Grundlagen der

Grundlagen der
NETZWERKE
Ein Netzwerk dient dem Datenaustausch zwischen mehreren Rechnern.
Die Netzwerktypen:
1. LAN (Local Area Network)
2. MAN (Metropolitan Area Network) ; 100-1000Mbit/sec
3. WAN (Wide Area Network)
Transportmittel:
1. Kabellose (Funk, Infrarot)
2. Kabelgebundene (Metallgebundene: coax U. Twisted Pair Kabel)
(Metallfreie: LWL= Lichtwellenleiter o. Glasfaser)
Twisted Pair Kabeln
STP Kabel (Shielded Twisted Pair)
Shielded Twisted Pair, die Adernpaare sind mit einem Folienschirm versehen.
S - STP Kabel (Screened Shielded Twisted Pair)
Screened - Shielded Twisted Pair, wie STP jedoch ist es zusätzlich mit Folien- und
Geflechtschirm versehenes Kabel,.
UTP Kabel (Unshielded Twisted Pair)
Unshielded Twisted Pair, verdrillte Adernpaare ohne jegliche Abschirmung
S - UTP Kabel (Screened Unshielded Twisted Pair)
Screened-Unshielded Twisted Pair, ein UTP-Kabel mit einem sehr einfachen Folienschirm.
Crossover-Kabel: (gekreuztes Kabel.)
Um zwei gleichrangige Systeme miteinander zu verbinden (also PC mit PC oder HUB mit
HUB)
Hier eine Abbildung zu dem 1:1- bzw. Crosslink-Kabel (getauscht  1 - 3 und 2 - 6)
Klassifizierung:
Kategorie
CAT-1
CAT-2
CAT-3
CAT-4
CAT-5
CAT-6
CAT-7
max. Frequenz
100 kHz
100kHz
16 MHz
20 MHz
100 MHz
200 MHz
600 MHz
Anwendung
analoge Sprachübertragung < 1MBit
analoge und digitale Sprache , 4 MBit
Bis 100m länge
10 MBit
Bis 150m länge
20 MBit
Bis 100m länge
20 – 100 MBit
Hochgeschw.-Netzwerk
622 MBit
Glasfaserkabel:
Daten werden in einem Glasfaserkabel als Lichtsignale durch eine hauchdünne Glasfaser
transportiert (bis 70 Km länge). Glasfaserkabel haben eine sehr hohe Bandbreite (1000 MBit
Datendurchsatz; 125 MByte/sec = 1 GBit), sind extrem dünn, störungsunempfindlich, dafür
aber relativ teuer. Bei einer Verlust kommt es zu einer Dämpfung (1dB/km).
Gründe einer Dämpfung:

Mikrobiegung

Bruch

Einschluss

Strukturfehler

Starke Biegung

Verengung

Luftblase

Knick
Adertypen:

Vollader (Festader)

Hohlader
Der Lichtwellenleiter (Glasfaserkabel) besteht also aus folgenden Grundelementen:
o
o
o
Dem Kern, auch genannt Core,
dem Mantel (Cladding) und
der Beschichtung (Primär u. Sekundär Coating)
Der erste Schutz einer Faser wird durch eine ein- oder zweilagige Beschichtung der Glasfaser
selbst erreicht. Erst bei der Kabelherstellung erfolgt dann die Sekundärbeschichtung durch
eine weitere Umhüllung mit Kunststoff. Zwei Unterschiedliche Verfahren werden dabei
angewendet: die lose und die feste Umhüllung. Die Einheit aus Faser, Primärbeschichtung
und Sekundärbeschichtung bezeichnet man als Ader.
Ummantelt man die Glasfaser mit einer losen Hülle, so bezeichnet man eine solche als
Hohlader. Man erreicht damit, dass die Faser kräftefrei in der Hülle liegt; Querbelastungen
können sich dann nicht mehr auf die Faser auswirken.
Steckverbindungen:

ST Stecker (Bajonettverschluss)

SC Stecker (Simplex o. Duplex)

FC Stecker (Schraubverschluss)

FDDI Stecker (Duplex)
Simplex: geht nur in eine Richtung (z.B. Hören o. Reden)
Duplex: geht in beide Richtungen (z.B. Hören u. Reden gleichzeitig)
Netzwerkstruktur:
Peer to Peer ist die Kommunikation zwischen gleichberechtigten .
Ein Protokoll regelt den Ablauf.
OSI Referenzmodel
Schicht
7
Application Layer
Anwendungsschicht
File-Transfer, E-mail, Virtual
Terminal (Remote login),
Directory
DNS,www
Usenet News
Terminal Emulation
standardisiert Datenstrukturen
Schicht Presentation Layer
FTP,SMTP,NNTP,DNS,www
(u.a. Kodierung, Kompression,
6
Darstellungsschicht
Telnet
Kryptographie)
Steuerung logischer
Verbindungen
Schicht
Session Layer
(Sitzungsebene): hilft
5
Kommunikationsschicht Zusammenbrüche der Sitzung
und ähnliche Probleme zu
beheben
Schicht
4
Transport Layer
Transportschicht
Schicht
3
Network Layer
Vermittlungsschicht
stellt höheren Schichten
zuverlässige Ende-zu-EndeVerbindungen (zwischen
Sender und Empfänger) zur
Verfügung
FTP,SMTP,NNTP,DNS,www
Telnet
TCP
UDP
(Paketebene, Netzwerkebene):
ARP,IP,ICMP
Routing der Datenpakete
(Verbindungssicherungsschicht,
Verbindungsebene,
Prozedurebene): Aufteilung
Ethernet(Sterntopologie),
Schicht
Data Link Layer
des Bitstromes in Einheiten
TokenRing,
2
Datensicherungsschicht
(Pakete) und Austausch dieser DQDP,FDDI,ATM
Einheiten unter Anwendung
eines Protokolls
(physikalische Ebene):
Übertragung des Bitstromes
über einen
Kommunikationskanal.
Schicht Physical Link Layer Standardisierung der
1
Bittübertragungsschicht Netzwerk-Leitungen und Anschlüsse sowie ihrer
physikalischen Eigenschaften.
Physikalische Verbindung zu
Netzwerk-Abschluss-Geräten
Twisted Pair,
Lichtwellenleiter,Coaxkabel,
Funk,Laser
Kabel,Hub,Repeater,Stecker
Kürzel:
;
ARP: Address Resolution Protocol (ermittelt
MAC- aus IP-Adresse)
ATM: Asynchronous Transfer Mode
(Netzwerkprotokoll)
FTP: File Transfer Protocol (DateitransferVerfahren im Internet)
IP: Internet Protocol (Pakettransfer,
Adressierung, Routing, akt. Version 4)
SMTP: Standard Mail Transfer Protocol
(Mail-Sende-Protokoll)
UDP: User Datagram Protocol
(verbindungslose TCP/IP-Pakete)
DNS: Domain Naming System
(Namensvergabe in IP-Netzwerken)
FDDI: Fiber Distributed Data Interface
(Doppelring-Glasfasernetz)
ICMP: Internet Control Message Protocol
(Steuerungsdaten-Protokoll)
NNTP: Network News Transfer Protocol
(für Usenet-Newsgroups)
TCP: Transmission Control Protocol
(Schicht oberhalb IP)
WWW: World Wide Web (HTTP-/HTMLbasierter Teil des Internet)
IEEE 802
Für LAN's (auf den unteren beiden Schichten des ISO/OSI-Modells) existieren Standards der
IEEE-Vereinigung. Dabei beschreiben unter anderem
802.1
Internetworking
802.2
LLC (Logical Link Control)
802.3
CSMA/CD - Ethernet
802.4
Token Bus LAN
802.5
Token Ring LAN
802.6
MAN (Metropolitan Area Network)
802.7
Breitband-Übertragung
802.8
Glasfaser-Übertragung
802.9
Integrierte Sprach-/Datennetze
802.10
Netzwerksicherheit
802.11
Drahtlose Netzwerke
802.12
Demand-Priority Access Lan,
100BaseVG-AnyLAN





IEEE 802.1: Verwendung von MAC-Adressen
IEEE 802.2: Logical Link Control (Datensicherung)
IEEE 802.3: CSMA/CD ("Ethernet")
IEEE 802.5: Token-Ring
IEEE 802.11: Funknetze (WLAN: Wireless LAN)
Das populärste LAN-System heute ist IEEE 802.3 und wird als Ethernet bezeichnet, obwohl
es sich von dem klassischen Ethernet unterscheidet.
Jedes Datenpaket (Frame), welches auf der Schicht 2 ausgetauscht wird, enthält zwei MACAdressen (Absender und Empfänger). MAC-Adressen sind die physikalischen NetzwerkAdressen. Eine MAC-Adresse wird als Folge von 6 hexadezimalen Werten dargestellt:
 00-D0-59-6A-18-4E
MAC-Adressen enthalten keine Information darüber, wo sie sich befinden.
Abhilfe: Bei geeigneten Treibern können physikalische MAC-Adressen durch strukturierte
lokale Adressen überschrieben werden.
Ethernet
Gemeinsam mit TCP/IP setzte sich auch Ethernet als de-facto-Standard durch. Später wurde
Ethernet von der IEEE stark verbessert und als IEEE 802.3-Standard genormt.
Umgangsprachlich werden beide nebeneinander existierenden LAN-Systeme als Ethernet
bezeichnet:


Ethernet V2 (DIX)
IEEE 802.3
802.3-Ethernet unterscheidet Varianten mit verschiedenen Medien und von verschiedener
Leistungsfähigkeit:





Thick-wire(10Base5): klassisches Ethernet, "yellow cable"
Thin-wire(10Base2): Cheapernet, BNC-Kabel
10BaseT: TP-Kabel und Hub
100BaseTx: Fast Ethernet auf Kupfer-Basis (TP)
100BaseFx: Fast Ethernet auf Glasfaser-Basis
Thin-Wire-Ethernet:(10Base2)
10Mbit/s Bandbreite; 185m Reichweite
Kabel: Cheapernet, Thin-Wire-Ethernet
-> dünnes Koaxialkabel, üblicherweise RG58-Kupferkoaxialkabel mit BNC-Steckern
physikalisch und logisch als Bus (linear mit 50-Ohm-Abschlußwiderständen)
Thick-Wire-Ethernet:(10Base5)
10Megabit Bandbreite; 500m Reichweite
Kabel: Yellow Cable, Thick Ethernet
physikalisch und logisch als Bus (linear mit 50-Ohm-Abschlußwiderständen)
High-Speed-Ethernet
Fast Ethernet ist die Weiterentwicklung von IEEE 802.3 mit den Zielen
 CSMA/CD-Verfahren mit 100 MBit/s
 Beibehaltung der Struktur der MAC-Frames
 Einsatz von TP (Kupfer) und Glasfaser
 Interoperabilität von 10BaseT und 10BaseTx
Um die Interoperabilität zu gewährleisten, wird ein MMI (Medium Independent Interface)
eingerichtet, welches den Modus der Übertragung "aushandelt":


100BaseT4, 100BaseTx oder 10BaseT
Vollduplex oder Halbduplex
Im Duplex-Modus sind CS und CD ausgeschaltet.
Damit 10MBit/s-Ethernet und 100MBit/s-Ethernet nebeneinander existieren könne
Gigabit-Ethernet (GE) wurde als neuer Standard IEEE 802.3u genormt.Ethernet besitzt
logisch eine Busstruktur. Physikalisch kann dies auf verschiedene Arten realisiert sein


durch einen Bus (Koaxialkabel)
durch eine sternförmige Verkabelung zu einem Hub, welcher alle Signale weiterleitet
(Multiport-Repeater)
Zugriffsverfahren
Das Zugriffsverfahren für Ethernet heißt CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access /
Collision Detection).
*
Carrier Sense
Jeder Teilnehmer hört ständig das Medium ab, auch während er selbst sendet.
Multiple Access
Ein Teilnehmer kann senden, sobald er eine Sendepause feststellt, dabei ist jede Station
gleichberechtigt.
Collision Detection
:Falls zwei Stationen "gleichzeitig" zu senden beginnen, tritt eine Kollision auf. Kollisionen
werden erkannt und aufgelöst.
Vorteile dieses Verfahrens:


einfaches Verfahren Frame kann bei leerem Netz sofort verschickt werden dezentrales
Verfahren, es gibt keine übergeordnete Station, welche die Übertragung "steuert"
Stationen können unproblematisch hinzugefügt und entfernt werden.
Nachteile: bei hoher Übertragungsrate steigt die Kollisionshäufigkeit, damit sinkt die
Gesamtleistung des Netzwerkes eine garantierte Antwortzeit ist nicht möglich, dadurch
problematisch bei Echtzeitanforderungen.
Damit das CSMA/CD-Verfahren funktionieren kann, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:


jede Kollision muss erkannt werden
nach einer erkannten Kollision muss es ein Verfahren geben, welches die
Wahrscheinlichkeit, dass die gleiche Kollision wieder auftritt, minimiert.
Die verschiedenen Netzwerk-Topologien
Die Bus-Topologie: Das Bussystem besteht aus einem
durchgängigen Kabel, dessen Enden von Widerständen
terminiert sind. Alle angeschlossenen Rechner sind über
dieses Kabel verbunden. Bei Bruch des Kabels fällt
allerdings das gesamte Netz aus.
Die Stern-Topologie: Bei einem Stern-System sind die
einzelnen Rechner mit einem zentralen Server
verbunden. Dadurch steht den einzelnen PC's die
Gesamtleistung des ganzen Busses zur Verfügung. Man
könnte sagen, ein Sternsystem besteht aus vielen
einzelnen Bussystemen mit jeweils 2 Rechnern. Vorteil:
Bei einem Kabelbruch ist nur ein Rechner verloren.
Die Ring-Topologie: Das Ring-System besteht
sozusagen aus einem Bussystem, dessen beide Enden
miteinander verbunden sind. Dadurch besteht bei einem
Kabelbruch oder Rechnerausfall immer noch eine
Verbindung zu jedem anderen PC.
Die Baum-Topologie: Das Baumsystem ist sozusagen
die Summe verschiedener Bussysteme, die miteinander
in Verbindung stehen. Es ist sowohl möglich, die
Verbindungen der Busse als Rechner (Gateways) zu
realisieren, als auch direkte Kabelverbindungen zu
nutzen (Nicht bei ThinEthernet).
Gemischte Topologien: In der Praxis wohl am meisten
anzutreffen, sind die meisten großen Netzwerke
gemischte Topologien. So sind etwa die Büros mit
Bussystemen vernetzt, hängen aber Ihrerseits wieder
gemeinsam an einem Ring. Die Knotenpunkte einer
solchen Struktur nennt man Bridges oder Gateways.
Vorsicht: Nicht alle Kabel sind für alle Systeme
brauchbar.
FDDI-Glasfaserring: Eine Sonderform des Rings bildet
das FDDI-Glasfaserkabelsystem, das einen doppelten
Ring bildet. Dieser wird in zwei unterschiedliche
Fließrichtungen mit Daten beschickt. Vorteil: Selbst
wenn ein kompletter Ring ausfällt, kann die
Kommunikation mit allen Rechnern über den zweiten
Ring fortgesetzt werden. Selbst wenn beide Ringe an
einer Stelle zerstört werden (z.B. Gebäude- brand), kann
ein Notring gebildet werden, indem die beiden Enden
miteinander verbunden werden. Dieses sehr
leistungsfähige System wird oft als Backbone großer
Netze (Uni's, Krankenhäuser, Rechenzentren)
verwendet. Das FDDI-System benutzt ebenfalls ein
Token.
Aktive Komponenten
HUB
Flapsig gesagt eine "Steckdosenleiste" die nur das, was auf einem Port rein kommt auf allen
anderen Port wieder raus schickt. Ein Hub hat also keine eigene Intelligenz und leitet die
Daten ungeprüft weiter. Er arbeitet auf der Schicht 1 des OSI-Modells. anders als beim
Repeater werden die Signale hier nicht verstärkt
Repeater
Repeater arbeiten (wie Hubs ) auf Schicht 1 des OSI-Modells und dienen zur
Topologieausdehnung von Netzwerk-Segmenten. Sie geben alle Signale eines Segmentes auf
alle anderen angeschlossenen Segmente weiter. Aus Sicht der LAN-Teilnehmer und der
Zugriffsstrategie ist ein Repeater "unsichtbar". Mit Repeatern lassen sich Signale auf längeren
Übertragungswegen verstärken.
Bridge
Eine Bridge arbeitet auf Schicht 2 des OSI-Modells. Sie überträgt Datenpackete zwischen
mehreren Netzwerksegmenten, die das gleiche Kommunikationsprotokoll verwenden.
Beim Übertragen des Datenverkehrs werden Informationen zu den MAC-Adressen des
sendenden Computers im Speicher der Bridge gespeichert. Die Brücke erstellt daraus eine
Tabelle. Wenn die Brücke ein Packet empfängt, wird die Quelladresse mit der Tabelle in der
Bridge verglichen. Sollte die Quelladresse in der Tabelle nicht vorhanden sein, wird sie
hinzugefügt. Die Brücke vergleicht dann die Zieladresse mit der in der Tabelle aufgelisteten
Zieladresse. Falls die Brücke den Standort der Zieladresse erkennt, wird das Paket an die
Adresse weitergeleitet. Andernfalls wird das Paket an alle Segmente weitergeleitet.
Switch
Ein Switch ist eine Art Hub, der aber über eine erheblich größere "Intelligenz" verfügt. Bei
einen normalen Hub wird jedes Datenpaket an alle Ports und Rechner weitergeleitet, ein
Switch dagegen stellt auf Grund der MAC-Adresse fest, welches der Ziel-Rechner ist und
stellt eine Punkt-zu-Punkt Verbindung zwischen diesen beiden Rechnern her. D.h. jeder Port
wird als eigenständiges Segment betrachtet und kann die volle Übertragungsbandbreite für
sich verwenden, wo sich bei normalen Hubs alle Rechner die max. Bandbreite von 10 oder
100 MBit teilen müssen.
Router
Ein Router arbeitet auf Schicht 3 des OSI Schichten Modells. Es ist ein Gerät, das als Brücke
oder Switch dient, aber ein höhere Funktionalität bietet. Beim Verschieben von Daten
zwischen unterschiedlichen Netzwerksegmenten analysieren Router den Paketheader, um den
besten Übertragungsweg für das Paket zu bestimmen. Ein Router kennt durch den Zugriff auf
die Informationen in der Routingtabelle den Weg zu allen Netzwerksegmenten. Mit Routern
können alle Benutzer in einem Netzwerk eine einzige Verbindung zum Internet oder zu einem
WAN gemeinsam nutzen.
Netzklassen
default
Subnetmask
Klasse
Ip Adressen
Bitfolge
A
1.0.0.0 255.0.0.0
127.255.255.255
1
B
128.0.0.0 255.255.0.0
191.255.255.255
10
C
192.0.0.0 255.255.255.0
223.255.255.255
110
besondere IP
Adressen
Localhost
127.0.0.1
Broadcast
Node address
255
255.0.0.0
Art der Unterteilung einer IP-Adresse in einen Netz- und einen Host-Anteil. Die Netzklasse
ist abhängig von der Anzahl der in einer Firma an das Internet anzuschließenden Computer.
In der Praxis werden heute die Klassen A, B und C verwendet.
Die Klasse A:
wird heute fast nicht mehr vergeben, da sie mit 16581375 adressierbaren Computern
(N.H.H.H) ein sehr großes Stück aus dem knappen Adreßraum herausschneidet. Statt dessen
werden bei Bedarf mehrere Klasse B-Adressen an eine Firma vergeben.
Die Klasse B:
sind 255 mal 255 Adressen möglich, weil zwei Byte für den Hostanteil verwendet werden
(N.N.H.H).
Die Klasse C:
teilt die Adresse in N.N.N.H (N - Netz, H - Host) und enthält so 255 Adressen.
Freie IP-Nummern
Klasse
Nummernkreis
Class A 10.0.0.0
Class B 172.16.0.0 bis 172.31.0.0
Class C 192.168.0.0 bis 192.168.255.0
Nummern für lokale Netze
Für jede Klasse wurde in der RFC 1597 ein Bereich von Nummern definiert, der im Internet
nicht weiter transportiert wird. Eine solche Nummer sollte für lokale Netze verwendet
werden, sofern keine eigenen internetfähigen IP-Nummer reserviert worden sind.1) Anders
ausgedrückt heißt das, dass diese Nummern beliebig oft in der Welt verwendet werden
können. Da solche Pakete im Internet nicht weitergeleitet werden, macht es gar nichts, wenn
noch jemand anderes genau die gleichen Netzwerkadressen für sein Hausnetz verwendet.
Freie Nummern gewährleisten Kollisionsfreiheit
Subnetmask
z.B. IP-Adresse von 120.50.12.6
Ip Adresse: 120
Class A
Subnetmask: 255.255.255.0
es werden 24 Bit für die
Adressierung des Netzwerkes
verwendet (default Subnetmask für
Class A währe 255.0.0.0). D.b es
können 2^24 Netzwerkadressen
verwendet werden -> 16777216.
Anzahl der Hosts
253
Anzahl der Netzwerke
2^24-2=16777214
120.50.12.0
ist die Netzwerkadresse
192.168.0.255
ist die Broadcastadresse
120.0.0.0
Hauptnetzwerkadresse
Z.B. 192.168.0.1 entspricht 11000000.10101000.00000000.00000001 (Binär)
Umrechnungen (Binär,Hex,Dez)
Dez  Binär (1/2 = durch 2)
z.B. 211
211 = 1 /
Rest
→
105 = 1 /
Rest ↑
52 = 0 /kein Rest
26 = 0 /kein Rest ↑
13 = 1 /
Rest
6 = 0 /kein Rest ↑
3 = 1 /kein Rest
1=1 /
Rest
→
→ d.h. 1 1 0 1 0 0 1 1
Binär  Dez
z.B. 1 1 1 1 0 0 1 1

Die Einsen zusammenzählen (rechts nach links aufsteigend).
1 + 2 + 0 + 0 + 16 + 32 + 64 + 128 = 243
Dez  Hex ( 1/16)
z.B. 5000
5000 ( 312 x 16 = 4982 ) = 8* /Rest
312 ( 19 x 16 = 304 ) = 8* /Rest
19 ( 1 x 16 = 16 ) = 3* /Rest
1 ( 0 x 16 =
0 ) = 1* /Rest
* = der Rest
Hex  Dez
z.B. ABC [(A x 16) + B] x 16 + C
10 x 16 (= 160)
160 + 11 = 171 x 16 (=2736)
2736 + 12 = 2748
d.h. 1 3 8 8
↑
↑