Harald Lechner

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1 Harald Lechner

2 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 2

3 Kopplungseinheiten Harald Lechner Arten von Kopplungseinheiten Repeater Bridge Router Brouter Gateway Switch 3

4 Kopplungseinheiten Harald Lechner 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 4

5 Kopplungseinheiten Harald Lechner 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 5

6 Kopplungseinheiten Harald Lechner 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) 6

7 Kopplungseinheiten Harald Lechner 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

8 Kopplungseinheiten Harald Lechner 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 8

9 Kopplungseinheiten Harald Lechner 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) 9

10 Kopplungseinheiten Harald Lechner Bridge man unterscheidet 3 Arten von Bridges (nach ihrer Funktion) Lokale Bridges Remote Bridges Multiport Bridges 10

11 Kopplungseinheiten Harald Lechner 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) 11

12 Kopplungseinheiten Harald Lechner 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 12

13 Kopplungseinheiten Harald Lechner 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. 13

14 Kopplungseinheiten Harald Lechner 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. 14

15 Kopplungseinheiten Harald Lechner 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 15

16 Kopplungseinheiten Harald Lechner 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

17 Kopplungseinheiten Harald Lechner Router Einprotokoll Router kann nur ein Protokoll verstehen Multiprotokoll Router diese Art von Routern ist mit einem Protokoll-Stack ausgerüstet 17

18 Kopplungseinheiten Harald Lechner 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 18

19 Kopplungseinheiten Harald Lechner 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 19

20 Kopplungseinheiten Harald Lechner 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

21 Kopplungseinheiten Harald Lechner 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. 21

22 Kopplungseinheiten Harald Lechner 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 22

23 Kopplungseinheiten Harald Lechner 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 Ziel- Host angeschlossen ist. die Hostadresse des Ziel-Hostes 23

24 Kopplungseinheiten Harald Lechner 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) 24

25 Kopplungseinheiten Harald Lechner Arten von Switches Cut-Through Switches Store and Forward Switches 25

26 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 26

27 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 27

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29 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 29

30 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 30

31 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 31

32 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 32

33 4 Schichtenmodell von TCP/IP im Vergleich zu ISO/OSI: 33

34 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 34

35 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 35

36 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. = =

37 physische Adressierung: Die physische Adressierung erfolgt immer über die MAC- Adresse. 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). 37

38 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 Byte 2 Byte 3 Byte 4 Max. Host/Netz A Frei wählbar B zugewiesen Frei wählbar C zugewiesen wählbar

39 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

40 Aufbau von IP-Paketen: TTL = time to live : Prüfziffer: 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 wird bei jedem Knoten neu berechnet und mit der übertragenen verglichen 40

41 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

42 Protokolle der Transportschicht: Protokolle dieser Schicht können nur Datenstationen (also Rechner) ansprechen wichtigstes Protokoll: TCP 42

43 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

44 Aufbau eines TCP headers : die Sequenznummer ist die Nummer, mit der die richtige Reihenfolge der ankommenden Daten sichergestellt wird 44

45 schematischer Aufbau von TCP-Paketen : IP Kopfteil 20 Byte TCP Kopfteil 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

46 TCP 3-way-handshake zum Verbindungsaufbau : Endsysteme werden mit einer Drei-Schritte- Handshake/Verbindungsauf bau-sequenz synchronisiert Der Austausch von Anfangssequenznummern gewährleistet, dass bei auftretenden Problemen verloren gegangene Daten später wiederhergestellt werden können. 46

47 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

48 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

49 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

50 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 ist weltweit eindeutig definiert und von der Internet Assigned Numbers Authority verwaltet und für Server reserviert 50

51 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

52 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

53 Aufbau einer Anfrage: <Methode> <Anfrage-URL> <HTTP-Version> <Kopf> [<Daten>] Methode: Anfrage-URL: Kopf: Daten: legt die Art der Anfrage fest absoluter Pfad oder URL Platz für weitere Angaben nur bei den Methoden PUT & POST 53

54 Beispiele für Methoden: GET: PUT: häufigste Methode; ruft ein Dokument direkt vom Server ab überträgt angehängte Daten zum Server POST: erbittet das Anlegen der mitgelieferten Daten als Unterdokument; liefert z.b. Daten aus einem Formular vollständiger HTTP-URL: z.b.: 54

55 Aufbau einer Anwort: <HTTP-Version> <Statuscode> <Erläuterung> [<Kopf>] [<Daten>] Statuscode: Erläuterung: Kopf: Daten: Auskunft über Erfolg / Misserfolg der Anfrage einzeilige Beschreibung des Staus Platz für weitere Angaben bei Erfolg nur vorhanden wenn tatsächlich ein Dokument erfragt wurde. Enthält z.b. HTML-Code einer Seite 55

56 HTTP-Statuscodes: eingeteilt in 5 Klassen: 1xx: Information: 2xx: Erfolg: 3xx: Umleitung: Nachricht empfangen und in Bearbeitung Aktion erfolgreich 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 56

57 Nutz- und Steuerdaten auf unterschiedlichen Protokollschichten: Anwendungssch. Transportsch Vermittlungssch: Verbind.: Ethernet- Kopfteil IP-Kopfteil TCP Kopfteil HTPP Kopfteil HTPP Nutzdaten Ethernet- Prüfziffer HTTP-Meldung TCP-Paket IP-Paket Ethernet-Paket 57