwortlich für das
Ankommen der Daten am richtigen Ort.
Die bekanntesten Protokolle für die Schicht 3 sind X.25, Internet Protocol (IP), Xerox
Network System Protocol (XNS), Novell Netware Protocol (IPX) und das DECnet Protocol.
Transportschicht
Die Transportschicht bildet die oberste Schicht der tranportorientierten Schichten. Hier wird
kontrolliert, ob alle Datenpakete korrekt angekommen sind. Die zeitlich unterschiedlich
eintreffenden Datenpakete werden wieder in die richtige Reihenfolge gebracht, da sie durch
das Routen verschieden lange Wege zurücklegen. Durch die hier verwendeten Protokolle wird
eine Hardware-Unabhängigkeit für die anwendungsorientierten Schichten erreicht. Über die
gesamte Verbindung hat die Transportschicht die Ende-zu-Ende-Kontrolle. Ab hier spielt es
keine Rolle mehr, ob es sich um ein LAN oder WAN (Wide Area Network) handelt. Das
Netzwerk wird transparent.
Die am häufigsten benutzten Protokolle der Transportschicht sind das bereits erwähnte
Transport Control Protocol (TCP) und das User Datagramm Protocol (UDP). Der UDP-Stapel
unterscheidet sich vom TCP-Stapel darin, daß es keine Fehlerprüfung, Fehlerkorrektur und
Nummerierung der Datenpakete vornimmt. Dieses Protokoll wird auch als ein verbindungs-
loses, datagrammorientiertes Protokoll bezeichnet und findet oft dort seinen sinnvollen
Einsatz, wo nur wenige Daten schnell übertragen werden sollen. Der TCP-Stapel ist im
Gegensatz sicherer, braucht aber für seinen Datenaustausch länger und ist wegen der Ein-
richtung eines Namensservers in seinem Konfigurationsaufwand relativ hoch.
2.2.2 Die anwendungsorientierten Kommunikationsschichten
Sitzungsschicht
Die Sitzungsschicht bildet die unterste Schicht der anwendungsorientierten Schichten. Hier
wird nicht mehr mit den physikalischen, sondern nur noch mit den logischen Namen der
Netzknoten gearbeitet. Ist eine Verbindung zu einem anderen Computer aufgebaut, koordi-
niert, verwaltet und synchronisiert diese Schicht die Verbindung, was die Vorbedingung für
2. Analyse des Standes der Web-Technologie im Bereich des Teleservice
15
Götz von Arnim
TU-Berlin
die Übertragung von Daten ist. Die nächst höhere Darstellungsschicht kann von der Sitzungs-
schicht die Übertragung von Daten anfordern.
Darstellungsschicht
Die Darstellungsschicht fordert von der Sitzungsschicht eine Sitzung zur Datenübertragung
an, wo sie anschließend für die korrekte Darstellung der Daten (Syntax) verantwortlich ist.
Die Daten werden in die jeweiligen Formate, Strukturen, Verschlüsselungen und Kompremie-
rungen umgewandelt, wenn die vom Server sich vom Client unterscheiden. Die Formate kön-
nen sich in den verschiedenen Systemen beispielweise durch die Gleitkommazahl, die Fest-
kommazahl und dem Zeichensatz (ASCII) ändern. Diese Schicht ist daher eng mit dem
Betriebssystem und dem Dateisystem verknüpft und bildet aus dem ankommenden Bitstrom
wieder ein plattformabhängiges Format. Hieraus lassen sich folgende Funktionen für diese
Schicht beschreiben:
Die Darstellungsschicht muß das Eröffnen und Beendigen der Sitzung zur Daten-
übertragung bei der Sitzungsschicht anfordern.
Eine gemeinsame Syntax muß mit der Darstellungsschicht des Kommunikations-
partners ausgehandelt werden.
Die ausgehandelte Syntax muß in die anwendungsspezifische, plattformabhängige
Syntax umgewandelt werden.
3
Anwendungsschicht
Die Anwendungsschicht ist die Schnittstelle, wo die Daten für den Benutzer präsentiert
werden. Ohne diese Schnittstelle hätte der Computer keine Verwendung für die Daten. Wenn
vorher die Darstellungsschicht für die korrekte Syntax gesorgt hat, kümmert sich die Anwen-
dungsschicht um die Semantik der Daten. Die häufigsten Anwendungen und ihre spezifischen
Protokolle oder Sprachen lassen sich in folgende Gruppen aufteilen:
Filetransfer: Diese Protokolle regeln die Übertragung und den Zugriff von Daten auf
einem anderen Computer. File Transport Protocol (FTP), Trivial File Transport
Protocol (TFTP).
E-mail: Übliche Email Programme, die die Protokolle Message Handling System
(MHS) oder Simple Mail Transport Protocol (SMTP) verwenden, sind Eudora,
Outlook, Pegasus etc..
Name-Service: Domain Name Service (DNS), Internet Engeneering Note.
Browser: Anwendungsprogramm zur textuellen und visuellen Darstellung der Daten.
HTML, HTTP, HTM.
Virtuell Terminal: Mit Virtuell Terminal Protokollen können Terminalemulationen
durchgeführt werden. TELNET, Virtual Terminal Service (VTS), RLogin.
3
Walter
2. Analyse des Standes der Web-Technologie im Bereich des Teleservice
16
Götz von Arnim
TU-Berlin
Aus der Teilung der computerverbindenden Kommunikation in Schichten ergeben sich ver-
schiedene Vorteile. So können Entwickler sich auf eine Schicht konzentrieren und schneller
auf unterschiedliche technische Entwicklungen reagieren. Die Änderung oder der Austausch
einer Komponente durch eine andere in derselben Schicht verringert die Kosten, da die umlie-
genden Schichten nicht beeinträchtigt werden. Die Möglichkeit, unterschiedliche Komponen-
ten wählen zu können, erlaubt dem Anwender, einen genauen Lösungszuschnitt für seine Auf-
gabenstellung zu finden.
Geräte- und Komponenten-Hersteller fassen bestimmte OSI-Schichten zusammen, so daß der
Anwender sich nicht mehr um die Funktionsweise des Datenaustausches kümmern muß und
dieser in den Hintergrund tritt. Im allgemeinen werden Konzepte für die computerverbin-
dende Kommunkation überwiegend in Schicht-Modellen dargestellt. Orientiert man sich nicht
an dem ISO/OSI-Referenzmodell, so kann es zu einigen Verwechselungen kommen. Im
Sprachgebrauch wird der TCP/IP-Stapel fälschlicherweise als eine Schicht angesehen. Im
OSI-Schichtmodell entspricht das IP-Protokoll der Netzwerkschicht (3) und das TCP-Proto-
koll der Transportschicht (4). Enzenberger
4
gruppiert die Schichten 2-7 zur Software und die
Schicht 1 zur Hardware. Im Detail gliedert er nochmals die Software entsprechend der Defini-
tion von E-Online
5
in eine transportorientierte (1-4) und eine anwendungsorientierte Schicht
(5-7) auf. Oebbeke
6
nimmt in seinem Internet-Glossar ARCHmatic eine andere Einteilung vor
und ordnet noch vor- und nachgelagerte Komponenten hinzu:
Schicht 4
Anwendung (Anwendung durch Endnutzer)
Schicht 3
Endpunkt zu Endpunkt Protokolle (OSI-Schicht 4-7)
Schicht
2
Protokolle für die Kommunikation zwischen unmittelbar benachbarten
Einrichtungen auf der Übermittlungsstrecke (OSI-Schicht 1-3)
Schicht 1
Netzwerk (Physisches Kommunikationsnetzwerk)
Die Zusammenfassung von Schichten und der daraus entwickelten Hardware- und Software-
Komponenten, die die geforderten Funktionen abdecken, ist folglich sehr variabel. Der Ent-
wicklungsstand der Protokolle und Komponenten der jeweiligen Schichten ist unterschiedlich,
was auf den Grundgedanken des Modells der Austauschbarkeit zurückzuführen ist.
2.2.3 Der TCP/IP-Stapel im Vergleich mit dem ISO/OSI-Referenzmodell
Damit zwei entfernt liegende Computer miteinander kommunizieren können, müssen diese
sich über eine gemeinsame Sprache einigen. Vereinbarungen über Konversationsregeln sind
notwendig, wie z. B., daß ein Gespräch aufgenommen werden soll und wann ein Gespräch be-
ginnt und endet. Protokolle regeln diese Vereinbarungen der kommunizierenden Computer.
4
Enzenberger
5
E-Online
6
Oebbeke
2. Analyse des Standes der Web-Technologie im Bereich des Teleservice
17
Götz von Arnim
TU-Berlin
Ein solches Paket an Funktionen mit einer Sammlung von Protokollen ist der TCP/IP-Stapel.
Daß diese Protokoll-Sammlung einen eigenen Namen trägt, weist seine fundamentale Bedeu-
tung im Bereich der Web-Technologie auf. Wie das ISO/OSI-Referenzmodell gliedert der
TCP/IP-Stapel sich in mehrere Funktionsschichten, aber beschränkt sich letztendlich nur auf
vier. Darin ist ein großer Vorteil dieses Protokolls zu erkennen, das auch zum Ziel hat, die ver-
schiedenen physikalischen Netzwerkmedien zu vereinheitlichen.
In Abbildung
2.2 TCP/IP Kommunikation über einen Router
7
sind die vier Schichten des TCP/
IP-Stapels und die wichtigsten Protokolle aufgelistet, mit denen der TCP/IP-Stapel kommuni-
ziert. Ständig kommen weitere Komponenten hinzu.
Löst eine Anwendung einen Datenaustausch über den TCP/IP-Stapel aus, so werden die Daten
von oben nach unten durch die einzelnen Schichten geschickt und mit einem Header
8
der
jeweiligen Schicht eingekapselt. Beim Empfänger arbeitet sich der Datenstrom wiederum von
unten nach oben durch die Schichten. Jede Schicht schneidet dann seinen betreffenden
Header vom Datenstrom ab und gibt die für ihn entkapselten Rohdaten an die nächsthöhere
Schicht weiter. In Abbildung
2.3 Headermodell des Datenaustausches eines TCP/IP-Stapels
wird der Datenstrom mit den entsprechenden Header-Kapselungen anschaulich dargestellt.
7
Walter
8
siehe Glossar: Header
X.25
Ethernet
Token Ring
Anwendungsschicht
(Applikation)
Transportschicht
(Host-to-Host)
Internetschicht
Transport Control Protocol
(TCP)
User Datagramm Protocol
(UDP)
Internet Protocol (IP)
Internet Control Message Protocol (ICMP)
Telnet
FTP
SMTP
Name
Server
RPC
XDR
NFS
Netzwerkschicht
(Network)
TCP/IP Schichten
TCP/IP Protokolle
Abb. 2.2 TCP/IP Kommunikation über einen Router
2. Analyse des Standes der Web-Technologie im Bereich des Teleservice
18
Götz von Arnim
TU-Berlin
Ähnlich wie beim ISO/OSI-Referenzmodell müssen die Schichten bestimmte Funktionen er-
füllen können. Die unterste Schicht ist im TCP/IP-Stapel die Netzwerkschicht, in der der Zu-
gang zum Netzwerk gesichert wird. Dabei wird dasjenige Protokoll gewählt, welches der
Steuerung des Übertragungsmediums entspricht. Die Übertragungsmedien können die glei-
chen wie beim ISO/OSI-Referenzmodell sein, aber im allgemeinen haben sich hier die Stan-
dards X.25
9
, Ethernet und Token Ring durchgesetzt. Weitere Standards sind ISDN, FDDI
10
und Satellitenübertragung. Alles in allem sichert diese Schicht den physikalischen Anschluß
und die Übertragung im Netzwerk.
Das X.25 Protokoll orientiert sich stark an dem ISO/OSI-Referenzmodell und sorgt für eine
fehlerfreie Übertragung der Daten in der zweiten Schicht des ISO/OSI-Referenzmodells.
Auch in der Transportschicht ist in dem TCP-Protokoll eine Funktion der Fehlersicherung ein-
gebaut, was hier nun zu einer unnötigen Verdopplung der Sicherungsfunktion führt.
11
Nicht
immer sind daher redundante Protokoll-Informationen zu vermeiden.
Die Internetschicht und die Transportschicht ent-
sprechen der Schicht 3 und 4 im ISO/OSI-Refe-
renzmodell und erfüllen die gleichen Funktio-
nen. Hier findet ebenfalls eine Trennung statt,
von der physikalischen hin zu den logischen Na-
men der Netzwerkknoten, die eine Vereinheitli-
chung und Integration der Netzwerkschicht er-
möglicht. In der Anwendungsschicht werden die
Schichten des ISO/OSI-Referenzmodells 5-7
zu einer Schicht zusammengefaßt. Das Vier-
schichten Modell des TCP/IP-Stapels ist in der
Abbildung
2.4 Vergleichstafel ISO/OSI-Refe-
9
Kommentar: X.25 ist ein Übertragungsprotokoll für eine serielle Datenübertragung über Telefonleitungen
10
Kommentar: FDDI ist ein Übertragungsstandard für Lichtwellenleiter wie Glasfaserkabel
11
Walter
Abb. 2.4 Vergleichstafel ISO/OSI-Refe-
renzmodell mit TCP/IP-Stapel
Schicht
7
6
5
4
3
2
1
ISO/OSI
TCP/IP
Anwendung
Darstellung
Anwendung
Sitzung
Transport
Transport
Vermittlung
Sicherung
Internet
Netzwerk
Bitübertragung
Abb. 2.3 Headermodell des Datenaustausches eines TCP/IP-Stapels
TCP-Header
TCP-Header
TCP-Header
IP-Header
IP-Header
Anwendung
Transport
(TCP-Segment)
Internet
(IP-Datagramm)
Netzwerk
(Netzwerk-Paket)
Benutzer-Daten
Benutzer-Daten
Benutzer-Daten
Benutzer-Daten
Anwendung
Transport
(TCP-Segment)
Internet
(IP-Datagramm)
Netzwerk
(Netzwerk-Paket)
Benutzer-Daten
Benutzer-Daten
Benutzer-Daten
Benutzer-Daten
TCP-Header
TCP-Header
TCP-Header
IP-Header
IP-Header
Netzwerk-
Header
Rechner 1
Rechner 2
2. Analyse des Standes der Web-Technologie im Bereich des Teleservice
19
Götz von Arnim
TU-Berlin
renzmodell mit TCP/IP-Stapel
dem ISO/OSI-Referenzmodell gegenübergestellt. Die Zusam-
menfassung der sieben Schichten zu vier übersichtlichen ist der große Vorzug des TCP/IP-
Standards. Ob sich dieser Internetstandard auch in anderen Bereichen der Vernetzung durch-
gesetzt hat, wird im Kapitel 2.5 näher erörtert.
Der TCP/IP-Standard (4 Transportschicht und 3 Netzwerkschicht) hat sich als weltweitver-
breiteter Standard im Internetbereich durchgesetzt. Eine Neuentwicklung wird hier auch kaum
zu beobachten sein, und gegebenenfalls könnte sie sich auch nur schwer durchsetzen. Im
Gegensatz zu der untersten Schicht 1 oder den Schichten 5-7 sind am Markt einige Neuerun-
gen zu sehen.
2.3 Bluetooth, eine neue transportorientierte
Kommunikationschicht für kleine Netzwerke
Das Client-Server-Prinzip erlaubt die räumliche Trennung von Anwendung und Prozeß. Das
offene System des ISO/OSI-Referenzmodells garantiert eine Austauschbarkeit und Kompati-
bilität der Hardware- und Software-Komponenten untereinander. Die Steuerung eines entfern-
ten Prozesses auf einem anderen Computer oder sonstiger Peripherie wird überwiegend mit
einer Verkabelung realisiert. Verkabelungen sind im Verhältnis zu anderen Techniken relativ
preiswert, stabil in der Übertragung und am weitesten verbreitet. Praktisch heißt dies: Eine
computerverbindende Kommunikation ist nur dann möglich, wenn man mit einem eigenen
Rechner oder einem ähnlichen Kommunikationsgerät (Funktelefon oder PDA) direkt über ein
Kabel mit dem Netzwerk verbunden ist.
Auf der anderen Seite steigt die Verbreitung von mobilen Computern und Kommunikations-
geräten stetig an. Es kommen immer leistungsfähigere, kleinere und preiswertere Geräte auf
den Markt. Sobald aber diese Geräte mit einem Tischrechner oder Netzwerk für einen Daten-
austausch kommunizieren und zu einem kleinen Netzwerk (auch Pico-Netzwerk genannt)
verbunden werden sollen, steht man vor dem Problem der Auswahl der entsprechenden Hard-
ware-Schnittstelle. Der mobile Charakter wird gestört durch das Mitschleppen von Verbin-
dungskabeln und den Aufwand der Installation und Konfiguration entsprechender Treiber.
Daher haben es sich einige Hersteller von Netzwerktechnologien zur Aufgabe gemacht, dem
entstehenden Kabelsalat in Pico-Netzwerken durch drahtlose Verbindungen zu begegnen.
Drahtlose Verbindungen nutzen für die Datenübertragung entweder die Infrarot- (IrDA) oder
Funkwellen-Technik. Diese Übertragungstechnologien decken im ISO/OSI-Referenzmodell
die Funktionen der beiden untersten Schichten ab: die Bitübertragungsschicht (1) und die
Sicherungsschicht (2).
Ende der Leseprobe aus 82 Seiten
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Details
- Arbeit zitieren
- , 2001, Konzeptionierung eines Embedded-Systems für Haushaltsgeräte am Beispiel einer Kaffeemaschine, Hamburg, Bedey Media GmbH, https://www.diplom.de/document/219960
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