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Rechnernetze
5. aktualisierte Auflage
Hanser, 2014
Wolfgang Riggert
Wolfgang Riggert, Rechnernetze,
5. Auflage, Carl Hanser 2014
80-20-Regel




Serverbandbreite und –geschwindigkeit steigen
Latenzzeit-Reduktion
Multimedia-Anwendungen
Multicast-Anwendungen
20 %
80 %
Workgroup
Wolfgang Riggert, Rechnernetze,
5. Auflage, Carl Hanser 2014
80 %
Backbone
20 %
Topologie-Übersicht
Bus
Ring
Wolfgang Riggert, Rechnernetze,
5. Auflage, Carl Hanser 2014
Stern
Anzahl der
Kommunikationsteilnehmer
Unicast:
One-to-one Kommunikation
U
M
Multicast:
One-to-many Kommunikation
M
M
A
Anycast:
One-to-nearest Kommunikation
A
A
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
Anzahl der
Kommunikationsteilnehmer
Philosophenschicht
Übersetzerschicht
Technikschicht – reale Übertragung
Wolfgang Riggert, Rechnernetze,
5. Auflage, Carl Hanser 2014
ISO-Schichten
7.
Application
6.
Presentation
5.
Session
4.
Transport
3.
Network
2.
Data Link
1.
Physical
Wolfgang Riggert, Rechnernetze,
5. Auflage, Carl Hanser 2014
Application
7.
Anwendung
6.
Presentation
6.
Darstellung
5.
Session
5.
Sitzung
4.
Transport
4.
Transport
3.
Network
3.
Vermittlung
2.
Data Link
2.
Sicherung
1.
Physical
1.
Bitübertragung
Wolfgang Riggert, Rechnernetze,
5. Auflage, Carl Hanser 2014
Transportsystem
7.
Anwendungssystem
ISO-/OSI-Referenzmodel
ISO-Referenzmodell vs.
DoD-Modell
OSI-Modell
Netzwerk-Funktion
DoD-Modell
Anwendung
Prozess/
Anwendung
 Anwendung
 Benutzerschnittstelle
Transport
Host-to-Host
 Garantierte Zustellung
Netzwerk
Internet
Darstellung
Sitzung
Sicherung
Netzwerkzugang
Bitübertragung
 „Routing“ zwischen Netzwerken
 Physikalische Verbindung
zwischen zwei Punkten
Wolfgang Riggert, Rechnernetze,
5. Auflage, Carl Hanser 2014
ISO-/OSI-Referenzmodel
24
76
Beispiel: Ablage des Wortes
16
54
8
32
0
10 = 7654321016 im Speicher:
Little Endian
Zum Beispiel:
Big Endian
n+3 76
n+3 10
n+2 54
n+2 32
n+1 32
n+1 54
Adresse n 10
Adresse n 76
• Intel IA-32
• MIPS64
• Alpha
•
•
•
•
SPARC
29K
MIPS64
Alpha (optional)
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
Nutzdaten vs. Overhead
7.
Anwendung
6.
Darstellung
5.
Sitzung
4.
Transport
3.
Netzwerk
Anwendungsprotokoll
Darstellungsprotokoll
Sitzungsprotokoll
Transportprotokoll
Netzwerk-
protokoll
Anwendung
7.
Darstellung
6.
Sitzung
5.
Transport
4.
Netzwerk
3.
Sicherung
2.
Bitübertragung
1.
Subnetz-interne Protokolle
2.
Sicherung
1.
Bitübertragung
Host A
Sicherungs-
protokoll
Physikalisches
Protokoll
Physikalisches
Medium
Subnetz
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
Host B
Analoge Übertragung
Spannung (V)
Amplitude
Phase
Periode
Frequenz = 1/Periode
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
Zeit
Signalerkennung
Bereich für 1
Signal
Bereich für 0
t
Abtastzeitraum
Abtastzeitraum
Undefiniert
Abtastzeitraum
Undefiniert
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
Bedeutung des
Abtastzeitpunktes
Sender
Empfänger
Signal
Taktraster
Abtastzeitpunkt
1 0 1 1 0 1 0 0 1
1 0 1 1 0 1 1 0 0
Abtastfrequenz zu hoch
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
Codierungsverfahren
0
1
1
1
1
Manchester
NRZI
Non Return to Zero Inverted
MLT-3
Multilevel Transmission
Encoding - 3 Levels
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
1
0
1
0
Primärverkabelung
Lichtwellenleiterkabel für
den Backbonebereich
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Sekundärverkabelung
Lichtwellenleiter- oder
Kupferkabel für den Steigbereich
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Tertiärverkabelung
Kupferkabel für den
Horizontalbereich
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Strukturierte Verkabelung
1. Primärbereich
2. Sekundärbereich (Vertikalverkabelung)
3. Tertiärbereich (Horizontalverkabelung)
3
2
1
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
Distributed vs. Collapsed
Backbone
Distributed Backbone
Collapsed Backbone
Tertiärverkabelung
Tertiärverkabelung
Sekundärverkabelung
Verzicht auf
Sekundärverkabelung
Primärverkabelung
Primärverkabelung
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
Glasfaseraufbau
Primary Coating
Secondary Coating
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Core
Cladding
Unterschiedliche Glasfaserkabel
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
Multimode-Stufenfaser
High-Order Mode
Refractive
Index Profile
Dispersion
r
η2
η
Input
Pulse
Output
Pulse
Stufenindex
Low-Order Mode
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
η1
r
Multimode-Gradientenfaser
Refractive
Index Profile
Dispersion
r
η2
η
Input
Pulse
Output
Pulse
η1
r
Gradientenindex
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
Aufbau eines Kupferkabels
mit 8 Adern
Wolfgang Riggert, Rechnernetze,
5. Auflage, Carl Hanser 2014
Übertragung auf 4 Paaren
T
T
250Mb/S
250Mb/S
R
250Mb/S
250Mb/S
R
R
1 GBit/s
+
250Mb/S
T
T
250Mb/S
R
R
250Mb/S
T
T
R
R
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250Mb/S
+
T
T
+
+
R
Ethernet-Entwurf R. Metcalfe
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
Ethernet-Entwurf
Station
TAP
Interface Cable
Transceiver
The Ether
Interface
Controller
Terminator
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Ethernet V2
Präambel
8 Bytes
Ziel-MACAdresse
6 Bytes
Quell-MACAdresse
6 Bytes
Typ
Daten
Prüfsumme
2 Bytes
46 bis 1500
Bytes
4 Bytes
Minimale Framegröße: 64 bis max. 1518 Bytes
Frame 1
Prä.
Ziel
Frame 2
Quelle
Typ
Daten
Prüf.
20 Bytes
Prä.
Ziel
Quelle
Typ
Daten
Interframe Gap
(20 Bytes Abstand zwischen zwei Frames)
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
Prüf.
CSMA
nein
Sendewillig
Medium
frei?
ja
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Daten
senden
CSMA/CD
nein
Sendewillig
Medium
frei?
ja
Daten
senden
Medium
frei?
nein
Störsignal
senden
Warten
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ja
Versand
erfolgreich
CSMA/CD: Zusammenfassung
Carrier-Sense
A möchte senden
und horcht
t0
A
A sendet
C möchte senden
und horcht
B
C
D
Carrier-Sense
t1
A
B
C
D
Kollision
A und C senden
Kollision!
Ausbreitung der
Kollision
t2
A
B
C
D
A
B
C
D
t3
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
Übertragungskapazität
Bedeutung der IFG
16000
14000
14880
PAKETANZAHL PRO SEKUNDE
12000
10000
8000
8445
6000
4000
4528
2000
2349
1586
1197
961
812
1024
1280
1518
0
64
128
256
512
768
FRAMEGRÖßE (BYTES)
Wolfgang Riggert, Rechnernetze,
5. Auflage, Carl Hanser 2014
10Base5-Architektur
Dropkabel
max. 50m
min. 2,5m
Koaxialkabel
Transceiver
AUI
Max. Segmentlänge 500m
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Abschlusswiderstand
10Base2-Architektur
Koaxialkabel
Anschluss
BNC-Stecker
min. 0,5m
Max. Segmentlänge 185m
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
Abschlusswiderstand
5-4-3 Regel
Diese Regel beschreibt die max. Netzausdehnung des Ethernets:
5 Segmente können durch 4 Repeater/Hubs verbunden werden,
wobei nur 3 Segmente Host aufnehmen dürfen.
500m
500m
500m
2.500m
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
500m
500m
10BaseT-Architektur
PCs
Server
100m
100m
100m
100m
100m
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
Fast Ethernet:
Medienunterstützung
100 Mbps MAC (Media Access Control)
802.3 CSMA/CD Ethernet
MII (AUI Äquivalent)
100BaseTX
100BaseT4
100BaseFX
2-Paar CAT5
2-Paar STP
4-Paar CAT3
4 und 5 UTP
Multimode
Glasfaser
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
Migration:
Ethernet zu FastEthernet
Kein Wechsel
Anwendungen
Anwendungen
Kein Wechsel
Management
Management
Kein Wechsel
CSMA/CD MAC
CSMA/CD MAC
Wahlmöglichkeit
Coax
(10Base5)
Fiber
(10BaseF)
Wahlmöglichkeit
Coax
(10Base2)
TwistedPair
(10BaseT) (Cat. 3, 4, 5)
Vier Paar UTP
(100BaseT4) (Cat. 3, 4, 5)
Fiber
(100BaseFX)
Ethernet
2 Paar UTP, STP
(100BaseTX) (Cat. 5)
Fast Ethernet
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
Migration:
FastEthernet zu GigabitEthernet
Kein Wechsel
Anwendungen
Anwendungen
Kein Wechsel
Management
Management
Kein Wechsel
CSMA/CD MAC
CSMA/CD MAC
Wahlmöglichkeit
Wahlmöglichkeit
Vier Paar UTP
(100BaseT4) (Cat. 3, 4, 5)
Fiber
(100BaseFX)
2 Paar UTP, STP
(100BaseTX) (Cat. 5)
Kurz WL Optics
(1000BaseSX)
Shielded TP
(1000BaseCX)
Fast Ethernet
Lang WL Optics
(1000BaseLX)
Twisted Pair
(1000BaseT)
Gigabit Ethernet
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
ELFEXT-Werte
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Gigabit-Schichtendiagramm
Gigabit-Ethernet
IEEE 802.3
1000BaseSX
IEEE 802.3z
MM LWL
850 nm
50 µm
500 m*
550 m*
62,5 µm
220 m*
275 m*
1000BaseCX
IEEE 802.3z
1000BaseT
IEEE 802.3ab
SM LWL
1300 nm
Twinax STP
150 Ohm
Cat . 5
100 Ohm
9/10 µm
3000 m*
2 Paare
25 m*
4 Paare
100 m*
1000BaseLX
IEEE 802.3z
MM LWL
1300 nm
50 µm
550 m*
62,5 µm
550 m*
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10-Gigabit-Schichten
MAC (Media Access Control)
Reconciliation Sublayer
XGMII (10 Gigabit Media Independant Interface
64B/66B PCS
64B/66B PCS
8B/10B PCS
PMA
PMD
WIS
PMA
PMD
PMA
PMD
MDI
10GBase-R
MDI
10GBase-W
Wolfgang Riggert, Rechnernetze,
5. Auflage, Carl Hanser 2014
MDI
10GBase-X
IPv4-Header
0-3
4-7
8-11
12-15
Version
IHL
Type of Service
Identifikation
Time to Live
16-19
20-23
24-27
28-31
Paketlänge (in Bytes)
Flags
Protokoll
Fragmentation Offset
Header Prüfsumme
Quell-IP-Adresse
Ziel-IP-Adresse
Optionen
Padding
Daten
Wolfgang Riggert, Rechnernetze,
5. Auflage, Carl Hanser 2014
ARP-Paketaufbau
0-3
4-7
8-11
12-15
16-19
20-23
24-27
28-31
Hardware-Adresse
Protokoll-Adresse
Hardwareadresslänge in Byte
Protokolladresslänge in Byte
Operation Code
Hardware- und Protokolladresse des Senders
Hardware- und Protokolladresse des Empfängers
Operation Code
ARP request
=1
ARP reply
=2
RARP request = 3
RARP reply
=4
Die Hardware Adresse entspricht der MAC-Adresse,
die Protokolladresse der IP-Adresse.
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
Paketschichtung
Anwendungsschicht
(Telnet, FTP etc.)
Daten
Transportschicht
(TCP, UDP)
Netzwerkschicht
(IP)
Verbindungsschicht
(Ethernet, TR etc.)
Ethernet
Header
TCP/UDP
Header
Daten
IP Header
TCP/UDP
Header
Daten
IP Header
TCP/UDP
Header
Daten
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
Ethernet
Trailer
TCP Header
0-3
4-7
8-11
12-15
16-19
Source TCP Port Nummer
20-23
24-27
28-31
Destination TCP Port Nummer
Sequenz-Nummer
Acknowledgement-Nummer
Offset
Reserviert
Flags
Window Größe
TCP Prüfsumme
Urgent Pointer
Optionen
Padding
Daten
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
TCP-Verbindungsaufbau
Hanna
Fritz
SYN
(Kann ich mit dir sprechen?)
SYN, ACK
(Sicher, was gibt‘s?)
ACK, Daten
(Gut, ich höre dich, blabla…)
Wolfgang Riggert, Rechnernetze,
5. Auflage, Carl Hanser 2014
TCP-Verbindungsabbau
Hanna
Fritz
FIN
(Das ist genug für heute, bye.)
ACK
(OK, tschüss!)
ACK
(Verbindung geschlossen)
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FIN
IP-Adressbeispiel 1
Verwaltung
10.0.2.10-59
10.0.1.250
10.0.3.1
10.0.2.250
ITK-Abteilung
Geschäftsleitung
10.0.3.250
10.0.3.10-49
Wolfgang Riggert, Rechnernetze,
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10.0.1.10-24
IP-Adressbeispiel 2
Ein bekanntes Netz,
sieben Subnetze.
Unternehmens- •140.25.32.0
•140.25.64.0
netzwerk
•140.25.96.0
•140.25.128.0
•140.25.160.0
Internet
•140.25.192.0
•140.25.224.0
Lokaler Router
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Netzwerk- und Hosteinteilung
der Adressklassen
Class A
Network
Host
Octet
1
2
Class B
Network
Octet
1
Class C
Network
Octet
1
Class D
Host
Octet
1
3
4
Host
2
3
4
Host
2
3
4
2
3
4
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
IP-Adresshierarchie
Netzwerk-ID: Identifikation des physikalischen Netzwerkes
Host-ID:
Identifikation des Rechners am Netzwerk
Netzwerk des Unternehmens XY
(Netzwerk-ID)
Rechner des Mitarbeiters
des Unternehmens XY
(Host-ID)
Wolfgang Riggert, Rechnernetze,
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Host-Adressen
IP: 172.16.2.1 /16
172.
16.
200.
11
255.
255.
0.
0
172.
16.
3.
255.
255.
172.
IP: 10.6.24.2 /8
10.
1.
1.
1
255.
0.
0.
0
10
10.
250.
8.
11
0.
0
255.
0.
0.
0
16.
12.
12
10.
180.
30.
118
255.
255.
0.
0
255.
0.
0.
0
172.
16.
12.
12
255.
255.
0.
0
Network
E0
E1
Forwarding Table
Host
Wolfgang Riggert, Rechnernetze,
5. Auflage, Carl Hanser 2014
Network
Interface
172.16.0.0
E0
10.0.0.0
E1
IP-Header-Veränderungen
0-3
4-7
8-11
12-15
Version
IHL
Type of Service
Identifikation
Time to Live
16-19
20-23
24-27
28-31
Paketlänge (in Bytes)
Flags
Protokoll
Fragmentation Offset
Header Prüfsumme
Quell-IP-Adresse
Ziel-IP-Adresse
Optionen
Padding
Daten
Geändert
Entfernt
Wolfgang Riggert, Rechnernetze,
5. Auflage, Carl Hanser 2014
IPv4-Header
0-3
4-7
8-11
12-15
Version
IHL
Type of Service
Identifikation
Time to Live
16-19
20-23
24-27
28-31
Paketlänge (in Bytes)
Flags
Protokoll
Fragmentation Offset
Header Prüfsumme
Quell-IP-Adresse
Ziel-IP-Adresse
Optionen
Padding
Daten
Wolfgang Riggert, Rechnernetze,
5. Auflage, Carl Hanser 2014
IPv6-Header
0-3
0-31
32-63
Version
4-7
8-11
12-15
16-19
Klasse
20-23
128-159
Nutzlastlänge
Nächster Header
Quell-IP-Adresse (128 Bit)
160-191
192-223
224-255
256-287
28-31
Flow Label
64-95
96-127
24-27
Ziel-IP-Adresse (128 Bit)
288-319
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Hop Limit
Extension Header
IPv6 Header
TCP Header
Next Header = und Daten
TCP
IPv6 Header
Routing
TCP Header
Next Header = Header
und Daten
Routing
Next Header =
TCP
IPv6 Header
Routing
Next Header = Header
Routing
Next Header =
Fragment
Routing
Fragment of
Header
TCP Header
Next Header = und Daten
TCP
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Adressklassen für IPv6
Global
Unique-Local
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Link-Local
Kommunikation in Mobile IPv6
Kommunikationspartner
Home Agent
Foreign Agent
Dreiecksverbindung
Mobiler Rechner
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Broadcast- und Kollisionsdomäne
Layer 2-Switches trennen Kollisionsaber keine Broadcastdomänen
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Broadcastdomäne
Kollisionsdomäne
Cut-Through-Verfahren
DA
SA
L oder Type
PDU + PAD
FCS
6
6
2
46 – 1500
4
Bytes
First in
Ermitteln des
Zielports aus der
Switchingtabelle
Herstellen der
Verbindung
First out
Cut Through Latency
Fifo-Latency
Cut Through-Switching
Quelle: Bildungsinitiative Networking
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Store-and-Forward-Verfahren
DA
SA
L oder Type
PDU + PAD
FCS
6
6
2
46 – 1500
4
First in
64 bis zu 1518 Bytes
Bytes
Last in
Ermitteln des
Zielports aus der
Switchingtabelle
Herstellen der
Verbindung
First out
LifoLatency
Fifo-Latency
Quelle: Bildungsinitiative Networking
Wolfgang Riggert, Rechnernetze,
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Store and
Forward
Switching
Switchingablauf
Destination
0002.ABCD.EF12
Frame
E0
Paket
E6
MAC Address
Output Interface
AAAA.1111.BBBB
Ethernet 10
3215.2511.AFFC
Ethernet 5
0001.2345.6789
Ethernet 0
3005.6789.AA05
Ethernet 0
0002.ABCD.EF12
Ethernet 6
0005.3ADB.1112
Ethernet 6
Switching Tabelle
MAC Adresse: 0001.2345.6789
MAC Adresse: 0002.ABCD.EF12
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Redundante Switches
Switch 3
Switch 1
PC 2
Switch 2
PC 2
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Redundante Bridges
Station A
Segment A
1/1
2/1
Bridge 1
Bridge 2
1/2
2/2
Segment B
Station B
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Routerszenario
Station A
Station B
Router 1
Router 2
Station C
Station D
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Routingablauf
Netz A
Router 1
E0
Router 2
Netz B
S0
S0
Router 3
Netz C
S1
Netz D
S0
E0
Netz
Interface
Netz
Interface
Netz
Interface
A
E0
B
S0
C
S0
B
S0
C
S1
D
E0
C
S0
A
S0
B
S0
D
S0
D
S1
A
S0
Wolfgang Riggert, Rechnernetze,
5. Auflage, Carl Hanser 2014
Routingtabelle
Netzwerk
Interface
Nächster Hop
Metrik
Alter
Port
198.113.181.0
Ethernet0
192.150.42.177
[170/304793]
02:03:50
D
198.113.178.0
Ethernet0
192.150.42.177
[110/9936]
02:03:50
O
192.168.96.0
Ethernet0
192.150.42.177
[120/3]
00:00:20
R
192.168.97.0
Ethernet0
C
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
Routingschleife
B
Netzwerk 1 unerreichbar
C
Alternativroute:
Netzwerk 1, Hops 3
A
E
D
Alternativroute:
Netzwerk 1, Hops 4
Netzwerk 1
ausgefallen
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TTL-Ablauf
IP
S: Sender
D: Ziel
TTL = 1
Sender
S: Router A
D: Sender
TTL expired
IP
S: Sender
D: Ziel
TTL = 2
Sender
S: Router B
D: Sender
TTL expired
TTL = 0
Router A
TTL = 1
Router A
Router B
IP
S: Sender
D: Ziel
TTL = 1
S: Router B
D: Sender
TTL expired
Ziel
TTL = 0
Router B
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Ziel
Switch-Router-Taxonomie
Kontrolle
Kosten
Layer 3
Routing
Layer 3
Cut-Through
Layer 2/3 VLANSwitching
Layer 2
Switching
Route everywhere
Route once, switch afterwards
Switch where you can,
route where you must
Switch everywhere
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
MIB-Baum
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Serverplatzierung
Die Server hinter einem Router zu platzieren,
stellt sicher, dass das MAC-Spoofing diese Server
nicht beeinträchtigt.
Router 1
Router 2
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5. Auflage, Carl Hanser 2014
Serverplatzierung
Wellenlänge
3.000km
30km
300m
3m
3cm
300µm
3µm
30nm
0.3nm
102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018
NFBereich
HFBereich
Analoge
Telefonie
AM-Radio
MikrowellenBereich
TV & FMRadio
Optischer
Bereich
Mikrowellenofen
Mobile
Telefonie
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Röntgen/
Gammabereich
Röntgenbilder
Frequenz [Hz]
Access Point
Access Point
54 Mbit/s Bandbreite
CSMA/CA
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Kanalüberlappung
Channel
1
2
3
4
5
6
7
8
9
5
9
3
8
2
2400
11
10
4
1
10
7
6
2441
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11
2483
Kanalabdeckung
Ch1
Ch11
Ch6
Ch11
Ch6
Ch6
Ch1
Ch11
Ch1
Ch11
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WLAN-Zeitspannen
DIFS
PIFS
DIFS
Zufälliger
Backoff-Mechanismus
SIFS
Medium
belegt
Wartezeit
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Nächster
Frame
WLAN-Paketformat
1
Rechner 1
2
Access Point 1
3
Access Point 2
Rechner 2
1
Frame
Control
Duration
Access
Point 1
Rechner 1
Rechner 2
Sequence
Control
2
Frame
Control
Duration
Access
Point 2
Access
Point 1
Rechner 2
Sequence
Control
Rechner 1
3
Frame
Control
Duration
Rechner 2
Access
Point 2
Access
Point 2
Sequence
Control
Rechner 1
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WEP-Funktion
Initialisierungsvektor = 24 Bit Zufallszahl IV
IV
Schlüssel
40 oder 104 Bit
kombinieren
Schlüsseltext
RC4-Algorithmus
X
O
R
Klartext
kombinieren
Integritätsalgorithmus
Prüfsummenberechnung
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