1_Infra_01_Einführung in Netzwerke_OSI_Ethernet Protokoll.pdf

Einführung in Netzwerke / OSI, Ethernet Protokoll Computernetzwerke / Internet - 1 Computernetzwerk: Zusammenschluss verschiedener Computersysteme wie Server, Laptops, PCs, Drucker,... Internet: größtes weltweites technisches Computernetzwerk mit Millionen angeschlossener Sy...

Einführung in Netzwerke / OSI, Ethernet Protokoll Computernetzwerke / Internet - 1 Computernetzwerk: Zusammenschluss verschiedener Computersysteme wie Server, Laptops, PCs, Drucker,... Internet: größtes weltweites technisches Computernetzwerk mit Millionen angeschlossener Systeme Hosts / Endsysteme sind über Kommunikationsleitungen (communication link) und Paket-Switches (paket switch) verbunden Übertragung von PDU („packet data unit“) Computernetzwerke / Internet - 2 Hosts / Endsysteme in Computernetzwerke nutzen „Protokolle“ welche das Format und Reihenfolge des Nachrichtenaustausches regeln TCP/IP Protokoll Suite TCP (Transmission Control Protocol) IP (Internet Protocol) Was ist ein Protokoll? ISO/OSI Referenzmodell OSI = Open Systems Interconnection Model Referenzmodell für Netzwerke 1983 von der ISO als Standard veröffentlicht Ziel: Die Kommunikation unterschiedlicher technischer Systeme zu ermöglichen OSI Modell ist in Schichten - sog. Layers - aufgeteilt ISO/OSI Referenzmodell Unterteilt in 7 Schichten Je niedriger die Nummer im Stack desto„Hardware- näher“ Je höher die Nummer desto „softwarelastiger“ Upper Layer Interaktion mit dem User Implementierung von Software die über das Netz kommuniziert Lower Layer Ziel ist der Transport der Daten ISO/OSI Referenzmodell ISO/OSI Referenzmodell - Datenkapselung Daten der jeweilig höheren Schicht werden in ein eigenes Paket gepackt und mit einem eigenen Layerheader versehen Überblick der Datenkapselung Vergleich ISO/OSI vs. TCP/IP Modell Protokollschichten – Layers Anwendungsschicht Application layer Protokolle für Anwendungen z.B. HTTP für Web, IMAP & SMTP für Email Transportschicht Transport layer Überträgt Nachrichten der Anwendungsschicht TCP (Transmission Control Protocol) UDP (User Datagram Protocol) Netzwerkschicht Network layer Reicht Datagramme von einem Host zum anderen Wegfindung (Routing) IP Protokoll Protokollschichten – Layers Sicherungsschicht Data link layer Übertragung von „frames“ z.B. über Ethernet, WLAN, PPP (Point-to-Point Protocol) Bitübertragungsschicht Physical layer Transport der Bits je nach Trägermedium (Kupferdrähte, Glasfaser, Satellit,...) Trägermedien Geführte Medien Festes Medium: Lichtwellenleiter, Kupferdraht, Koaxialkabel Nicht geführte Medien WLAN, Satellitenkanal Beispiele Twisted-Pair Koaxialkabel Glasfaserkabel Terrestrische Funkverbindungen Satellitenfunkverbindung Verzögerung, Verlust, Datendurchsatz In paketvermittelnden Netzwerken Verzögerung: Durch Verarbeitung, Warteschlangen, Übertragung, Ausbreitung Paketverlust: z.B. durch überschreiten einer Warteschlangenkapazität Datendurchsatz: Ende-zu-Ende Durchsatz Geschwindigkeit in Bit/s „Flaschenhals“ – Engpassleitung (Bottleneck) Paket- vs. Leitungsvermittlung Paketvermittlung: (packet switched) Informationen werden in einzelne Pakete aufgeteilt und über virtuelle Verbindungen übertragen Vorteil: Leitung wird „geteilt“, effizienter Nachteil: Stau von Paketen möglich, nicht verzögerte Übertragung kann nicht garantiert werden Leitungsvermittlung: (circuit switched) Reservierung der Netzwerkressourcen für die Dauer der Kommunikationssitzung z.B. traditionelle Fernsprechnetze Nachteil: Ressourcen vollständig belegt (auch wenn ungenutzt) Trend geht zur Paketvermittlung (z.B. VoIP in Telefonie) Ethernet Protocol – IEEE 802. Ethernet Frame Netzwerktopologien Physische Anordnung von Netzwerkstationen Verbunden über Kabel oder Funknetz Bestimmt den Einsatz von Hardware & Zugriffsmethoden In weiterer Folge Einfluss auf: Das Übertragungsmedium (Kabel, Lichtwellenleiter, Luft,...) Die Übertragungsgeschwindigkeit Den Datendurchsatz Bus-Topologie Eine gemeinsame Übertragungsleitung Stationen sind hintereinander geschaltet Um Störungen zu vermeiden werden an den Enden der Leitung sog. Abschlusswiderstände eingesetzt Trennung des Kabels führt zum Ausfall des Netzwerkes Keine zentrale Netzwerkkomponenten die den Datenverkehr regelt Daten erreichen alle Stationen, Stationen die nicht adressiert sind ignorieren Daten Adressierte Station liest Daten und sendet Empfangsbestätigung an den Sender Bei Kollision von Datenpaketen entsteht eine Störung am Bus (→ 2 Stationen senden gleichzeitig) ➔ Nach Zufallszeit versuchen die Stationen erneut zu senden, bis die Daten am Ziel ankommen Ring-Topologie Geschlossene Kabelstrecke Netzwerkteilnehmer sind im Kreis angeordnet An jeder Station kommt ein Kabel an und ein Kabel geht ab Trennung des Kabels führt zu Ausfall des Netzwerkes ➔ Ausnahme: Netzwerk kennt Busbetrieb und stellt auf diesen um + Verteilte Steuerung - Aufwendige Fehlersuche + Große Ausdehnung - Bei Störung = Netzausfall - Verkabelungsaufwand Baum-Topologie Erweiterte Sterntopologie Größere Netze nehmen solche Strukturen an Zumeist ein übergeordnetes Netzwerkelement das die Wurzel des Baumes bildet Wird wie ein Baum verzweigt Kombinationen von Topologien Kombination aus Bus- und Sterntopologie Über eine Sternstruktur sind die Stationen über ein HUB verbunden VermaschteTopologien Dezentrales Netzwerk Muss keinen verbindlichen Strukturen unterliegen Modell dient häufig als „perfektes Netzwerk“ indem jede Netzwerk-Station mit allen anderen Stationen verbunden ist Beim Ausfall einer Verbindung gibt es zumeist alternative Routen Entspricht einem „kontrolliertem Chaos“ - das Internet stellt so ein gewolltes Netzwerk dar + Dezentrale Steuerung + Unendliche Netzausdehnung + Hohe Ausfallssicherheit - Aufwendige Administration - Teurere & hochwertigere Vernetzung Netzwerkgeräte - Netzwerkkarte Alternativ Netzwerkadapter oder NIC ➔ Network Interface Card Ermöglicht den Zugriff auf ein Netzwerk Arbeitet auf dem OSI Layer 1 Jede Netzwerkkarte hat eine Hardwareadresse die weltweit eindeutig ist (bzw. sein sollte) ➔ Beispielsweise: A4-23-7B-47-C1-66 Diese Adresse wird als MAC-Adresse bezeichnet ➔ Media Access Control Über die MAC lässt sich ein Client eindeutig identifizieren LEDs auf dem NIC zeigen den aktuellen Status (verbunden?) und die Datenübertragung Netzwerkgeräte - Repeater Kopplungselement Frischt Datensignale auf = Verstärker Arbeitet auf OSI Layer 1 Erhöht dadurch die Übertragungsstrecke Zumeist 2 Ports: Eingang und Ausgang Arbeitet transparent Ist für andere Geräte nicht erkennbar Netzwerkgeräte - Hub Kopplungselement Verbindet mehrere Stationen Arbeitet auf OSI Layer 1 Nimmt Datenpakete entgegen und sendet diese an ALLE Ports Somit „broadcasten“ Hubs Besitzt sog. „Uplink-Port“ um weitere Hubs zu verbinden Netzwerkgeräte - Switch Kopplungselement Verbindet Stationen in einem Netzwerk Arbeitet auf OSI Layer 2 – Data Layer Ähnlich einem HUB aber... ➔ Verbindungen werden direkt zwischen den Stationen geschalten ➔ Sofern die zugehörigen Ports bekannt sind ➔ Verwendung von MAC-Table zur Zuordnung der Stationen Switch kann mit SPAN-Port zur Datenanalyse konfiguriert werden ➔ Switched Port Analyser (Mirror Port) CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access Collission Detection Zugriffsverfahren Carrier Sense: Träger Zustandserkennung Multiple Access: Mehrfachzugriff Collission Detection: Kollisionserkennung IFS = Interframe Spacing ➔ zeitlichen Abstand zwischen gesendeten Paketen Kollisionsdomainen Paketkollisionen entstehen durch Multiple Access (CSMA/CD) Router Verbinden Netze untereinander Arbeitet auf OSI-Layer 3 Häufig an den Außengrenzen von Netzwerken Aufgaben Ermittlung der verfügbaren Routen Auswahl der geeignetsten Route Herstellen der Verbindung Anpassung der Datenpakete an Übertragungstechnik MTU Size MTU beschreibt die maximale Paketgröße eines Protokolls der Vermittlungsschicht Fragmentierung (Aufteilung) eines Datenpaktes in mehrere physische Blöcke Findet statt, wenn die Maximum Transmission Unit (MTU) überschritten ist Kann unterschiedliche Werte für unterschiedliche Protokolle annehmen MTU Size / Fragmentierung Unterschiedliche Netzwerke haben unterschiedliche MTUs Ethernet 1500 Bytes Wifi 2300 Bytes Große MTUs sollten aus Effizienzgründen bevorzugt werden Schwierig, da nicht jeder Router die gleichen MTU-Größen verwendet Zusammensetzung findet am Endclient statt (=Entlastung der Router) MTU Size / Fragmentierung Router teilt Pakete die zu groß sind Typischerweise in die größtmöglichen Paketteile Kopiert den IP Header des Originals und stattet damit die Paketteile aus Setzt ein Offset im IP-Header um die Fragmentposition anzugeben Setzt das MF-Flag (More Fragments) im IP-Header bei jedem Fragment (außer das Letzte) Empfänger baut die Fragmente wieder zusammen Identifiziert über das Identification Field welche Fragmente wie zusammengehören Über das MF-Flag 0 erkennt der Empfänger das letzte Fragment