Netzwerke2

Harald Lechner
9440207
Kopplungseinheiten
Harald Lechner
Kopplungseinheiten
Sinn und Zweck:
- Vergrößerung der Anzahl der anschließbaren Stationen
- Verbesserung der Lastkontrolle
- Entlastung des gesamten Netzwerkes
- Aufbau heterogener Netze
- Anbindung an öffentliche Netze
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Kopplungseinheiten
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Arten von Kopplungseinheiten
• Repeater
• Bridge
• Router
• Brouter
• Gateway
• Switch
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Kopplungseinheiten
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Repeater
Die einfachste Kopplungseinheit ist eine reine Verstärkerstation,
der so genannte Repeater. Er empfängt Signale (Bits) an einem
Anschluss und wiederholt die gleichen Signale an allen weiteren
angeschlossenen Netzwerksegmenten. Um diesen einsetzen zu
können, müssen die verbundenen Systeme von Schicht 1
aufwärts identische Protokolle verwenden.
Quelle: Hansen Wirtschaftsinformatik I
8. Auflage S1173
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Kopplungseinheiten
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Repeater
Einfachstes Kopplungselement
• Dient ausschließlich der Verstärkung von Signalen
• kann verschiedene Kabeltypen umsetzen (Repeater der neuen
Generation)
• Plug & Play – Lösung (keine Software notwendig)
• es können mehrere Segment miteinander verbunden werden
(Multiport- Repeater)
• kann defekte Segment ausschalten, um andere nicht in
Mitleidenschaft zu ziehen
• neue Geräte können „ Rauschen“ filtern
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Kopplungseinheiten
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Charakteristika von Repeatern
• Finden Verwendung in der Ethernet- Verkabelung
• Arbeiten gemäß dem ISO/OSI Schichtenmodell auf der Ebene 1
(physikalische Ebene)
• Brauchen keine Protokolle und Zugriffsmethoden, da sie reine
Signalverstärker der einzelnen Bitströme sind
• Können keine unterschiedlichen Topologien koppeln
• braucht unterschiedliche Node- Adressen, da sie keine logische
Trennung des Netzes durchführen
• Jedes Signal wird auf alle anderen Segmente übertragen
(können keine Lasttrennung im LAN durchführen)
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Kopplungseinheiten
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Bridges (Netzwerkbrücken)
Eine Bridge ist eine Kopplungseinheit zur Verbindung von Netzen auf der
Sicherungsschicht. Durch eine Bridge können unterschiedliche Protokolle
auf der Bitübertragungschicht überbrückt werden. Alle Protokolle
inklusive der auf den höheren Schichten (Schicht 2 aufwärts) müssen
zwischen den Kommunikationspartnern identisch sein. Ein Bridge
empfängt Rahmen von einem Netzwerksegment und überprüft deren
Prüfsumme. Ist diese korrekt, versendet sie den Rahmen an das
angeschlossene Übertragungsmedium (das Teilnetzwerk), an dem sie die
jeweilige Zieladresse erwartet. Eine Bridge, die als Hub ausgeführt ist,
wird auch Switch bezeichnet.
Quelle: Hansen Wirtschaftsinformatik I
8. Auflage S 1174
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Kopplungseinheiten
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Funktionen von Bridges
• Filtern und weiterleiten von Paketen (Frames)
• Pflege von Adress- und Filtertabellen und das Fällen entsprechender
Filter- und Transportentscheidungen
• Managementfunktion für die oben genannten Funktionen
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Kopplungseinheiten
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Arbeitsweise von Bridges
• arbeitet auf der MAC-Ebene (untere Hälfte der Schicht 2)
• die oberen Protokollebenen sind für Bridges uninteressant
 Sie sind Protokolltransparent
• Entscheidet über die Weiterleitung von Paketen auf Grund der
physikalischen MAC Adresse (deshalb muss die MAC-Adresse eindeutig
sein)
• sind „ neugierige“ Elemente (sehen sich alle Pakete im LAN an und
entscheiden ob diese weiter geleitet werden sollen)
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Kopplungseinheiten
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Bridge
• man unterscheidet 3 Arten von Bridges (nach ihrer Funktion)
 Lokale Bridges
 Remote Bridges
 Multiport Bridges
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Kopplungseinheiten
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Lokale Bridges
• damit werden 2 LANs physikalisch verbunden
Remote Bridges
• bestehen immer aus 2 Paaren (wenn sich 2 LAN Segment nicht am
gleichen Ort befinden)
Multiport Bridges
• können mehrere Segmente miteinander verbinden (muss sehr
leistungsfähig sein, um bei allen Segmenten eine gute Performance
zu bieten)
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Kopplungseinheiten
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Kopplung über Bridges
• es erfolgt keine direkte Adressierung der Bridge durch die
Endstation
• es gibt keine verbindungsorientierten Dienste
• alle MAC-Adressen in einem Netzwerk sind eindeutig
• beim Ausfall einer Bridge-Verbindung muss die Unterstützung
redundanter Wegpfade im LAN möglich sein
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Kopplungseinheiten
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Wie können Bridges ihre Aufgabe erfüllen?
• fast jede Bridge unterstützt einen Lernalgorithmus
• baut eine Adresstabelle auf
• sie überprüfen jedes Paket, das auf einem Port empfangen
wird. Ist die Source-Adresse nicht in der Adressdatenbank,
wird sie eingetragen, und die Bridge weiß nun, auf welchem
Port sich die Quellstation befindet.
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Kopplungseinheiten
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Bridges im Token-Ring
• haben ein eigenes Verfahren Source-Routing Verfahren
• diese Bridges sind „dumm“, können aber die Arbeit von
anderen Elementen erledigen lassen
• im Token–Ring benötigen sie zusätzliche Informationen
(Routing Information Indicator und Routing Information Feld)
• bei diesem Verfahren weiß die Quellstation über welchen
Weg sie das Datenpaket transportieren soll
• die Bridge sendet eine „Find“ Nachricht an alle Stationen im
eigenen Ring. Ist die Zielstation dort nicht vorhanden, wird
eine „Find-Broadcast“ Nachricht in alle Netze gesendet.
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Kopplungseinheiten
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Bridges im Token-Ring
• im Informationsfeld werden die Angaben gespeichert, die den
exakten Weg von der Quelle bis zum Ziel angeben
• Beim Einsatz von mehreren Bridges werden vom Ziel mehrere
Datenpakete zurückgeschickt. Der Weg des ersten zurück
kommende Datenpakets wird dann gespeichert
• Bei diesem Verfahren sind die Wegwahltabellen von den Bridges in
die Entstation verlagert
• die Netzlast ist bei komplexen Systemen sehr hoch
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Kopplungseinheiten
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Router
Ein Router ist eine Kopplungseinheit, die auf der Vermittlungsschicht
operiert. Durch einen Router können somit – wenn nötig –
unterschiedliche Protokolle auf Schicht 1 und 2 überbrückt werden.
Die Kommunikationspartner müssen aber auf allen höheren
Schichten (ab Schicht 3 aufwärts) identische Protokolle verwenden.
Die zentrale Aufgabe eines Routers ist die Wegwahl für Pakete, die
über das Netzwerk versendet werden.
Quelle: Hansen Wirtschaftsinformatik I
8. Auflage S.1176
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Kopplungseinheiten
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Router
• Einprotokoll Router
 kann nur ein Protokoll verstehen
•Multiprotokoll Router
 diese Art von Routern ist mit einem Protokoll-Stack
ausgerüstet
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Kopplungseinheiten
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Aufgabe von Routern ist es eine Ende-zu-Ende Verbindung
herzustellen
• einen Mechanismus für Endgeräte um sich zu
identifizieren
• einen Algorithmus für nicht lokale Datenpakete, damit
ein anderer Router gewählt werden kann
• Verwaltung einer Routingtabelle (damit werden Wege
und Filterfunktionen gespeichert) und Sammlung von
Informationen um diese Tabelle zu aktualisieren
• Weitergabe von Informationen an andere Router
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Kopplungseinheiten
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Vorteile von Router im Vergleich zu Bridges
• Router weisen eine Fehlerbegrenzung in den Schichten 2 und 3
auf. Fehlerhafte Pakete werden nicht weiter transportiert
• ein Router prüft ein Datenpaket zur Weitergabe erst, wenn er
dazu aufgefordert wird
• er besitze eine Routing Funktion
• macht logische Unterteilung in Subnetze (muss deshalb
konfiguriert werden)
• arbeitet nicht mit flachen MAC-Adressen, sondern mit einer
Subnetz Hierachie
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Kopplungseinheiten
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Brouter (Bridging Router)
Ein Bridge-Router beziehungsweise Brouter ist eine
Kopplungseinheit, die je nach Bedarf Funktionen einer Bridge
oder eines Routers verrichten kann.
Quelle: Hansen Wirtschaftsinformatik I
8. Auflage S.1177
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Kopplungseinheiten
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Gateway
Ist ein leistungsstarker Rechner, der Verbindung
zwischen unterschiedlichen Systemen möglich macht
(PCs, Apple-Macintosh, Unix usw.), und die
verschiedenen Netzwerke trotzdem unabhängig von
einander bleiben.
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Kopplungseinheiten
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Aufgaben des Gateways
• Adressinterpretation und Routenwahl (Wegfindung)
• Flusssteuerung und Fehlerbehandlung
• Fragmentierung und Reassemblierung bei ungleichen Framegrößen
für die Nachrichten oder Paketlänge in den einzelnen Netzen
• muss die in den Kommunikationssubsystemen eingesetzten
Übertragungsprotokolle vollständig gegeneinander isolieren
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Kopplungseinheiten
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Möglichkeiten der Adressierung
• laufwegsorientierte Adressierungsmethode
Dabei werden die Adressen aller Gateways die zu
durchlaufen sind aneinander gekettet.
• hierarchische Adressierungsmethode
Hier gibt es nur 2 Adressangaben
• Adresse des Teilnetzes an dem der ZielHost angeschlossen ist.
• die Hostadresse des Ziel-Hostes
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Kopplungseinheiten
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Switch
• Neuerste Technik um Bandbreiten besser ausnutzen zu
können
•Es wird jedem Port die volle Bandbreite zur Verfügung
gestellt
•Größter Teil von Switches ist Hardware (dadurch werden
Kosten pro Port verringert)
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Kopplungseinheiten
Harald Lechner
Arten von Switches
• Cut-Through Switches
• Store and Forward Switches
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Kopplungseinheiten
Harald Lechner
Cut-Through Switches
Dabei werden Datenpakete zum Zielort transportiert, sobald die
Zieladresse im Header des Datenpakets erkannt ist
Dadurch entstehen nur geringe Verzögerungszeiten
Nachteil:
Fehlerhafte Datenpakete können erst am Ziel als solche erkannt werden
(außer es handelt sich um eine fehlerhafte Zieladresse)
Verbinden von unterschiedlichen Topologien ist nicht möglich, da das
Paket erst ganz angekommen sein müsste
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Kopplungseinheiten
Harald Lechner
Store and Forward Switches
Bei diesen Switches wird das Datenpaket zwischengespeichert.
Vorteile:
• Es können Filterfunktionen implementiert werden
• Es können unterschiedliche Topologien miteinander verbunden
werden
Nachteil:
Durch die Speicherung im Puffer wird die Verarbeitungszeit enorm
verlängert
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Peter de Toma
9852398
Internetprotokolle
Peter de Toma
Geschichte:
entwickelt von: Advanced Research Projekt Agency
Ziel:
Projekte mittels ausfalltolerantem Paketnetz
zu kontrollieren
Start:
1967
erste Anwendung: 1969 Verbindung von 4 Knoten über
die erste Version des heutigen
Internets
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Internetprotokolle
Peter de Toma
Geschichte:
-> zahlreiche weitere Projekte wurden gestartet
-> weiteres Ziel war möglichst viele Rechner
zusammenzuschließen & Rechner- & OS unabhängige
Plattform zu schaffen
-> ein Ergebnis dieser Projekte: TCP/IP
-> Entwicklungen waren allen potentiellen Entwicklern
frei zugänglich
-> Verbesserungen von unterschiedlichsten Forschergruppen
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Internetprotokolle
Peter de Toma
Wozu Protokolle im Internet ?
Protokolle sind Konventionen, die jegliche Datenübertragung
zwischen einzelnen Computern regeln und durch ihren Status
als Standards die Zuverlässigkeit und Übertragungsraten des
Datentransfers gewährleisten.
z.B.: FTP, HTTP, ...
Protokollfamilien :
Weiterhin existieren verschiedene Netzwerk-Protokolle,
die jeweils in Zusammenhang mit einer ganzen
Protokollfamilie entstanden sind.
z.B.: TCP/IP
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Internetprotokolle
Peter de Toma
TCP/IP :
transmission control protocol / Internet protocol
Eine in vier Schichten aufgebaute Familie von
herstellerneutralen Anwendungs- und Transportprotokollen
Bildet die Basis des Internets
TCP & IP sind die beiden wichtigsten Protokolle der
Protokollfamilie
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Internetprotokolle
Peter de Toma
4 Schichtenmodell von TCP/IP im Vergleich zu ISO/OSI:
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Internetprotokolle
Peter de Toma
Verbindungsschicht:
niedrigste Schicht von TCP/IP
setzt die oberen Schichten in Kenntnis wann zum Beispiel
ein Datenpaket ankommt
Protokolle dieser Schicht haben die Aufgabe, IP-Pakete
über ein Netzwerk an ein anderes angeschlossenes Gerät
zu übertragen
Beispiele: Protokolle des Ethernet, Tokenring
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Internetprotokolle
Peter de Toma
Protokolle der Internetschicht :
Internetschicht erfüllt
die Aufgaben der
Vermittlungsschicht im
ISO/OSI Modell
Diese Schicht enthält
das für das Internet
zentrale Protokoll IP
IP definiert Aufbau
und Struktur von
weltweit eindeutigen
Internetadressen
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Internetprotokolle
Peter de Toma
Die IP-Adresse:
Die Adressierung erfolg über 2 Abstraktionsebenen:

alle im Internet adressierbaren Datenstationen sind
mit eindeutigen, 32 Bit langen, IP-Adressen versehen

da IP-Adressen für den menschlichen Benutzer
schlecht zu merken sind, sind IP-Adressen mit einem
sprechenden Namen verknüpft, dem Domain-Namen
Die Abbildung von IP- auf symbolische Adressen erfolgt über
einen Domain Name Server.
www.wu-wien.ac.at = 10001001 11010000 0000111 00110000 = 137.208.7.48
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Internetprotokolle
Peter de Toma
physische Adressierung:
Die physische Adressierung erfolgt immer über die MACAdresse.
Möchte eine Datenstation zu einer anderen senden, so
muss sie:

die MAC-Adresse der Ziel-Station

oder die MAC-Adresse einer Datenstation die für
die Weiterleitung der Meldung zuständig ist
ermitteln .
( = routing )
Die Ermittlung der MAC-Adresse erfolgt durch das
Protokoll ARP (adress resolution protocol).
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Internetprotokolle
Peter de Toma
Aufbau von IP-Adressen :
IP-Adressen sind in Netz- und Hostadressen unterteilt
Wesentlich für routing: IP-Adressen mit gleicher
Netzadresse im gleichen
lokalen Netz
Klasse
Byte 1
A
1-127
B
128-191
C
192-223
Byte 2
Byte 3
Byte 4
Frei wählbar
zugewiesen
zugewiesen
Max.
Host/Netz
16777214
Frei wählbar
wählbar
65534
254
38
Internetprotokolle
Peter de Toma
Aufbau von IP-Paketen:
Jedes IP-Paket ist ein Datagram (enthält Absender- und Zieladr.)
und besteht aus einem 20 Byte langem header und einem
Nutzdatenbereich
39
Internetprotokolle
Peter de Toma
Aufbau von IP-Paketen:
TTL = time to live :
wird beim Verschicken des Paketes mit einer
positiven Zahl initialisiert und bei jeder
Weitergabe über Vermittlungsknoten um eins
reduziert
erreicht dieser Wert 0, wird das Paket gelöscht
dadurch wird verhindert, dass Pakete „ewig“ im
Internet kreisen
Prüfziffer:
wird bei jedem Knoten neu berechnet und mit
der übertragenen verglichen
40
Internetprotokolle
Peter de Toma
Das Hilfsprotokoll ICMP :
dient der Steuerung des IP-Verkehrs, der Ermittlung des
Netzwerkstatus und kann für die Lokalisierung von Fehlern oder
Engpässen eingesetzt werden
mit Hilfe von ICMP (Internet control message protocol) wird
beispielsweise der Absender verständigt, dass die Zieladresse
nicht mehr erreichbar ist wenn TTL abgelaufen ist
Klientenprogramme von ICMP:
- ping (misst Übertragungszeit von einem
Rechner zum anderen)
- traceroute (liefert Aufstellung über welche
Vermittlungsstationen ein Paket
sein Ziel erreicht)
41
Internetprotokolle
Peter de Toma
Protokolle der Transportschicht:
Protokolle dieser Schicht
können nur Datenstationen
(also Rechner) ansprechen
wichtigstes Protokoll: TCP
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Internetprotokolle
Peter de Toma
transmission control protocol :
stellt den darauf aufbauenden Applikationen über eine (virtuelle)
Verbindung einen verlässlichen Vollduplexdatenstrom zur
Verfügung
ein Anwendungsprogramm kann über eine TCP-Verbindung
Bytefolgen in beliebiger Stückelung oder Größe schicken, ohne
sich Gedanken über die Paketgröße, die Reihenfolge oder
Formen der Fehlerkorrektur machen zu müssen
auf einzelnen Rechnern sind mehrere Serverprogramme
installiert -> neben der Adressierung von Rechnern müssen
auch einzelne Dienste (Programme) adressiert werden können
43
Internetprotokolle
Peter de Toma
Aufbau eines TCP headers :
die Sequenznummer ist die Nummer, mit der die richtige
Reihenfolge der ankommenden Daten sichergestellt wird
44
Internetprotokolle
Peter de Toma
schematischer Aufbau von TCP-Paketen :
IP Kopfteil
TCP Kopfteil
20 Byte
20 Byte
TCP Nutzdaten
da TCP auf IP basiert, benutzt TCP die von IP angebotenen
Dienste -> TCP Pakete sind Betandteile der Nutzdaten von IP
die IP-Adresse des Rechners, die Dienst/Portnummer eines
Dienstes und das verwendete Protokoll bilden zusammen einen
sogenannten Sockel, mit dessen Hilfe jeder gewünschte Dienst
weltweit eindeutig identifiziert werden kann
45
Internetprotokolle
Peter de Toma
TCP 3-way-handshake zum Verbindungsaufbau :
Endsysteme werden mit
einer Drei-SchritteHandshake/Verbindungsauf
bau-Sequenz synchronisiert
Der Austausch von
Anfangssequenznummern
gewährleistet, dass bei
auftretenden Problemen
verloren gegangene Daten
später wiederhergestellt
werden können.
46
Internetprotokolle
Peter de Toma
zuverlässiger Datenaustausch über TCP :
ein Paket wird versendet und
ein Timer gesetzt
kommt es beim Empfänger an
wird eine Bestätigung
gesendet
läuft der timer ab bevor
Bestätigung ankommt wird
erneut gesendet
Nachteil: ineffiziente Nutzung
der Bandbreite
47
Internetprotokolle
Peter de Toma
sliding windows :
Fenstergröße = Anzahl von Bytes,
die ein Host übertragen kann,
während er auf eine Bestätigung
wartet
größeres Fenster ermöglicht dem
Host, mehr Daten zu übertragen,
während eine Bestätigung noch
aussteht
sliding bezieht sich darauf, dass
die Fenstergröße während der
TCP-Session dynamisch
ausgehandelt wird -> effizientere
Ausnutzung der Bandbreite
48
Internetprotokolle
Peter de Toma
Protokolle der Anwendungsschicht :
Protokolle dieser
Schicht definieren den
Austausch von
Steuerinformationen
und Nutzdaten
zwischen den
beteiligten
Anwendungen.
Grundlage für diese
Protokolle :TCP, UDP
wichtigstes: HTTP
49
Internetprotokolle
Peter de Toma
Internetdienste:
von Protokollen der Transportschicht verwendete
Dienstnummern haben zwei Aufgaben:
 werden von Klienten verwendet um
einen Dienst zu adressieren
 dienen dazu, von einem Server aus die
Antwort an den anfragenden Klienten zu
adressieren
Die Zuweisung der Dienstnummern 0 – 1023 ist
weltweit eindeutig definiert und von der Internet
Assigned Numbers Authority verwaltet und für Server
reserviert
50
Internetprotokolle
Peter de Toma
Internetdienste:
Beispiele für Dienstnummern:
23
Telnet
21,22
FTP
25
SMTP
80
HTTP
110
POP3
443
HTTPS
Die Dienstnummern der Klienten werden dynamisch
(beim Start des Klienten) vergeben
51
Internetprotokolle
Peter de Toma
HyperText Transfer Protokol:
dem Protokoll liegt das Frage / Antwort Schema zugrunde
man unterscheidet 4 Phasen:
1. Verbindungsaufbau
2. Anfrage (request)
3. Antwort (response)
4. Verbindungsabbau
Es gibt keine langdauernden Verbindungen wie bei Telnet
oder FTP. Der Server beendet die Verbindung dierekt
nach Beantwortung der Anfrage
52
Internetprotokolle
Peter de Toma
Aufbau einer Anfrage:
<Methode> <Anfrage-URL> <HTTP-Version>
<Kopf>
[<Daten>]
Methode:
legt die Art der Anfrage fest
Anfrage-URL:
absoluter Pfad oder URL
Kopf:
Platz für weitere Angaben
Daten:
nur bei den Methoden PUT & POST
53
Internetprotokolle
Peter de Toma
Beispiele für Methoden:
GET:
häufigste Methode; ruft ein Dokument direkt
vom Server ab
PUT:
überträgt angehängte Daten zum Server
POST: erbittet das Anlegen der mitgelieferten Daten
als Unterdokument; liefert z.b. Daten aus
einem Formular
vollständiger HTTP-URL:
http://<Host>[:<Port>]<abs.Pfad>
z.B.: http://www.google.com/index.html
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Internetprotokolle
Peter de Toma
Aufbau einer Anwort:
<HTTP-Version> <Statuscode> <Erläuterung>
[<Kopf>]
[<Daten>]
Statuscode:
Auskunft über Erfolg / Misserfolg der
Anfrage
Erläuterung:
einzeilige Beschreibung des Staus
Kopf:
Platz für weitere Angaben
Daten:
bei Erfolg nur vorhanden wenn
tatsächlich ein Dokument erfragt
wurde. Enthält z.B. HTML-Code einer
Seite
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Internetprotokolle
Peter de Toma
HTTP-Statuscodes:
eingeteilt in 5 Klassen:
1xx: Information:
Nachricht empfangen und in
Bearbeitung
2xx: Erfolg:
Aktion erfolgreich
3xx: Umleitung:
weitere Maßnahmen erforderlich
4xx: Client-Fehler: Anfrage syntaktisch falsch oder nicht
ausführbar. z.b.: 404 = not found
5xx: Server Fehler: Server nicht in der Lage Anfrage zu
erfüllen
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Internetprotokolle
Peter de Toma
Nutz- und Steuerdaten auf unterschiedlichen Protokollschichten:
HTPP
Kopfteil
Anwendungssch.
Transportsch
TCP
Kopfteil
Vermittlungssch:
Verbind.:
HTPP
Nutzdaten
IP-Kopfteil
EthernetKopfteil
EthernetPrüfziffer
HTTP-Meldung
TCP-Paket
IP-Paket
Ethernet-Paket
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