Netzwerktechnik, Band 1

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1 Lehrbuch Netzwerktechnik, Band 1 Grundlagen für Einsteiger Rukhsar Khan 9. April 2010 Herausgeber: AIRNET Technologie- und Bildungszentrum GmbH Copyright c Alle Rechte vorbehalten. info@airnet.de Internet

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3 Lektorat: Bertram Hoffmann, Walter Kahrmann (technisch) Satzspiegel und Typographie: Bertram Hoffmann, Rukhsar Khan Umschlaggestaltung: Jürgen Salzmann Wichtiger Hinweis Alle Angaben in diesem Lehrbuch wurden vom Autor mit größter Sorgfalt erarbeitet bzw. zusammengestellt und unter Einschaltung wirksamer Kontrollmaßnahmen reproduziert. Trotzdem sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Der Herausgeber sowie der Autor sehen sich deshalb gezwungen, darauf hinzuweisen, daß sie weder eine Garantie noch die juristische Verantwortung oder irgendeine Haftung für Folgen, die auf fehlerhafte Angaben zurückgehen, übernehmen können. Für die Mitteilung etwaiger Fehler sind der Herausgeber und der Autor jederzeit dankbar. Internet-Adressen, Versionsund Revisionsstände stellen den bei Redaktionsschluss verfügbaren Informationsstand dar. Der Herausgeber und der Autor übernehmen keinerlei Verantwortung oder Haftung für Veränderungen, die sich aus nicht von ihnen zu vertretenden Umständen ergeben. ISBN , überarbeitete und erweiterte Auflage 2009 Die vorliegende Publikation ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form (Einscannen, Druck, Fotokopie, elektronische Form oder einem anderen Verfahren) ohne schriftliche Genehmigung des Herausgebers reproduziert, vervielfältigt oder verbreitet werden. In diesem Lehrbuch werden eingetragene Warenzeichen, Handelsnamen und Gebrauchsnamen verwendet. Auch wenn diese nicht als solche gekennzeichnet sind, gelten die entsprechenden Schutzbestimmungen. Dieses Lehrbuch wurde in keinerlei Weise von Cisco Systems gesponsert, zertifiziert oder autorisiert. Es handelt sich hierbei komplett um eine Eigenentwicklung der Airnet Technologie- und Bildungszentrum GmbH. Eine Affiliation mit Cisco Systems besteht nicht. c 2009, Airnet Technologie- und Bildungszentrum GmbH iii

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5 Vorwort Computernetzwerke sind faszinierende Gebilde, die unser heutiges Leben sehr stark beeinflusst haben. Tagtäglich haben wir es mit ihnen zu tun. Ob im Privatleben oder auf dem Arbeitsplatz Computernetzwerke sind heute unentbehrlich. Für den Endanwender sieht es recht einfach aus: Ein Personal Computer wird einfach über ein Kabel an eine Box angeschlossen, die oft DSL-Modem, Switch oder Router genannt wird. Anschließend wird eine selbstinstallierende Software aufgerufen. Ein paar Fragen erscheinen noch auf dem Bildschirm, die durch die mitgelieferte Anleitung beantwortet werden können. Ein Passwort oder eine Teilnehmernummer muss noch eingetagen werden. Und los geht s... In diesem Lehrbuch geht es darum, zum einen die Hintergründe und Einzelheiten der Techniken zu erfahren, die ein Netzwerk bilden. Zum anderen geht es um die Interkommunikation (Internetworking) zwischen einzelnen Netzwerken bzw. Teilnetzwerken. Um die Theorie in die Praxis umzusetzen, wurden in diesem Lehrbuch Komponenten des Herstellers Cisco Systems verwendet. Dieses Lehrbuch geht zunächst auf Netzwerktechniken im Allgemeinen ein. Anschließend wird aufgezeigt, wie Netzwerke und Teilnetzwerke durch Layer-2-Switches und Layer-3-Router erweitert werden und wie dann die Interkommunikation (Internetworking) zwischen diesen (Teil)Netzwerken realisiert wird. Auch auf die Beschreibung und der Umgang mit den Layer-2-Switch- und Layer-3-Routerkomponenten von Cisco Systems wird genau eingegangen. Die IP-Adressierung und das Subnetting sowie die dazugehörigen mathematischen Grundlagen bilden ebenfalls einen wichtigen Teil dieses Lehrbuchs. Ein wichtiges Kriterium, während dieses Buch geschrieben wurde, war, dass es von jedem, der ein grundlegendes technisches Verständnis hat, gelesen werden kann. In der Hoffnung, dass uns dies gelungen ist, wünschen wir dem Studierenden viel Spaß und Erfolg! Rukhsar Khan Airnet Technologie- und Bildungszentrum GmbH Oktober 2009 v

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7 Inhaltsverzeichnis 1 Informationsaustausch zwischen Komponenten Was ein Schichtenmodell ist ISO/OSI-Referenzmodell Die Bitübertragungschicht (Physical Layer) Die Sicherungsschicht (Data Link Layer) Die Vermittlungsschicht (Network Layer) Die Transportschicht (Transport Layer) Die Sitzungsschicht (Session Layer) Die Darstellungsschicht (Presentation Layer) Die Anwendungsschicht (Application Layer) TCP/IP-Kommunikationsmodell Die Netzzugangsschicht (Local Network Protocol Layer) Die Internetschicht (Internet Layer) Die Transportschicht (Transport Layer) Die Anwendungsschicht (Application Layer) ISO/OSI im Vergleich zu TCP/IP Grundlagen und Prinzip der Ethernet-Technik Geschichte des Ethernets Das CSMA/CD-Zugriffsverfahren Spezifikationen des 10MBit-Ethernets Base Base BaseT Segmente, Kollisionsdomänen und Repeater-Regeln Ethernet Version 2, Frameaufbau Präambel und Startzeichen (Start of Frame Delimiter) Ziel- und Quell-Mac-Adresse Typenbezeichnung (Type Field) Datenfeld (Data Field) Blockprüfzeichenfolge (Frame Check Sequence Field) Fast-Ethernet Gigabit-Ethernet Token-Ring, FDDI und das IEEE-802-Modell Ring-Topologien Das IEEE-802-Modell Frameformate Frameumwandlungen während des Internetworkings vii

8 Inhaltsverzeichnis 4 Mathematisches Allgemeines Additionssystem Positionssysteme Die Internet-Schicht des TCP/IP-Protokolls IPv4-Adressierung und -Subnetting ARP- und ICMP-Protokoll Grundfunktion einer Transparent-Bridge Allgemeines Transparent-Bridging gemäß IEEE 802.1D Der Layer-2-Switch Die Grundfunktionalität eines Routers Architektur von Cisco-Komponenten Allgemeines Speicheraufbau einiger Cisco-Komponenten Basiskonfiguration von Cisco-Routern Konfigurationsquellen Konfigurationsmodi Grundfunktionalitäten Basisbefehle Basiskonfiguration von Cisco-Switches Konfigurationsquellen Konfigurationsmodi Basisbefehle Verwaltung von Cisco-Routern Startsequenz IOS und Konfigurationsverwaltung Umgang mit dem Konsolen-Port Umgang mit Debugging Verwalten von Telnet-Sitzungen Cisco Discovery Protocol (CDP) Verwaltung von Cisco-Switches Allgemeines IOS und Konfigurationsverwaltung Konfigurationsregister und Disaster-Recovery Konfigurationsregister der Router Disaster-Recovery der Router Disaster-Recovery der Switches Grundlagen des Routings 265 viii c 2009, Airnet Technologie- und Bildungszentrum GmbH

9 Inhaltsverzeichnis 15.1 Routing-Grundlagen Classful-Routing-Protokolle Classless-Routing-Protokolle Distance-Vector-Prinzip Link-State-Prinzip Grundlagen und Konfiguration von PPP Aufbau und Funktionsweise von PPP Konfigurieren und Verifizieren von PPP Glossar 307 Akronyme 311 Stichwortverzeichnis 315 Befehlsverzeichnis 319 c 2009, Airnet Technologie- und Bildungszentrum GmbH ix

10 Inhaltsverzeichnis x c 2009, Airnet Technologie- und Bildungszentrum GmbH

11 Abbildungsverzeichnis 1.1 Der Zweck von Referenz- bzw. Kommunikationsmodellen Anforderungen der Datenkommunikation Anforderungen der Datenkommunikation Rechnerkommunikation der frühen EDV-Zeit Prinzip des Schichtenmodells Prinzip des Schichtenmodells ISO/OSI-Referenzmodell Aufgaben der einzelnen Schichten Kapselungsprozess Entkapselung Dienstprimitive Kapselung/Entkapselung Aufgaben der Bitübertragungsschicht (Physical Layer) Elektrische Signale Aufbau eines Koaxialkabels Twisted-Pair-Kabel Lichtwellenleiter LED und Laser Drahtlose Übertragung Elektromagnetische Wellen Aufgabe der Sicherungsschicht (Data Link Layer) Data-Link-Framing Data-Link-Adressierung Zugriffsverfahren Frameempfang Frameempfang Frame-Rückmeldung (Frame Acknowledgement) Flusskontrolle Frame-Retransmission Fehlerkorrektur Aufgabe der Vermittlungsschicht (Network Layer) Adressierung in der Vermittlungsschicht Wegewahl durch einen Router Der Router im Schichtenmodell Wegewahl durch mehrere Router Aufgabe der Transportschicht (Transport Layer) Verbindungsorientierte Kommunikation Verbindungsaufbau Verbindungsorientierte Kommunikation Datenübertragungsphase Verbindungsorientierte Kommunikation Flusskontrolle xi

12 Abbildungsverzeichnis 1.40 Verbindungsorientierte Kommunikation Sequenzialisierung und Bestätigung Verbindungsorientierte Kommunikation Verbindungsabbau Aufgabe der Sitzungsschicht (Session Layer) Aufgabe der Darstellungsschicht (Presentation Layer) Aufgabe der Anwendungsschicht (Application Layer) Das TCP/IP-Kommunikationsmodell Schnittstellen und Protokolle TCP/IP-Protokoll für den Netzzugang (Local Network Protocol) TCP/IP-Internetschicht (Internet Layer) IPv4-Adressierung IPv4-Adressklassen Regel des ersten Oktetts (First Octet Rule) IPv4-Adressübung Die Wegewahl (Routing) TCP/IP-Transportschicht TCP-Kommunikationsphasen Verbindungsaufbau Drei-Wege(Three-Way)-Handshake Datenübertragungsphase Datenübertragungsphase Datenübertragungsphase Datenübertragungsphase Flusskontrolle Datenübertragungsphase Flusskontrolle TCP-Flusskontrolle TCP-Verbindungsabbau Das UDP-Protokoll TCP/IP-Anwendungsschicht (Application Layer) Protokolle der TCP/IP-Anwendungsschicht (Application Layer) ISO/OSI versus TCP/IP ISO/OSI versus TCP/IP Das Aloha-Netzwerk Das erste Ethernet im Xerox-PARC Erste Ethernet-Standards Base5-Standard Das Billignetz von 3Com (10Base2) BaseT-Standard CSMA/CD Prinzip CSMA/CD Prinzip CSMA/CD Flussdiagramm CSMA/CD, Beispiel CSMA/CD, Beispiel CSMA/CD, Beispiel CSMA/CD, Beispiel CSMA/CD, Beispiel CSMA/CD, Beispiel CSMA/CD, Beispiel CSMA/CD, Beispiel xii c 2009, Airnet Technologie- und Bildungszentrum GmbH

13 Abbildungsverzeichnis 2.18 CSMA/CD, Beispiel CSMA/CD, Beispiel Spezifikationen des 10Mbit-Ethernets Manchester-Kodierung Segmente/Kollisionsdomänen Segmente/Kollisionsdomänen Repeater-Regeln Prinzip der Framing-Technik Ethernet-Version-2-Frame Präambel und Startzeichen DMAC und SMAC DMAC und SMAC Typ-Feld (Type Field) Datenfeld (Data Field) Blockprüfzeichenfolge (Frame Check Sequence) Zusammenfassung Eth_V2-Frame Fast-Ethernet versus Ethernet Fast-Ethernet(IEEE802.3u) Aufbau Standards der Bitübertragungsschicht Gigabit-Ethernet versus (Fast-)Ethernet Gigabit-Ethernet(IEEE802.3z) Aufbau Standards der Bitübertragungsschicht Token-Ring-Architektur FDDI-Doppelring-Architektur FDDI-Erweiterung Über das IEEE-Institut Frameumwandlung Sicherungsschicht IEEE-802-Modell SNAP-Header Ethernet-Version-2-Frame IEEE Frame IEEE Frame FDDI-Frame Entwicklung der Zahlensysteme Das indisch-arabische Zahlensystem Prinzip eines Additionssystems Prinzip eines Positionssystems Das Dezimalsystem Multiplikation im Dezimalsystem Das Binärsystem Multiplikation im Binärsystem Das hexadezimale System Umrechnungen IPv4-Adressierung IPv4-Adressklassen c 2009, Airnet Technologie- und Bildungszentrum GmbH xiii

14 Abbildungsverzeichnis 5.3 Regel des ersten Oktetts (First Octet Rule) IP-Subnetting Netzwerk ohne Subnetting Netzwerk mit Subnetting Subnetzmaske Berechnung von IP-Subnetzen UND-Operator UND-Operator Berechnung von IP-Subnetzen Berechnung von IP-Subnetzen Berechnung der Broadcast-Adresse Berechnung der Host-Adressen Address Resolution Protocol (ARP) ARP mit Standard-Gateway ARP mit Standard-Gateway ARP mit Standard-Gateway ARP mit Standard-Gateway ARP mit Standard-Gateway ARP mit Standard-Gateway ICMP Destination Unreachable ICMP Destination Unreachable Die Bridge im Schichtenmodell Einsatz von Bridges Nachteile großer Bridging-Umgebungen Lernfunktion Filtering-Funktion Forwarding Unknown-Unicast-Flooding Broadcast-Flooding Multicast-Flooding Beispiel eines Kommunikationsablaufs Beispiel eines Kommunikationsablaufs Beispiel eines Kommunikationsablaufs Beispiel eines Kommunikationsablaufs Beispiel eines Kommunikationsablaufs Beispiel eines Kommunikationsablaufs Der Switch im Schichtenmodell Switch mit einem einzigen VLAN Switch mit zwei VLANs Physikalische LANs Virtuelle LANs Der Router im Schichtenmodell Router als Broadcast-Barriere IP-Routing-Tabelle Statische Routen Statische Routen xiv c 2009, Airnet Technologie- und Bildungszentrum GmbH

15 Abbildungsverzeichnis 8.6 Dynamische Routen Metrikaufbau RIP Dynamische Routen Statische und dynamische Routen Routing- versus Routed-Protokolle Multiprotokoll-Router BRouter Inter-VLAN-Routing Nachteile von Routern Multilayer-Switch IOS Feature-Sets von Access-Routern IOS Packaging Router IOS-Feature-Sets der Switches IOS-Packaging auf Multilayer-Switches IOS-Merkmale Hardwareübersicht Bus-Architekturen Speicher-Architektur Cisco-Access-Routerserien 17xx, 18xx, 26xx, 28xx, 36xx, 38xx Cisco 7xxx Routerserie Cisco Catalyst 29xx/35xx Serien Konsolen- und Auxiliary-Port Fernkonfiguration (Remote-Konfiguration) Cisco Router and Security Device Manager (SDM) SDM Startfenster (Homepage) SDM Konfiguration SDM Monitor Übersicht der Konfigurationsmodi Zugang zu den Modi Verlassen der Modi Verlassen der Modi Beenden der Konsolensitzung Online-Hilfe Online-Hilfe Abkürzen von Befehlen Enhanced Editing Enhanced Editing Befehlszeilenpuffer Schnittstellenstatus Banneranzeige Konsolenport Web-Interface Übersicht der Konfigurationsmodi VLAN-Datenbank-Konfigurationsmodus Schnittstelle Vlan c 2009, Airnet Technologie- und Bildungszentrum GmbH xv

16 Abbildungsverzeichnis 12.1 Übersicht Startsequenz Startsequenz im Detail Startsequenz im Detail Startsequenz im Detail Startsequenz im Detail Startsequenz im Detail Startsequenz im Detail Gentle Overlay Konsolenmeldungen umleiten Debugging-Meldungen umleiten CDP-Übersicht CDP-Übersicht Gentle Overlay Standardeinstellung Boot-Feld Fast-Boot Baudrate des Konsolenanschlusses Baud-Rate des Konsolenanschlusses Ignorieren der Startkonfiguration ( startup-config ) Break-Sequenz Netboot-Broadcast-Format Reaktion auf Netbootfehler Diagnostik-Meldungen IOS-Update über XMODEM IOS-Update über XMODEM IOS-Update über XMODEM Was ist Routing? Weiterleiten von Datenpaketen Weiterleiten von Datenpaketen Weiterleiten von Datenpaketen Weiterleiten von Datenpaketen Weiterleiten von Datenpaketen Dynamische Routing-Updates Welcher Pfad wird in die Routing-Tabelle aufgenommen? Welcher Pfad wird in die Routing-Tabelle aufgenommen? Welcher Pfad wird in die Routing-Tabelle aufgenommen? Statische Routen Floating-Static-Route Floating-Static-Route Classful-Routing-Protokolle Classful-Routing-Updates Classful-Routing-Updates Einschränkung von Classful-Protokollen Classless-Routing-Protokolle Classless-Routing-Updates Classless-Routing-Updates xvi c 2009, Airnet Technologie- und Bildungszentrum GmbH

17 Abbildungsverzeichnis IP-Classless Distance-Vector-Prinzip Konvergiertes Netzwerk DV-Problem: Count to infinity DV-Problem: Count to infinity DV-Problem: Count to infinity DV-Problem: Count to infinity DV-Problem: Routing-Loop DV-Lösung: Maximum definieren DV-Lösung: Split-Horizon DV-Lösung: Route-Poisoning DV-Lösung: Poison-Reverse DV-Lösung: Holddown-Timer DV-Lösung: Triggered-Update DV-Beispiel: Route-Poisoning-Triggered-Updates DV-Beispiel: Poison-Reverse-Updates DV-Beispiel: Route-Poisoning-Triggered-Update DV-Beispiel: Poison-Reverse-Update DV-Beispiel: Route-Poisoning-Triggered-Update DV-Beispiel: Versenden von Paketen trotz Holddown-Zustand DV-Beispiel: Versenden von Paketen trotz Holddown-Zustand DV-Beispiel: Verwerfen der Pakete DV-Beispiel: Ignorieren von Routing-Updates während der Holddown- Zeit Link-State-Prinzip Link-State-Prinzip PPP-Protokollarchitektur LCP-Optionen Authentifizierung über PAP Authentifizierung von One-Way-Chap PPP-Callback PPP-Kompression PPP-Multilink PPP- und PAP-Konfiguration Konfiguration von Two-Way-Chap Alternative CHAP-Konfiguration c 2009, Airnet Technologie- und Bildungszentrum GmbH xvii

18 Abbildungsverzeichnis xviii c 2009, Airnet Technologie- und Bildungszentrum GmbH

19 Tabellenverzeichnis Base5-Spezifikationen Base2 auf einen Blick BaseT auf einen Blick B/5B-Kodierung Umrechnungstabelle Standard-Subnetzmasken Notation der Subnetzmaske IP-Supernetting Aging-Parameter-Werte Vergleich zwischen Bridges und Switches Netboot-Dateinamen Administrative-Distance-Tabelle xix

20 Tabellenverzeichnis xx c 2009, Airnet Technologie- und Bildungszentrum GmbH

21 Verzeichnis der Beispiele 5.1 ARP-Request ARP-Reply ICMP-Echo-Request ICMP-Echo-Reply Überprüfen der MAC-Adress-Tabelle Hostname Enable - und enable secret -Passwort Konsolen-Passwort Schnittstellen-Parameter Telnet-Passwort Schnittstelle aktivieren/deaktivieren Aktive Konfiguration Passwörter verschlüsseln Konfiguration speichern Startkonfiguration überprüfen ARP-Cache Schnittstellen-Parameter IP-Parameter einer Schnittstelle Zusammenfassung der IP-Parameter einer Schnittstelle IP-Routing-Tabelle Statische Routen Netzwerktest durch Ping IP-Host DNS-Client-Konfiguration Netzwerktest durch Traceroute Banner-Konfiguration SSH-Konfiguration DHCP-Konfiguration Setup-Dialog Konfigurieren eines VLANs Verifizieren von VLANs Konfigurieren und Verifizieren der VLAN-Zugehörigkeit VLAN-Schnittstelle Geschwindigkeits- und Duplex-Einstellung Aktive Konfiguration verifizieren Konfiguration speichern Gespeicherte Konfiguration verifizieren xxi