Grundlagen der Netzwerktechnik

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1 Grundlagen der Netzwerktechnik Begriffe und Konzeptionen von Computernetzen Beruflichen Gymnasiums Technik (BGT) am Technisches Bildungszentrum Mitte verfasst im Leistungskurs Informationstechnik 2, Jahrgang BGT091 Version: Draft 0.6 Stand Seite 1

2 Inhaltsverzeichnis Vorbemerkungen...4 Begriffsbestimmung...5 Information, Kommunikation und deren Systeme...5 Was die Norm sagt...6 Aufgaben der Systeme...6 Begriff Netzwerk und Computernetzwerk...6 Kleine Historie der Computernetzwerke...6 Protokolle...7 Topologie...8 Anforderungen an Computernetze...8 Konzept eines Netzwerkes...10 Sichten auf ein Netzwerk...10 Perspektive des Netzwerkbenutzers...10 Perspektive des Netzwerkbetreibers...10 Netztopologien...10 Bustopologie...10 Sterntopologie...11 Ringtopologie...11 Das Internet...11 Netzwerkarchitektur...11 Verteilung einer Anwendung...11 Komponenten eines Kommunikationssystems...12 Funktioneller Sicht vs. konstruktiver Sicht...12 Komponenten der funktionellen Sicht und deren Funktion...12 Komponenten der konstruktiven Sicht und deren Funktion...12 Aufbau eines Kommunikationssystems...13 Beispiele von Kommunikationssystemen...14 Organisation der Kommunikation...15 Organisationsbestimmende Aspekte...15 Kommunikationsformen...15 Verkehrsarten...15 Betriebsarten der Nachrichtenübertragung...16 Verbindungsorientierte und verbindungslose Dienste...16 Einteilung von Netzwerken...17 Einsatzzweck und Reichweite...18 PAN (Privat Area Network)...18 LAN (Local Area Network)...18 SAN (Storage Area Network)...18 MAN (Metropolitan Area Network)...18 WAN (Wide Area Network)...19 GAN (Global Area Network)...19 Art des Zugangs...19 Übertragungskapazität der Netze...20 Literaturnachweis:...21 Online-Quellen:...21 Stand Seite 2

3 Stand Seite 3

4 Vorbemerkungen Statements der Kursteilnehmer: Kommunikation ist wenn zwei Teilnehmer Daten austauschen ein Gespräch zwischen zwei Teilnehmern der Austausch von Information aller Art Ein Netzwerk ist eine Verbindung zwischen verschiedenen PC's / Teilnehmern eine Vernetzung von mehreren PC'S eine Kommunikationsmöglichkeit cool Ein Kommunikationsnetzwerk ist eine Verbindung zweier PC's die untereinander Daten austauschen sind die einzelnen Verbindungen der Teilnehmer dieses Netzwerkes ein Netzwerk, in dem die Teilnehmer miteinander kommunizieren dürfen ein Netzwerk, das den Austausch von Informationen aller Art ermöglicht Stand Seite 4

5 Begriffsbestimmung Information, Kommunikation und deren Systeme Information: (lat. informare bilden, eine Form, Gestalt, Auskunft geben ) ist im engeren Sinne eine geordnete Abfolge von Symbolen, deren Bedeutung der Empfänger entschlüsselt. Der Begriff wird in vielen Lebensbereichen verwendet. Dazu gehören die Naturwissenschaften, die Geisteswissenschaften, die Technik und der Bereich des menschlichen Handelns. Allen gemeinsam ist: Information vermittelt einen Unterschied. Die Information verliert, sobald sie informiert hat, ihre Qualität als Information: News is what's different. Informationssystem: Ein Informationssystem dient der rechnergestützten Erfassung, Speicherung, Verarbeitung, Pflege, Analyse, Benutzung, Verbreitung, Disposition, Übertragung und Anzeige von Information bzw. Daten. Es besteht aus Hardware (Rechner oder Rechnerverbund), Datenbank(en), Software, Daten und all deren Anwendungen. Kommunikation: Kommunikation wird häufig als Austausch oder Übertragung von Informationen beschrieben. Information ist in diesem Zusammenhang eine zusammenfassende Bezeichnung für Wissen, Erkenntnis oder Erfahrung. Mit Austausch ist ein gegenseitiges Geben und Nehmen gemeint. Übertragung ist die Beschreibung dafür, dass dabei Distanzen überwunden werden können, oder es ist eine Vorstellung gemeint, dass Gedanken, Vorstellungen, Meinungen und anderes ein Individuum verlassen und in ein anderes hinein gelangen. Kommunikationssystem: Ein Kommunikationssystem oder Kommunikationsnetz ist in der Nachrichtentechnik eine Bezeichnung für die zusammengefassten Merkmale des Nachrichtenverkehrs in einem Nachrichtennetz. Im engeren Sinn ist ein Kommunikationssystem eine Einrichtung bzw. eine Infrastruktur für die Übermittlung von Informationen. Kommunikationssysteme stellen dazu Nachrichtenverbindungen zwischen mehreren Endstellen her. Stand Seite 5

6 Was die Norm sagt Wie definiert die DIN Daten und Nachrichten? Daten: Gebilde aus Zeichen oder kontinuierliche Funktionen, die aufgrund bekannter oder unterstellter Abmachungen Information darstellen, vorrangig zum Zwecke der Verarbeitung und als deren Ergebnis. Anmerkung: Verarbeitung umfasst die Durchführung mathematischer, umformender, übertragender und speichernder Operationen. Der wesentliche Unterschied zwischen Daten und Nachricht liegt in ihrer Zweckbestimmung. Nachrichten: Gebilde aus Zeichen oder kontinuierliche Funktionen, die aufgrund bekannter oder unterstellter Abmachungen Information darstellen und die zum Zwecke der Weitergabe als zusammengehörig angesehen und deshalb als Einheit betrachtet werden. Aufgaben der Systeme Informationssysteme: Kommunikationssysteme: z.b. Mailsysteme Begriff Netzwerk und Computernetzwerk Ein Computernetzwerk ist ein Zusammenschluss verschiedener technischer, primär selbstständiger elektronischer Systeme (insbesondere Computer, aber auch Sensoren, Aktoren, Agenten und sonstige funktechnische Komponenten usw.), der die Kommunikation der einzelnen Systeme untereinander ermöglicht. Kleine Historie der Computernetzwerke Die Geschichte der Computernetze deckt sich großteils mit der Geschichte des Internets, da dieses eigentlich das größte Computernetzwerk an sich darstellt. Die wichtigsten Punkte in der Geschichte der Computernetze sind unter anderem: 1969: Gründung des ARPANETS Das ARPANET wurde vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) und dem US- Stand Seite 6

7 Verteidigungsministerium entwickelt und stellte das erste Netzwerk mit dezentraler Struktur sowie Paketvermittelter Datenübertragung dar. 1973: Ethernet Details siehe Abschnitt /83: Einführung von TCP/IP Robert E. Kahn und Vinton Cerf entwickelten von 1972 an die TCP/IP Protokollfamilie. Die in ihr enthaltenen Protokolle werden auch heute noch eingesetzt und unter ihnen befinden sich einige, der am häufigsten verwendeten Protokolle überhaupt. 1984: DNS Paul Mockapetris entwarf 1983 das Domain Name System (DNS). Es stellt heute eine auf tausenden Servern verteilte Datenbank dar, welche Domainnamen und die zugehörigen IP- Adressen speichert. 1993: Einführung von WWW Tim Berners-Lee entwickelte 1989 am CERN in Genf, Schweiz erstmals ein Hypertext- System um Forschungsergebnisse einfach mit Kollegen auszutauschen und eine Verlinkung zwischen Dokumenten zu ermöglichen. Protokolle Protokolle sind Regeln und Vorgehensweisen, welche vereinbart wurden um die Kommunikation zwischen einzelnen Komponenten einheitlich ermöglichen. Es gibt im Bereich der Netzwerktechnik einige Protokolle, welche bestimmte Aufgaben erfüllen und diese auf unterschiedlichen Ebenen realisieren. Hier ein kleiner Auszug, aus den bekanntesten Protokollen: TCP: Transmission Control Protocol UDP: User Datagram Protocol ICMP: Internet Control Message Protocol IP: Internet Protocol Stand Seite 7

8 Topologie Die Topologie in einem Computernetz gibt den Aufbau der Verbindungen mehrerer Computer an. Innerhalb der Netzwerktechnik gibt es unterschiedliche Netzwerk-Topologien, welche alle ihre Vor- und Nachteile haben. Als mögliche Topologien sind zu nennen: Stern Ring Reihe Baum Bus vermascht Abbildung1: Netztopologien Anforderungen an Computernetze Die Anforderungen an ein Computernetz hängen sehr stark vom jeweiligen Verwendungszweck ab. Hier gibt es einige Eigenschaften eines Computernetzes und den Verwendungszweck über den man sich vorher klar werden sollte. Um diese Kriterien in Anforderungen zusammenzufassen gibt es ein paar Stichworte: Kapazitätsanforderungen Rechenleistung, Speicherkapazität, Durchsatz Dienstgüteanforderung Zuverlässigkeit, evtl. Verzögerungen (Latenz) Qualitätsanforderungen Sicherheit (Vertraulichkeit, Zustellsicherheit) Skalierbarkeit (Hinzufügen von Komponenten bei größerer Last) Transparenz Der Benutzer nutzt einen Dienst. Die techn. Realisierung des Dienstes bleibt dem Benutzer Stand Seite 8

9 verborgen (i.d.r. Will er dies auch nicht wissen, er will den Dienst nutzen!!) Grundlagen der Netzwerktechnik Konvergenz Welchen Weg die Nachrichten im Netz nehmen, bleibt dem Netz überlassen. Wichtig ist, dass die Nachrichten in der gleichen Reihenfolge beim Empfänger landen. Bei Ausfall einer Netzstrecke kann das Netz einen anderen Weg nutzen, um die Nachrichten vom Sender zum Empfänger zu transportieren. Stand Seite 9

10 Konzept eines Netzwerkes Sichten auf ein Netzwerk Perspektive des Netzwerkbenutzers Der Netzwerkbenutzer kann Datenpakete über das Netzwerk von anderen Benutzern erhalten und selbst Datenpakete verschicken. Über ein Netzwerk kann ein Benutzer beispielsweise einem entfernten Drucker den Befehl geben, ein Dokument auszudrucken, sofern der Drucker an das Netzwerk angeschlossen ist. Abbildung2: Perspektive des Netzbenutzers Perspektive des Netzwerkbetreibers Der Netzwerkbetreiber erstellt und verwaltet das Netzwerk, erlaubt Benutzern dieses Netzwerk zu verwenden und achtet auf die permanente Verfügbarkeit des Netzwerkes. Ferner kann ein Netzwerkbetreiber in seinem Netzwerk Dienste wie z.b. einen Drucker anbieten, der anschließend von den Benutzern verwendet werden kann. Abbildung3: Perspektive des Netzbetreibers Netztopologien Bustopologie Bei der Bustopologie werden die am Netzwerk teilnehmenden Benutzer hintereinander geschaltet. Die einzelnen Stationen sind somit über eine Leitung verbunden, an dessen Ende ein Abschlusswiderstand befestigt ist. Das Netzwerk geht verloren, wenn das Verbindungskabel an einer beliebigen Stelle getrennt wird. Gesendeten Daten wird die Adresse des Empfänger und des Senders angehängt. Teilnehmende Stationen, deren Adresse nicht mit der Empfängeradresse übereinstimmt, werden ignoriert. Die Empfängerstation sendet nach Erhalt der Daten eine Empfangsbestätigung. Senden bei einem Bus zwei Stationen gleichzeitig Daten, entsteht ein Störsignal auf dem Bus und die Datenübertragung wird unterbrochen. Stand Seite 10

11 Sterntopologie Bei der Sterntopologie befindet sich eine zentrale Station, die zu jedem Teilenehmer eine Verbindung aufbaut. Die zentrale Station übernimmt die Verteilung der Datenpakete. Da jedes Datenpaket bei der zentralen Station passieren muss, ist die Datenbelastung der Station relativ hoch. Fällt die zentrale Station aus, geht das Netzwerk verloren. Ringtopologie Bei der Ringtopologie sind die teilnehmenden Stationen in einer Kreisform verbunden. Somit hat jede Station exakt zwei Nachbarstationen. Einem gesendeten Datenpaket wird die Empfängeradresse vorgegeben und in die Senderichtung in das Netzwerk gesendet. Jede Station, bei der das Datenpaket passiert, untersucht das Datenpaket auf die Adresse. Stimmt diese überein, wird das Datenpaket komplett gelesen. Wird innerhalb des Netzwerkes eine Verbindung getrennt, geht das Netzwerk verloren. Das Internet Das Internet ist ein zusammengeschaltetes Netzwerk, von Provider-, Firmen- und Universitätsnetzwerken. Jedes dieser einzelnen Netzwerke hat seine eigene Administration. Die Benutzer von Providernetzwerken werden durch ihren Internetanbieter mit dem Internet verbunden. Firmen und Universitäten verbinden ihre Computer zu einem Netzwerk, welches wiederum einen Zugang zum Internet erhält. Netzwerkarchitektur Die Netzwerkarchitektur beschreibt den genauen Aufbau eines Netzwerkes. Hierzu gehören beispielsweise Anzahl und Anordnung von Partnern, Subnetzwerke, das eingesetzte Übertragungsmedium und das gewählte Zugriffsverfahren. Verteilung einer Anwendung Unter Anwendungsverteilung versteht man die zur Verfügung gestellten Dienste in einem Netzwerk, wie z.b. einen Drucker oder Scanner. Diese Geräte werden an das Netzwerk angeschlossen und können von jedem, im Netzwerk befindlichen Nutzer verwendet werden. Stand Seite 11

12 Komponenten eines Kommunikationssystems Funktioneller Sicht vs. konstruktiver Sicht Funktionelle Sicht Bei der Funktionellen Sicht, besteht das Kommunikationssystem aus angeschlossenen Computern und einem Kommunikationssubsystem (Datentransportsystem). Konstruktive Sicht Bei der konstruktiven Sicht, besteht das Kommunikationssystem aus einem logischen Teil, für die Nutzbarmachung der Informationsströme für den Menschen und für Anwendungen, und einem technischen Teil, für eine realisierte Informationsübertragung. Komponenten der funktionellen Sicht und deren Funktion Bei der funktionellen Betrachtungsweise, umfasst das Kommunikationssubsystem das Netzwerk und den Abschluss des eigentlichen Netzwerkes in Form einer Datenübertragungseinrichtung, oder kurz DÜE bzw. als eine DCE (Data Communication Equipment) je Teilnehmer Anschluss. Ein Computer der mit dem Kommunikationssystem in Verbindung steht, nennt man DEE (Datenendeinrichtung) oder auch DTE (Data Terminating Equipment). Die DÜE sorgt für eine physische Verbindung mit dem Netzwerk sowie das leiten von Datenverkehr und das Liefern der Taktsignale für die Synchronisation mit der DEE. Komponenten der konstruktiven Sicht und deren Funktion Komponenten der konstruktiven Sicht sind Datenstationen, mit deren Hilfe Daten gesendet und/oder empfangen werden. Datenstationen werden in Datenendeinrichtung (DEE) und einer Datenübertragungseinrichtung (DÜE) unterschieden. Der technische Teil des Kommunikationssystems betrachtet die DÜEs als Netzabschlüsse und die Netzwerkadapter der betroffenen Computer (DEEs), die zur Datenübertragung erforderlich sind und natürlich das Netzwerk mit den Übertragungsmedien und Netzknoten. Stand Seite 12

13 Abbildung4: Komponenten der konstruktiven Netzsicht Netzwerkadapter bzw. NIC (Network Interface Card) verfolgen nur die Aufgabe, Computern die Möglichkeit zu geben in einer Netzwerk zu agieren. Seine genauen Aufgaben sind hierbei die Erkennung von Steuerzeichen, die Verbindungsüberwachung, die Codeumwandlung und die Parallel-Serien-Umwandlung für die Bits der zu übertragenden Zeichen. Das Logische Kommunikationssystem umfasst die gesamte Kommunikationssoftware, die in der computergestützten Kommunikation erforderlich ist. Es bietet eine große Variation an Diensten. Die Kommunikationssoftware zeigt sich dem Benutzer über die Benutzerschnittstelle (-oberfläche) des jeweiligen Diensts, beispielsweise im Internet-Browser oder in einem FTP-Client. Geregelt wird die Kommunikationssoftware über eine umfassende Hierarchie von Protokollen, die bei der Kommunikation das Verhalten der beteiligten Computer regelt. Bekannt ist diese auch als Protokoll-Stack (Protokollstapel). Hierzu gehört heute zum Beispiel das Protokollpaar TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol). Aufbau eines Kommunikationssystems Die drei grundsätzlichen Möglichkeiten zum Aufbau eines Kommunikationssystems sind : Shared Medium (gemeinsam nutzbare Verbindung) insbesondere in Form einer Ring-, Bus- oder Stern Topologie Datendirektverbindung Zwei Computer sind über eine Punkt-zu-Punkt Verbindung durch ein Verbindungsmedium verbunden Stand Seite 13

14 Kommunikationsnetz Mit speziellen Vermittlungseinrichtungen (Routern und Switches), das meist die Topologie eines Maschennetzes, eines Sternes oder eines Baumes hat und das gleichzeitig mehrere parallele Verbindungen realisieren kann. Beispiele von Kommunikationssystemen Todo Stand Seite 14

15 Organisation der Kommunikation Organisationsbestimmende Aspekte Anzahl Teilnehmer Übertragungsweg Übertragungssicherheit Art der Kommunikation Zeitkritisch (z.b. Streamen) Nicht Zeitkritisch (z.b. Dateien) Kommunikationsformen Mündliche Kommunikation Gespräch zwischen mindestens 2 Personen z.b. auf einem Meeting Schriftliche Kommunikation Brieverkehr z.b. zwischen Verbraucher und Dienstleister Kommunikation über Zeichen und Signale Funksignal z.b. die Kommunikation zwischen Handy und Nachrichtenzentrale Verkehrsarten Unicast Ein Sender sendet eine Nachricht an einen Empfänger wie z.b. bei einem Telefongespräch oder einer persönlichen Multicast Ein Sender sendet eine Nachricht an mehrere Empfänger wie z.b. bei einer Telefonkonferenz oder einer an mehrere Empfänger. Broadcast Ein Sender sendet eine Nachricht an alle Empfänger eines Netzwerkes wie z.b. beim Radio und Fernsehen. Stand Seite 15

16 Betriebsarten der Nachrichtenübertragung Simplex-Betrieb Ein Sender ein Empfänger bspw. Rundfunk und Fernsehen. Halbduplex-Betrieb Zwei Multigeräte die abwechseln senden und empfangen bspw. Taxifunk. Vollduplex-Betrieb Gleichzeitiges Senden und Empfangen eines Gerätes möglich bspw. Telefonnetze und moderne Computernetzwerke. Verbindungsorientierte und verbindungslose Dienste Ein verbindungsorientierter Dienst zwischen zwei Computern arbeitet immer in drei Phasen: 1. Verbindungsaufbau 2. Verbindungsrealisierung (Übertragung von Nutzdaten) 3. Verbindungsabbau Ein Verbindungsorientierte Dienst ist z.b. das Internetprotokoll TCP Ein verbindungsloser Dienst kommt ohne diese Phasen aus, da eine Nachricht in mehrere Pakete segmentiert wird. Diese Pakete werden dann unabhängig voneinander übertragen (hierzu enthält jedes Paket seine Zieladresse). Ein Verbindungsloser Dienst ist z.b. das Internetprotokoll UDP Stand Seite 16

17 Einteilung von Netzwerken Da sich die spezifischen Eigenschaften von Netzen vielfältig unterscheiden, kann die Einteilung von Kommunikationsnetzen nach unterschiedlichen Gesichtspunkten erfolgen. Die folgende Abbildung zeigt Möglichkeiten diese Eigenschaften zu gruppieren: Abbildung5: Gruppierung von Netzeigenschaften Stand Seite 17

18 In der Literatur werden Kommunikationsnetze kategorisiert nach Einsatzzweck, ihrer räumliche Ausdehnung, der Art des Zugangs und der Übertragungsgeschwindigkeit. Einsatzzweck und Reichweite PAN (Privat Area Network) Als Private Area Network gilt ein Funktionsnetz im Arbeitsbereich. Diese meist privaten Netze haben eine Reichweite von 20-30m. Sie stellen ihren Nutzern einen schnellen Zugriff auf das Internet, Fernsehen und Peripheriegeräte zur Verfügung. Bei Funknetzen (WLAN) ist die Reichweite bis über 100m möglich. PAN haben eine Übertragungskapazität von bis zu 100Mbit/s. LAN (Local Area Network) Local Arean Networks sind Abteilungs- und Arbeitsgruppennetze im Gebäudebereich. Ihr Ziel ist die Verbindung von Arbeitsplatzrechnern, Druckern und Servern (meist über Ethernet) kleiner Unternehmen bzw. Arbeitsgruppen. Ihre Reichweite liegt bei 100m - 500m, bei strukturierter Verkabelung 3km.. 10km, die Übertragungsgeschwindigkeit bei 10Mbit/s-1Gbit/s. Die ersten LANs wurde am Standort technischer Universitäten errichtet, die dort als Campus-Netz (CAN) bezeichnet wurden. SAN (Storage Area Network) Als SAN werden Rechenzentren und serverorientierte Speichernetze bezeichnet. Der Einsatzzweck von SANs ist die Verbindung von Massenspeichern zur Datensicherung großer Datenmengen (meist über Glasfaser oder Fibre-Channel-Vermittlung). Ähnlich wie LANs haben SANs eine Reichweite von ca. 10km, jedoch eine sehr viel höhere Übertragungsgeschwindigkeit. MAN (Metropolitan Area Network) Private oder öffentliche Hochgeschwindigkeitsnetze für und in Ballungsräumen werden als MAN bezeichnet. MANs werden häufig als Backbone-Netz eingesetzt, um kleinere, leistungsfähige LANs untereinander zu verbinden. Dabei wird als Übertragungsmedium Glasfaser eingesetzt. Die Ausdehnung von MANS kann bis zu bis 100 km betragen. Die Übertragungsgeschwindigkeit liegt über 34 MBIt/s (Breitbandnetz). Eines der ersten privaten MANs ist NetColgne. Stand Seite 18

19 WAN (Wide Area Network) Datenkommunikationsnetze öffentlicher Netzbetreiber, die das Gebiet des Landes abdecken werden als WANs bezeichnet. Neben Kabelnetzen (Glasfaser, Richtfunk, etc.) zählen auch die Mobilfunknetze (GSM, GPRS, UMTS) dazu. Sie sind Infrastruktur und Kommunikationszugang vieler Teilnehmer (Bürger) und Backbone-Netz für andere, kleinere Netze. Die Ausdehnung von MANs kann mehrere 1000km (z.b. in den USA) betragen. WANs sind Breitbandnetze (Übertragungsgeschwindigkeit > 34MBit/s). Abbildung6: Backbone-Netze GAN (Global Area Network) Globale Netze umspannen die Erde, wie Überseekabel oder Satellitennetze. Ziel dieser ist die Verbindung verschiedener Länder und Kontinente und damit die Verbindung unterschiedlicher MANs. Die Ausdehnung ist global, d.h. mehrere km, die Übertragungskapazität liegt bei 160 GBit/s. Art des Zugangs Aus der Sicht des Nutzers wird unterscheiden zwischen Öffentlichen Netzen Der Nutzer kann (meist gegen eine Gebühr) grundsätzlich einen Zugang zum Kommunikationsnetz erhalten. Privaten Netzen Nutzer sind ausschließlich Mitglied von netz-spezifischen Berechtigungsgruppen. Stand Seite 19

20 Übertragungskapazität der Netze Unterschieden wird zwischen Schmalbandnetze bis 2,048 MBit/s (Datennetze, ISDN-S0, PMX-Grundband) Weitbandnetze (nicht sehr gebräuchlich) über 2,048 MBit/s bis 34 Mbit/s Breitbandnetze über 34 MBit/s (Backbone-Netze, Übertragungsnetze, PDH, SoNET, WDM) Grundlagen der Netzwerktechnik Abbildung7: Reichweite und Übertragungsgeschwindigkeit von Netzen Stand Seite 20

21 Literaturnachweis: Online-Quellen: htp://www.ai.wu.ac.at/~koch/courses/wuw/archive/inf-sem-ss01/marlovits_g/netzwerktopologien.pdf Stand Seite 21

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