Jörg Rech. Ethernet. Technologien und Protokolle für die Computervernetzung. 3., aktualisierte und erweiterte Auflage. H Heise

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2 Jörg Rech, Jahrgang 1968, arbeitet heute als Team Leader Training Middle Europe bei der Axis Communications GmbH und ist dort für die technischen Schulungen und Beratungen im Bereich IP-Video verantwortlich. Seinen Weg zur Ethernet- und WLAN- Technologie fand er 1993 nach dem Abschluss seiner Ausbildung zum staatlich geprüften Techniker der Informationstechnologie bei der Compu-Shack GmbH. Dort war er mehrere Jahre in der Entwicklungsabteilung und danach als Senior Consultant beschäftigt. Außerdem war Jörg Rech später als Projektleiter bei der DLoG GmbH für den WLAN-Bereich verantwortlich und plante dort für große Logistikzentren komplexe WLAN-Infrastrukturen. Seit 1998 schreibt Jörg Rech nebenberuflich als freier Fachautor Artikel für namhafte Fachzeitschriften zu den Themen Ethernet-Netzwerke und WLAN. Darüber hinaus hält er regelmäßig Fachvorträge zu beiden Themen. Im Februar 2002 wurde sein erstes Buch mit dem Titel Ethernet Technologien und Protokolle für die Computervernetzung und im März 2004 sein zweites Buch mit dem Titel Wireless LANs WLAN-Technologie und praktische Umsetzung im Detail im Heise-Verlag veröffentlicht.

3 Jörg Rech Ethernet Technologien und Protokolle für die Computervernetzung 3., aktualisierte und erweiterte Auflage H Heise

4 Jörg Rech Lektorat: Dr. Michael Barabas Copy-Editing: Ursula Zimpfer, Herrenberg Herstellung: Birgit Bäuerlein Umschlaggestaltung: Helmut Kraus, Druck und Bindung: M.P. Media-Print Informationstechnologie GmbH, Paderborn Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN Buch PDF epub , aktualisierte und erweiterte Auflage 2014 Copyright 2014 Heise Zeitschriften Verlag GmbH & Co. KG, Hannover Alle deutschsprachigen Rechte vorbehalten. Kein Teil dieses Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder andere Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Bei der Zusammenstellung wurde mit größter Sorgfalt vorgegangen. Fehler können trotzdem nicht völlig ausgeschlossen werden, so dass weder Verlag noch der Autor für fehlerhafte Angaben und deren Folgen eine juristische Verantwortung oder irgendeine Haftung übernehmen. Warennamen sowie Marken- und Firmennamen werden ohne Gewährleistung der freien Verwendbarkeit benutzt. Die in diesem Buch erwähnten Software- und Hardwarebezeichnungen sind in den meisten Fällen auch eingetragene Warenzeichen und unterliegen als solche den gesetzlichen Bestimmungen. IEEE, 802, 802.3, und sind eingetragene Warenzeichen des Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. Der Verlag übernimmt keine Gewähr dafür, dass beschriebene Programme, Schaltungen, Baugruppen etc. funktionsfähig und frei von Schutzrechten Dritter sind. Für Verbesserungsvorschläge und Hinweise auf Fehler ist der Verlag dankbar

5 v Vorwort zur dritten Auflage 2013 feierte Ethernet gleich zwei Geburtstage, denn vor vierzig Jahren wurde Ethernet mit einer Datenrate von 2,94 MBit/s von Robert Metcalfe präsentiert und vor dreißig Jahren wurde vom IEEE der Ethernet-Standard mit einer Datenrate von 10 MBit/s verabschiedet. In der Zwischenzeit hat sich einiges getan die Datenraten wurden stetig erhöht und neue Übertragungsmedien in den IEEE Standard aufgenommen. Jüngste Standarderweiterungen haben 40/100GBit-Ethernet spezifiziert, mit denen die Datenrate nochmals um das Vier- oder Zehnfache gesteigert werden konnte. Somit sollte Ethernet für die nächsten Jahre gewappnet sein, um sich weiterhin als die Highspeed-Netzwerktechnologie im LAN- und WAN-Bereich behaupten zu können. Das Thema Stromversorgung von Endgeräten tritt im LAN-Bereich ebenfalls immer mehr in den Vordergrund. Der Ethernet-Standard wurde diesem Trend gerecht, indem die PoE-Speiseleistung auf bis zu 30 W erhöht wurde. Somit können auch Endgeräte mit höherer Leistungsaufnahme über das Netzwerk versorgt werden. Zudem wurde auch das Thema Energieeffizienz adressiert, indem Maßnahmen definiert wurden, die den Energieverbrauch von Ethernet- Komponenten, die mit 10, 100, oder MBit/s arbeiten, drastisch senken können. Alles in allem viel Neues, was mir ausreichend Stoff und Inspiration für diese Neuauflage geliefert hat. Zusätzlich sind diverse Aktualisierungen in das Werk mit eingeflossen. Ich wünsche Ihnen viel Spaß auf der Reise durch die Ethernet-Welt. Jörg Rech Mai 2014

6 vi Vorwort zur dritten Auflage

7 vii Vorwort zur zweiten Auflage Seit der Veröffentlichung der ersten Auflage im Februar 2002 hat sich im Bereich Ethernet einiges getan. Damals war gerade mal das Thema Gigabit-Ethernet aktuell und die 10Gigabit-Ethernet-Technologie noch reine Zukunftsmusik. Mittlerweile ist eine Datenrate von 10 GBit/s Realität geworden, denn das IEEE hat zwischenzeitlich drei 10Gigabit-Ethernet- Standarderweiterungen verabschiedet, die eine Datenübertragung auf Glasfasern und Kupferkabeln spezifizieren. Vergleicht man die anfängliche Ethernet-Datenrate von 10 MBit/s mit der heutigen Datenrate von 10 GBit/s ( MBit/s), so handelt es sich hier um eine Steigerung um den Faktor Gerade die letzte Anhebung von 1 GBit/s auf 10 GBit/s hat technologisch betrachtet eine große Herausforderung dargestellt und ausreichend interessanten Stoff für die Erweiterung und Neuauflage dieses Werkes geboten. In der vorliegenden zweiten Auflage des Buches Ethernet Technologien und Protokolle für die Computervernetzung wurden gegenüber der vorherigen Auflage einige Aktualisierungen und Erweiterungen vorgenommen. Dem Thema WLAN habe ich zwischenzeitlich ein eigenes Werk gewidmet, sodass ich das WLAN-Kapitel aus diesem Werk herausgenommen habe. Aber keine Angst! Sie werden jetzt keine leeren Seiten in diesem Buch finden, sondern einen Großteil von dem, was Ethernet in den letzten Jahren als Neuerung zu bieten hat. Schwerpunkt dabei ist die ausführliche Darstellung der 10Gigabit-Ethernet-Technologie und der Power-over- Ethernet-Funktion. Somit wird dieses Werk hoffentlich seine Tradition weiterführen, als ein anerkannter und geschätzter Netzwerkleitfaden alle Fakten zu liefern, um die heutige Ethernet-Welt zu verstehen. Viel Spaß beim Lesen wünscht Ihnen Jörg Rech November 2007

8 viii Vorwort zur zweiten Auflage

9 ix Vorwort zur ersten Auflage Ethernet beziehungsweise Netzwerke auf Ethernet-Basis haben etwas Zeitloses, bei recht euphorischer Betrachtungsweise sogar etwas zeitlos Schönes immerhin ist eine vor Jahren gekaufte Ethernet-Karte mit Twisted-Pair-Anschluss auch heute noch in jedem Ehternet-Netzwerk einsetzbar. Richtig zu schätzen weiß man dies möglicherweise aber nur, wenn man mit dem Begriff Twisted Pair überhaupt etwas anfangen kann und dementsprechend Western-Stecker und -Buchse von einem BNC-Anschluss zu unterscheiden in der Lage ist. Sie merken vielleicht schon: Dieses Buch wird keine leichte Bettlektüre, kein Krimi, der sich an einem Stück weglesen lässt. Das ist natürlich auch nie meine Absicht gewesen, als ich mit diesem Projekt begann. Eigentlich wünschte ich mir nur selbst endlich ein Arbeitsbuch, eines, das mir alle Informationen bot, die ich in meiner täglichen Arbeit benötigte; ein Arbeitsbuch, welches vielleicht nicht alles Wissen, aber das entscheidende versammelt, das man bei der Beschäftigung mit Netzwerken benötigt. Und da ich auf dem deutschen Buchmarkt nicht fündig wurde, musste ich es wohl oder übel selbst schreiben. So weiß ich auch nicht, ob ich Sie zum Kauf des Buchs beglückwünschen oder mein herzliches Beileid aussprechen soll: Denn einfach mache ich es Ihnen nicht. Sie finden auf den folgenden Seiten keine 1111 Tipps und Tricks für das perfekte Netzwerk; Sie finden keine Schritt-für-Schritt- Anleitungen nach dem Motto Klicken Sie hier, dann wird alles gut. Ich habe mich bewusst gegen ein solches Anleitungsbuch entschieden, das in manchen Fällen sogar unter der Rubrik Dies oder das für Dumme auf den Markt kommen würde. Nicht, dass solche Schwarten etwa keine Berechtigung hätten diese Herangehensweise erschien mir allerdings nicht angebracht. Denn gerade bei Netzwerken stellt man immer wieder fest, dass der Versuch, alle möglichen Hürden durch vorauseilende Anleitungen zu ihrer Überwindung aus dem Weg zu räumen, zum Scheitern verurteilt ist. Daher zieht sich eines wie ein roter Faden durch dieses Buch: Ich möchte Ihnen alle notwendigen Informationen an die Hand geben, so dass Sie selbst entscheiden können, was zu tun ist. Auch wenn es schwere Lektüre sein mag: Dies soll ein Arbeitsbuch sein, das Sie in die Lage versetzt zu verstehen,

10 x Vorwort zur ersten Auflage was ein Netzwerk ist, wie es funktioniert und womit Sie konfrontiert werden, wenn Sie eines aufbauen oder warten sollen. Dafür macht es übrigens keinen Unterschied, ob Sie zu Hause Ihren PC mit dem Ihres Sohnes vernetzen (oder dem Alten endlich einmal Internetzugang über das heimische LAN verschaffen) wollen oder ob Sie das Netz eines Großunternehmens warten. Eine Sache, die die eingangs erwähnte zeitlose Schönheit eines Ethernet ausmacht, ist genau dies: Die benötigten Basis-Informationen sind dieselben; wie tief man in die Details der Technik einsteigen muss, entscheidet sich eigentlich nur am eigenen Wissensdurst und an eventuell doch auftretenden Problemen oder Vorhaben. Der Entwickler eines Ethernet-Chips braucht natürlich andere Informationen als der Kabelverleger im heimischen Arbeitszimmer. Und trotzdem gibt es eigentlich kaum Voraussetzungen, um mit diesem Buch arbeiten zu können. Sicher sollte man sich nicht fragen müssen, wozu ein Netzwerk überhaupt gut ist. Dies beantworte ich nicht, sondern gehe eigentlich davon aus, dass das völlig einleuchtend ist: Selbst zu Hause in der Wohnung oder im Eigenheim ist es billiger, einen einzigen Internetanschluss von allen PCs aus zu nutzen, ist es praktischer, Daten übers Netz zu verschicken als per Diskette von Rechner zu Rechner zu tragen. Diese, manches Mal wegen der Sneakers, i.e. Turnschuhe, sogenannten Sneakernets sind schon lange aus der Mode. Für den Netzneuling mag es schwieriger sein, den Einstieg zu finden: Aber auch er findet alles Wissenswerte, was er für Mein erstes LAN braucht. Der Profi hingegen kann das Buch als Arbeits- und Nachschlagewerk benutzen, das er zu Rate zieht, wenn bestimmte Aufgaben oder Probleme auftauchen, die nicht ad hoc zu lösen sind. So zumindest war mein eigener Anspruch. Und ich selbst messe daran, ob das Netzwerk nach der Lektüre keine undurchschaubare Blackbox für den Leser mehr ist, ob das Buch gelungen ist. Für Feed-back, Anregungen und Kritik in dieser Hinsicht bin ich jederzeit dankbar; der Verlag ( buch/ethernet.html) nimmt entsprechende Mitteilungen gerne für mich entgegen. Für den Hausgebrauch ist es wohl keine Frage, dass es sinnvoll ist, sich bei einem solchen Arbeitsbuch auf Ethernet zu konzentrieren andere Techniken kommen praktisch nicht mehr in Frage. Mini-Vernetzungen auf Basis von USB oder gar Parallel- und Seriell-Kabeln dagegen sind reine Behelfs- und Bastellösungen, die für ernsthaften Einsatz nicht in Frage kommen. Für den Profi dürfte sich die Frage nach der Beschränkung eines Netzwerkbuches auf Ethernet auch kaum noch stellen: Wer heute noch mit Arcnet arbeitet, hat schon Schwierigkeiten, Ersatzteile zu bekommen; Token Ring spielt bei Neuinstallationen und Netzerweiterungen schon lange keine Rolle mehr, FDDI konnte zwar seine Position im Bereich der In-House-Backbones halten, mehr aber auch nicht. Und ATM konnte sich trotz aller Hypes (und möglicherweise auch mancher Vorteile gegenüber Ethernet) in seinen Anfangszeiten nicht als LAN-Technik durchsetzen, da

11 Vorwort zur ersten Auflage xi er für einen LAN-Einsatz verhältnismäßig kompliziert ist für die Administratoren und Techniker bedeutete ATM völliges Neuland. Dies gilt nicht für die neuesten Ethernet-Techniken wie Gigabit-Ethernet oder 10Gigabit-Ethernet. Trotz einiger gewichtiger Unterschiede zum Ur-Ethernet sind selbst Gigabit-Ethernet und 10Gigabit-Ethernet heutzutage recht einfach einzusetzen und fügen sich nahtlos in bestehende Ethernet-Infrastrukturen ein. So hoffe ich, für die Leser ein relativ zeitloses Arbeitsbuch für eine recht zeitlose Netzwerktechnik erstellt zu haben ein Buch also, dass auch dann noch von Nutzen ist, wenn Ethernet eines fernen Tages möglicherweise einmal die Schallmauer von Terabit-Bandbreiten durchbricht. Und schüttele nun niemand ungläubig den Kopf, denn nichts ist unmöglich: Wer hätte bei den ersten zaghaften Ethernet-Ansätzen jemals überhaupt nur an eine Bandbreite von 1000 MBit/s (1 GBit/s), geschweige denn MBit/s (10 GBit/s) gedacht? In diesem Sinn wünsche ich Ihnen trotz des harten Stoffs viel Spaß. Eines gilt es aber keinesfalls zu vergessen, bevor es endlich in medias res geht: Ich habe dem Verlag Heinz Heise für seine Unterstützung während der Arbeit an diesem Buch zu danken, besonders Frau Christine Weber, Frau Susanne Rudi, Herrn Josef Hegele, Herrn Dr. Michael Barabas und Herrn Steven P. Steinkraus. Ganz besonderer Dank gilt Jürgen Kuri, der mich zu diesem Projekt motiviert hat und mir bei vielen Formulierungen des Buchs mit Rat und Tat beiseite gestanden hat. Ebenfalls möchte ich mich für die Kommentare und Vorschläge von Herrn Prof. Roland Kiefer bedanken, der das Buch technisch Korrektur gelesen hat. Bedanken möchte ich mich auch bei Brigitta Zurheiden und Marko Kaufmann sie sorgten dafür, dass viele Darstellungen überhaupt den Weg in dieses Buch fanden. Jörg Rech Januar 2002

12 xii Vorwort zur ersten Auflage

13 xiii Inhaltsübersicht 1 Eine Einführung in Netzwerke 1 2 Ethernet 31 3 Fast Ethernet 87 4 Gigabit-Ethernet Gigabit-Ethernet /100Gigabit-Ethernet Ethernet Internals Ethernet-Verkabelung Ethernet-Komponenten Die Projektierung und Planung eines Netzwerks Netzwerkprotokolle Die Protokolle der 5-7-Schicht Fehleranalyse im Netzwerk 513 Anhang A Abkürzungen 547 B Literatur 553 Index 557

14 xiv Inhaltsübersicht

15 xv Inhaltsverzeichnis 1 Eine Einführung in Netzwerke Erforderliche Netzwerkelemente Netzwerkdienste Übertragungsmedien Netzwerkprotokolle Die Netzwerktopologien Einteilung der Netzwerke Die Netzwerktechnologien Die Sprache der Computer Die Datenübertragung Asynchrone und synchrone Datenübertragung Die Frequenz Das Datensignal Die Bandbreite Bitrate oder Datenrate Baudrate Übertragungsfrequenz versus Übertragungsrate Kanalkapazität Paketvermittlung Grundlegende Zugriffsverfahren Netzwerkarchitekturen Ein Überblick über den Inhalt dieses Buchs Ethernet Die Geschichte des Ethernet Das IEEE-Konsortium Der Ethernet-Standard Der Physical Layer Teilbereiche des Physical Layer Physical Line Signaling (PLS) Attachment Unit Interface (AUI)

16 xvi Inhaltsverzeichnis Die Media Access Unit (MAU) Das Physical Medium Attachment (PMA) Das Medium Dependent Interface (MDI) Die Kommunikation zwischen AUI und MAU Das SQE-Testsignal Die Jabber-Schutzfunktion BASE BASE BROAD BASE-T BASE-F BASE-FL BASE-FB BASE-FP Das Manchester-Codierungsverfahren Media Access Control (MAC) Das Zugriffsverfahren (CSMA/CD) Halb- oder Vollduplex Der Zugriff auf das Medium Die Kollisionserkennung Die Ausbreitung einer Kollision Die Ausbreitung einer Kollisionsdomäne Sperrzeit der Kollisionserkennung Die späten Kollisionen, Late Collisions Der Backoff-Prozess Frameformate bei Ethernet Adressenformate Die Präambel laut DIX und IEEE Die Frameformate im Ethernet Ziel- und Quelladresse eines Frames Ethernet oder IEEE Logical Link Control (LLC) Die verschiedenen Frametypen Plug&Play bei der Frameauswahl Fast Ethernet Der Reconciliation Layer und das MII Die Kommunikation über das MII BASE-X-Erweiterungen im Ethernet-Standard Der Physical Coding Sublayer (PCS) Das Physical Medium Attachment (PMA) Der Physical Medium Dependent Sublayer (PMD)

17 Inhaltsverzeichnis xvii 3.3 Das 4B/5B-Codierungsverfahren Der Start-of-Stream und End-of-Stream Delimiter BASE-TX MLT-3 und Scrambling Link Integrity Test bei 100BASE-TX BASE-T BASE-T BASE-FX BASE-FX für große Distanzen Die Auto-Negotiation-Funktion Der Normal Link Pulse Der Auto-Negotiation-Informationsaustausch Auto-Negotiation-Handshake Die Next-Page-Funktion Extended-Next-Page-Funktion Probleme mit der Auto-Negotiation Flow Control nach IEEE 802.3x Gigabit-Ethernet BASE-X-Erweiterungen im Ethernet-Standard Der Physical Layer von 1000BASE-X Die Kommunikation über das GMII Der Physical Coding Sublayer (PCS) Das Physical Medium Attachment (PMA) Der Physical Medium Dependent Sublayer (PMD) Die 8B/10B-Codierung Die Unterdrückung des Gleichspannungsanteils Symbole BASE-SX BASE-LX BASE-CX Auto-Negotiation bei 1000BASE-SX, 1000BASE-LX und 1000BASE-CX BASE-T Der Physical Layer von 1000BASE-T Digital Signal Processing Die Master-Slave-Rolle Scrambling bei 1000BASE-T Das 4D-PAM5-Codierungsverfahren von 1000BASE-T Die Trellis-Codierung Der Viterbi-Decoder

18 xviii Inhaltsverzeichnis Die Partial-Response-Filter Die Hybridfunktion Echo Cancellation Minimierung des Crosstalk Das Startup-Protokoll von 1000BASE-T Auto-Negotiation- und MDI/MDI-X-Funktion bei 1000BASE-T Auto-Negotiation bei 1000BASE-T Neue Anforderungen an das TP-Kabel Gigabit-Ethernet Gigabit-Ethernet für Glasfaser PHY-Details Die 10GBASE-LX-4-Lösung Die 10GBASE-SR-Lösung Die 10GBASE-LR-Lösung B/66B-Codierung Gigabit-WAN-Lösungen (10GBASE-EW und -LW) GBASE-CX GBASE-T GBASE-T-Herausforderung GBASE-T-PHY Powermanagement Master-Slave-Rolle Auto-Negotiation bei 10GBASE-T Trainingssequenz Anforderungen an die Netzwerkinfrastruktur GBit-Ethernet-Backplane-Lösungen /100Gigabit-Ethernet PHY-Details GBASE-CR4 und 100GBASE-CR GBASE-SR4 und 100GBASE-SR GBASE-LR GBASE-LR4 und 100GBASE-ER GBASE-FR /100-GBit-Medienmodul-Schnittstellen GBASE-KR Auto-Negotiation bei 40/100GBit-Ethernet Die Ethernet-Zukunft

19 Inhaltsverzeichnis xix 7 Ethernet Internals Längenbeschränkung im Ethernet Die Einhaltung der Bitzeiten Die Eingrenzung der Kollisionsdomäne Die Regel Berechnung des Path Delay Value (PDV) Berechnung der Interframe-Gap-Verluste Die Berechnung der PDV im Netzwerk mit 100 MBit/s Die PDV bei 1000BASE-X Power over Ethernet Leistungsklassen PD-Erkennungsprozess Klassifizierung PD-Klassifizierungssignatur PoE-Schaltzeiten PoE in der Praxis Energy Efficient Ethernet Link Layer Discovery Protocol Ethernet-Verkabelung Standards und Spezifizierungen für die Verkabelung Die EIA/TIA-Normierung Die ISO/IEC Normierung Die Norm EN Die Normen EN x-x Die Normen EN und EN Kabeltypen Twisted-Pair-Kabel Koaxialkabel Lichtwellenleiter Der Aufbau der Lichtwellenleiter Entscheidende Faktoren bei der Netzwerkverkabelung Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Sicherheit Verlegung Verkabelungsbereiche der strukturierten Verkabelung

20 xx Inhaltsverzeichnis 9 Ethernet-Komponenten Netzwerkkarten Netzwerkkarten für 10 MBit/s mit UTP/Koax Netzwerkkarten für 10 MBit/s und Lichtwellenleiter Netzwerkkarten für 10/100 MBit/s mit TP Netzwerkkarten für 100 MBit/s mit Lichtwellenleitern Quattro-Netzwerkkarte für 10/100 MBit/s mit 4-mal TP Netzwerkkarten für 1000 MBit/s Netzwerkkarten für 1000 MBit/s mit Lichtwellenleitern Netzwerkkarten für 1000 MBit/s mit TP Netzwerkkarten für 10 GBit/s Repeater und Hubs Repeater für 10 MBit/s Repeater für 100 MBit/s Ethernet Bridge Dualspeed Hubs für 10/100 MBit/s Repeater für 1000 MBit/s Switches Switching Hubs für 10/100 MBit/s Switching Hubs für 1000 MBit/s Switching Hubs für /40.000/ MBit/s EEE für Switches Tranceiver-Module für Switches Die Managementfähigkeit von Hubs und Switches Medienwandler Midspan und Splitter Die Projektierung und Planung eines Netzwerks Konzepte für den Aufbau eines Netzwerks Die Performance-Betrachtung Der Mythos 40 Prozent Messung der Netzwerk-Performance Traffic-Analyse Werkzeuge, um Trends im Netzwerk zu erkennen Wie charakterisiert man ein Netzwerk? Die Auswertung von Netzwerkstatistiken

21 Inhaltsverzeichnis xxi 11 Netzwerkprotokolle Grundlagen: Was sind Protokolle? Bits und Bytes Die Protokolle der Schichten 3 und Routing Verbindungslose und verbindungsorientierte Kommunikation Einführung in die TCP/IP-Protokollfamilie Request for Comment (RFC) Päckchen packen Das Internet Protocol IP-Header Maximum Transmission Unit (MTU) Time to Live (TTL) Protokolle der höheren Schicht IP-Adressen Optionen Adressierung in TCP/IP-Netzwerken Was sind IP-Adressen? Struktur der IP-Adressen Die Schreibweise von IP-Adressen IP-Adressklassen Klasse-A-Adressen Klasse-B-Adresse Klasse-C-Adresse Klasse-D-Adresse Klasse-E-Adresse Die IP-Adressbereiche Spezielle IP-Adressen Multicasts Private IP-Adressen Subnetze Das Subnetting Das Subnetting einer Klasse-A-Adresse Das Subnetting einer Klasse-C-Adresse Das Supernetting Routing im TCP/IP-Netzwerk Aufbau der Router Das Routing Default-Router Routingprotokolle

22 xxii Inhaltsverzeichnis 11.6 Das Routing Information Protocol Der RIP-Header Austausch der Routinginformationen Default Route Probleme des RIP Routingschleifen Das RIP-II Das Open Shortest Path First Die OSPF-Routing-Hierarchie Der Shortest-Path-First-Algorithmus Der OSPF-Header Das OSPF-Hello-Paket Das OSPF-Database-Description-Paket Das OSPF-Link-State-Advertisement-Format Das OSPF-Link-State-Request-Paket Das OSPF-Link-State-Update-Paket Das OSPF-Link-State-Acknowledgement-Paket Das Address Resolution Protocol Die statische oder dynamische Adressauflösung Die Funktion des ARP Zeitverhalten der ARP-Einträge Doppelte Adressen Die ARP-Pakete Das Reserve Address Resolution Protocol Das ICMP als Sprachrohr im TCP/IP-Netzwerk ICMP-Header Das ICMP aller Ping ICMP-Meldung Ziel nicht erreichbar ICMP-Meldung Netzwerk nicht erreichbar ICMP-Meldung Protokoll nicht zustellbar ICMP-Meldung IP-Datagramm nicht teilbar ICMP meldet Routingfehler Unterschiedliche Implementierungen Die TCP/IP-Transport-Protokolle Das Transmission Control Protocol (TCP) TCP-Header Die Sicherheit des TCP Flow Control Aufbau einer TCP-Verbindung Verlauf der TCP-Verbindung Das Schließen einer TCP-Verbindung Das User Datagram Protocol (UDP) Der UDP-Header

23 Inhaltsverzeichnis xxiii 12 Die Protokolle der 5-7-Schicht Das Server-Message-Block-Protokoll Der SMB-Header Das Netware Core Protocol Der NCP-Header Fehleranalyse im Netzwerk Überprüfung der Verkabelung Überprüfung der aktiven Komponenten Ping Überprüfung der Netzwerkstatistiken Protokollanalyse Die Durchführung der Protokollanalyse Header-Informationen Richtige Platzierung der Protokollanalysatoren Analysesysteme Software-Analysatoren Aufbau eines Software-Analysators Der Microsoft-Netzwerkmonitor Die Installation des Microsoft-Netzwerkmonitors Netzwerkmonitor-Agenten Der Netzwerkmonitor in der Praxis Die Aufzeichnung des Datenstroms Das Capture Summary Window Detailinformationen Beeinflussung der aufgezeichneten Datenmenge Anzeigefilter für die Übersichtlichkeit Das Setzen von Filtern Adressdatenbank Die Trigger-Funktion Anzeige der Netzwerkstatistiken Der Dedicate Capture Mode Der Protokoll-Parser Anzeige der vorhandenen Netzwerkmonitore Anhang A Abkürzungen 547 B Literatur 553 Index 557

24 xxiv Inhaltsverzeichnis

25 1 1 Eine Einführung in Netzwerke Lokale Netzwerke (LAN) waren lange Zeit die Domäne von Großunternehmen, die Mitarbeiterarbeitsplätze, zentrale Einrichtungen und Abteilungen miteinander per Datenkommunikation verbanden. Netzwerkprofis waren Inhaber von Geheimwissen, deren Sprache Du nicht verstehst... Heutzutage ist kein modernes Unternehmen, vom Rechtsanwaltsbüro und der Arztpraxis über mittelständische Betriebe bis zum weltweiten Megakonzern mehr ohne Computernetzwerk denkbar. Was Unternehmen als über Weitverkehrsnetze miteinander verbundene Inseln zur Steuerung globaler Geschäfte nutzen, hilft dem Arzt bei der Betreuung der Patienten. Mit der zunehmenden Popularität und Verbreitung von Computern, gerade auch angesichts des Booms des Internets, halten LANs aber auch zunehmend in Privathaushalte Einzug. Die Vorteile liegen auf der Hand: Sind Festplatten, Drucker und Internet-Zugänge zwar wie die PCs selbst ständig im Preis gesunken, kann es doch recht teuer und unpraktikabel werden, die eventuell vorhandenen Rechner der ganzen Familie mit entsprechenden Ressourcen auszustatten. Da hilft ein LAN Kosten sparen und vereinfacht den Austausch von Daten zwischen Vater und Tochter, Sohn und Mutter ganz entscheidend. Der Verbreitung von LANs unter Endverbrauchern ist natürlich eine Tatsache sehr förderlich: Selbst die Preise für Fast Ethernet, das eine Datenrate von 100 MBit/s bietet, sind nahezu ins Bodenlose gefallen; Fast-Ethernet-Netzwerkkarten gibt es heutzutage schon für Euro auf dem Grabbeltisch beim Computerhändler um die Ecke. Erst durch die Vernetzung der einzelnen Computer kommen deren Stärken richtig zur Geltung. Völlig neue Anwendungsmöglichkeiten halten durch den Einsatz der Netzwerke Einzug in Arbeitsalltag und Freizeit. Der Bedarf an IT-Fachkräften, die sich mit Netzwerken auskennen, wird daher immer größer ebenso wie die Notwendigkeit für thematisch interessierte Privatleute, sich zumindest ein fundiertes Grundwissen über LANs und Netzwerktechniken anzueignen. Ethernet stellt aus heutiger Sicht, mit mehr als 95% Marktanteil, den Marktführer im Bereich der lokalen drahtgebundenen Netzwerke dar und wird diese Position zweifellos noch lange halten können. Durch seine Einfachheit und mit seinem dennoch genialen Konzept haben immer neue Einleitung

26 2 1 Eine Einführung in Netzwerke Weiterentwicklungen zur Marktdominanz erfolgreich beigetragen. Wegen der Vielfalt der technischen Ausführungen wird von einem Netzwerkadministrator allerdings ein immer breiteres Detailwissen verlangt. Erst mit dem gezielten Einsatz der zur Aufgabenstellung passenden Technik kommt das Netzwerk richtig in Fahrt. Das vorliegende Buch soll eine detaillierte Einführung zum Thema Ethernet liefern Profis finden alle technischen Details bis hin zu Performance-Analyse und Troubleshooting, interessierte Laien Grundlagen, um ein Netzwerk aufbauen zu können und eventuell auch einfachere Probleme selbst zu lösen. Dieses erste Kapitel schafft die notwendigen Grundlagen, um in den nachfolgenden Kapiteln das Thema Ethernet zu vertiefen. Neben den heute langsam aussterbenden Ethernet-Varianten mit einer Datenrate von 10 MBit/s werden auch die neuen Hochgeschwindigkeitsausführungen mit 100, 1000, , und MBit/s detailliert durchleuchtet. Der versierte Leser kann das Grundlagenkapitel übergehen oder zur Auffrischung seiner Kenntnisse verwenden. 1.1 Erforderliche Netzwerkelemente Netzwerkelemente Grundsätzlich sind für den Betrieb eines Netzwerks mindestens drei Elemente erforderlich. Erstens sind immer zumindest zwei Computer notwendig, die entweder untereinander Daten austauschen möchten oder gemeinsam eine vorhandene Ressource nutzen wollen. Dies ist erst möglich, wenn zweitens ein Weg vorhanden ist, um miteinander in Kontakt treten zu können. Weiterhin muss es Regeln geben, über die festgelegt wird, wie die Computer miteinander kommunizieren können. Betrachtet man nun diese drei grundlegenden Elemente eines Netzwerks, so lassen sich diese wie folgt einteilen: Ein Netzwerkdienst stellt einen Service bereit, über den die gemeinsame Nutzung einer Ressource ermöglicht wird. Das Übertragungsmedium stellt einen Kommunikationsweg zur Kontaktaufnahme oder zum Austausch von Daten bereit. Netzwerkprotokolle stellen Regeln dar, die eine Kommunikation zwischen Computern ermöglichen. Bei der Betrachtung ist es wichtig, dass man den wesentlichen Unterschied zwischen dem Kontakt- und dem Kommunikationsweg und der eigentlichen Kommunikation versteht. Denn existiert über einen Kommunikationsweg die Möglichkeit, jemanden zu kontaktieren, so heißt das noch lange nicht, dass die beiden Kommunikationspartner sich auch tatsächlich verstehen. Erst wenn man mit jemandem kommuniziert, erreicht man ein gegenseitiges Verständnis. Dies wird deutlich, wenn man sich z. B. einen Telefonanruf nach China vorstellt. Wählt man die entsprechende Nummer und der gewünschte Teilnehmer hebt das Telefon ab, so ist der Weg zur Kommunikation vorhanden. Durch den Weg alleine ist allerdings noch

27 1.1 Erforderliche Netzwerkelemente 3 keine Kommunikation sichergestellt. Erst wenn beide dieselbe Sprache sprechen, also die gleichen Regeln verwenden, kann eine Kommunikation erfolgreich zustande kommen Netzwerkdienste Die wesentliche Aufgabe eines Computernetzwerks besteht darin, die gemeinsame Nutzung von vorhandenen Ressourcen zu ermöglichen. Werden Ressourcen anderen Netzwerkteilnehmern zu Verfügung gestellt, so spricht man von sogenannten Netzwerkdiensten oder Services. Beispielsweise können über Netzwerkdienste Ressourcen in Form von Speichermedien oder Druckern von mehreren Teilnehmern gemeinsam genutzt werden. Dabei stehen sich immer ein Server, der einen Dienst zur gemeinsamen Nutzung zur Verfügung stellt, und ein Client, der den Dienst als solches nutzt, gegenüber. Beim Anbieten und der Nutzung von Netzwerkdiensten wird prinzipiell nach folgenden Arten unterschieden: Netzwerkdienste Server, die einen Netzwerkdienst zur Verfügung stellen. Clients, die den Netzwerkdienst anderer nutzen. Peers, die Netzwerkdienste einerseits zur Verfügung stellen und parallel andere Netzwerkdienste nutzen. Diese drei Bezeichnungen werden in der Regel fälschlicherweise dazu genutzt, um die Funktion eines Computers innerhalb des Netzwerks zu beschreiben. Allerdings bezeichnet ein Netzwerkdienst primär eine Software, die auf dem Computer ausgeführt wird. So können z. B. auf einem Computer zeitgleich eine Server- und eine Client-Anwendung betrieben werden. Daher ist die Betitelung für einen Computer in Bezug auf einen Netzwerkdienst eigentlich falsch. Man stelle sich z. B. ein kleines Unternehmen vor, das drei Arbeitsplatzrechner besitzt, die gemeinsam einen Drucker verwenden, und der Drucker ist direkt an einen der drei Arbeitsplatzrechner angeschlossen. Dadurch dient dieser Arbeitsplatz den anderen Rechnern als Druckserver. Über eine Freigabe bestimmter Verzeichnisse können die Arbeitsplatzrechner auf die Datenträger der anderen Arbeitsplatzrechner zugreifen. Somit kann der Arbeitsplatzrechner mit dem angeschlossenen Drucker auch gleichzeitig einen Client darstellen. Diese Art der Aufgabenverteilung beschränkt sich in der Regel auf Netzwerke mit nur wenigen Teilnehmern. Bei größeren Netzwerken mit mehreren Teilnehmern oder höherem Ressourcenbedarf erweist sich jedoch eine klare Trennung als sinnvoll. Entsprechend der Art und Weise, wie sich die Dienste innerhalb eines Netzwerks verteilen, können Netzwerke wie folgt klassifiziert werden: Peer-to-Peer-Netzwerk, in dem jeder Computer Netzwerkdienste zur Verfügung stellen kann und Netzwerkdienste anderer Computer nutzen kann. Kleinere Netzwerke basieren oft auf einem Peer-to-Peer- Netzwerk, bei dem keine dedizierten Server zum Einsatz kommen.

28 4 1 Eine Einführung in Netzwerke Client-Server-Umgebung, bei dem die Rolle der Server, also der Computer, die einen Netzwerkdienst zur Verfügung stellen, und der Clients, die diese Netzwerkdienste nutzen, klar getrennt sind. Größere Netzwerke basieren grundsätzlich auf einer Client-Server-Umgebung, da sich ausschließlich diese Konstellation ab einer bestimmten Größe noch sinnvoll administrieren lässt Übertragungsmedien Übertragungsmedien Damit Computer miteinander in Kontakt treten können, wird ein Kommunikationsweg zwischen ihnen benötigt. Die Bildung eines Kommunikationswegs wird über Übertragungsmedien bereitgestellt. Im Netzwerkbereich kommt der Einsatz von verschiedenen Übertragungsmedien in Frage. Welches letztendlich verwendet werden kann, ist von der Netzwerktechnologie abhängig. Grundsätzlich kommen in drahtgebundenen LANs Übertragungsmedien auf der Basis eines elektrischen Leiters, wobei man die Daten über elektrische Impulse überträgt, oder von Lichtwellenleitern, bei denen die Daten mit Lichtimpulsen übertragen werden, in Frage. Als elektrische Leiter werden entweder Koaxialkabel oder mehradrige Kabel, bei denen jeweils zwei Adern als Adernpaar ausgeführt und miteinander verdrillt sind, verwendet. Das Koaxialkabel hat heute im LAN-Bereich für Neuinstallationen eigentlich keine Bedeutung mehr und wird in diesem Werk nur der Vollständigkeit halber dargestellt. Das verdrillte Kabel wird entweder in einer geschirmten Version (Shielded Twisted Pair, STP-Kabel) oder in einer ungeschirmten Version (Unshielded Twisted Pair, UTP-Kabel) eingesetzt. Bei der abgeschirmten Version des TP-Kabels unterscheidet man zudem zwischen Kabeln, die nur einen Gesamtschirm um alle Adernpaare gemeinsam aufweisen, und Kabeln, die zusätzlich eine Schirmung um die jeweiligen Adernpaare aufweisen. Erstere werden teilweise S/UTP (Shielded/Unshielded Twisted Pair) genannt, Letztere manchmal S/STP (Shielded/Screened Twisted Pair) oder auch PiMF (Paar in Metallfolie). Bei den Lichtwellenleitern kommen ebenfalls verschieden Varianten, sogenannte Multimode- oder Monomode-Lichtwellenleiter, zum Einsatz. Verglichen werden die verschiedenen Übertragungsmedien anhand des Aufwands für die Installation, der Kosten, der erzielbaren Reichweiten, der Datenraten, die sich über die Übertragungsmedien übertragen lassen, und der Störsicherheit (elektromagnetische Verträglichkeit). Je nach vorhandener Anforderung wird ein Übertragungsmedium ausgewählt, wobei bei der Auswahl primär die erzielbare Datenrate und Reichweite berücksichtigt werden. In Kapitel 8 werden wir ausführlich auf die Datenübertragung mit elektrischen und Lichtwellenleitern eingehen.

29 1.2 Die Netzwerktopologien Netzwerkprotokolle Über ein Netzwerkprotokoll werden Regeln festgelegt, die den Informationsaustausch zwischen Computern ermöglichen. Durch die Nutzung einheitlicher Protokolle wird sichergestellt, dass die Computer miteinander kommunizieren und sich untereinander verständigen können. Dabei kann ein Protokoll aus einer einzigen Regel oder einem Satz von Regeln oder Standards bestehen. Beispielsweise wäre zwischen Menschen keinerlei Kommunikation möglich, wenn sie über keine einheitliche Sprache und kulturelle Regeln verfügten. Netzwerkprotokolle Wir werden in Kapitel 11 und 12 detailliert auf die Netzwerkprotokolle eingehen. 1.2 Die Netzwerktopologien In Abhängigkeit von den verwendeten Netzwerktechnologien werden Computer auf unterschiedlichste Art und Weise miteinander verbunden. Die verschiedenen Formen der Verbindungen werden im Fachjargon als Netzwerktopologie bezeichnet. Bei Netzwerktopologien muss man generell zwischen der physischen und der logischen Topologie unterscheiden, die durchaus voneinander abweichen können. Die physische Topologie beschreibt, wie die Computer miteinander verbunden sind. Die logische Topologie hingegen beschreibt, in welcher logischen Beziehung die Computer beim Austausch der Daten zueinander in Verbindung stehen. Wie Sie in Kapitel 2 erfahren werden, ist beispielsweise das 10-MBit-Ethernet eine Netzwerktechnologie, die in der ursprünglichen Variante ein gemeinsames Übertragungsmedium verwendet, das in der Form einer Bus-Topologie zur Verfügung gestellt wird. Über ein spezielles Verfahren wird der Zugriff für den Datenaustausch auf dem gemeinsam genutzten Bus geregelt. Wird als Übertragungsmedium ein Koaxialkabel verwendet, so werden die Computer physisch über das Koaxialkabel, das den Bus darstellt, miteinander verbunden. Verwendet man als Übertragungsmedium ein verdrilltes Kupferkabel, so werden die Computer über einen Verteiler, der als Hub bezeichnet wird, sternförmig miteinander verbunden. Intern stellt der Hub ebenfalls einen Bus dar, bei dem über dasselbe Zugriffsverfahren die Daten auf das Netzwerk gebracht werden. Logisch betrachtet basiert das Ethernet in beiden Fällen immer auf einer Bus-Topologie, wogegen physisch betrachtet im ersten Fall eine Bus- und im zweiten Fall eine Stern-Topologie vorliegt. Man unterscheidet bei den Netzwerktopologien zwischen der Bus- Topologie, der Ring-Topologie, der Stern-Topologie, der Maschen-Topologie und gemischten Topologien. Je nach verwendeter Netzwerktechnologie kommen von den vier genannten Netzwerktopologien logische und physische Topologien zum Einsatz. Die logische Netzwerktopologie ist grundsätzlich von der Netzwerktechnologie abhängig und kann innerhalb Netzwerktopologien Physische und logische Topologie Verschiedene Netzwerktopologien

30 6 1 Eine Einführung in Netzwerke Bus-Topologie dieser prinzipiell weder geändert noch ausgewählt werden. Bei der physischen Betrachtung der verschiedenen Netzwerktopologien werden in erster Linie der Aufwand bei der Installation, bei einer eventuellen Rekonfiguration, bei einer Fehlersuche und die Anzahl der Komponenten beziehungsweise beteiligten Station, die von einem möglichen Fehler betroffen sind, betrachtet. Hier können unter Umständen innerhalb einer Netzwerktechnologie zwischen verschieden Netzwerktopologien die Vorund Nachteile ausgewogen und, je nach Bedarf, eine Topologie ausgewählt werden. Um die Vor- und Nachteile der verschiedenen Netzwerktopologien vergleichen zu können, möchten wir im Folgenden auf die verschiedenen Netzwerktopologien eingehen. Bei der physischen Bus-Topologie wird ein Übertragungsmedium durch mehrere Teilnehmer gemeinsam verwendet. Die Verbindungswege zwischen den einzelnen Komponenten beziehungsweise Stationen sind dabei relativ kurz, da das Übertragungsmedium direkt ohne Umwege von Komponente zu Komponente verlegt werden kann (siehe Abb. 1 1). Abb. 1 1 Die Bus-Topologie Die beiden Enden des Bus werden mit einem Widerstand abgeschlossen, damit keine Reflexionen der elektrischen Signale auftreten können. Reflexionen sind in diesem Fall ein Teil des elektrischen Signals, der bei einem offenen oder falsch abgeschlossenen Ende (fehlender oder falscher Abschlusswiderstand) zurückgeworfen beziehungsweise reflektiert wird. Durch die Reflexion findet eine Überlagerung der elektrischen Signale statt, die die Datenübertragung auf dem Bus nachhaltig stört. Werden Daten von einem Computer ausgesendet, so breiten sich diese Daten in beide Richtungen des Bus aus. Der Vorteil der Bus-Topologie liegt darin, dass der Bus auf einfachste Weise nach Bedarf erweitert werden kann vorausgesetzt, die maximale Ausdehnung ist noch nicht erreicht. Problematisch ist jedoch, dass die Erweiterung des Bus in der Regel nicht während des Netzwerkbetriebs durchgeführt werden kann, da der Bus für eine Erweiterung an mindestens einer Stelle kurzzeitig aufgetrennt werden muss. Der größte Nachteil liegt jedoch darin, dass der Bus aufgrund der vielen Verbindungsstellen sehr fehleranfällig ist und sich die Fehlersuche in