Gerd Küveler Dietrich Schwoch. Informatik für Ingenieure und Naturwissenschaftler 2

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3 Gerd Küveler Dietrich Schwoch Informatik für Ingenieure und Naturwissenschaftler 2

4 Aus dem Programm Elektro- und Informationstechnik Elemente der angewandten Elektronik von E. Böhmer Digitaltechnik von K. Fricke Informatik für Ingenieure und Naturwissenschaftler 1 von G. Küveler und D. Schwoch Bussysteme in der Automatisierungsund Prozesstechnik herausgegeben von G. Schnell und B. Wiedemann Aufgabensammlung Elektrotechnik 1 und 2 von M. Vömel und D. Zastrow Digitale Schnittstellen und Bussysteme von F. Wittgruber Automatisieren mit SPS Theorie und Praxis von G. Wellenreuther und D. Zastrow Automatisieren mit SPS Übersicht und Übungsaufgaben von G. Wellenreuther und D. Zastrow Steuerungstechnik mit SPS von G. Wellenreuther und D. Zastrow Mikroprozessortechnik von K. Wüst vieweg

5 Gerd Küveler Dietrich Schwoch Informatik für Ingenieure und Naturwissenschaftler2 PC- und Mikrocomputertechnik, Rechnernetze 5., vollständig überarbeitete und aktualisierte Auflage Viewegs Fachbücher der Technik

6 Bibliografische Information Der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. 1. Auflage , vollständig überarbeitete Auflage , vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage Januar , durchgesehene und erweiterte Auflage April , vollständig überarbeitete und aktualisierte Auflage Februar 2007 Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlag GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2007 Lektorat: Reinhard Dapper Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Technische Redaktion: Hartmut Kühn von Burgsdorff, Wiesbaden Druck und buchbinderische Verarbeitung: Wilhelm & Adam, Heusenstamm Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

7 V Vorwort Erstmals mit der neuen Auflage erscheint das vorliegende Werk in geteilter Form. Das eröffnet zum einen die Möglichkeit zu größerer Ausführlichkeit, zum anderen ist der Leser nicht gezwungen, viele Seiten zu erwerben, die ihn persönlich nicht interessieren. Zunächst wurden zwei Bände aufgelegt. Der erste Band führt in die Hochsprachen-Programmierung mit C/C++ ein, weil diese sich im Laufe der letzten Jahre zur bedeutendsten Universalsprache mit breitestem Anwendungsspektrum entwickelt hat. Der hier vorliegende zweite Band befasst sich mit PC- und Mikrocomputer-Technik sowie Computernetzwerken. Während der Band 1, zumindest was das Fortgeschrittenen-Praktikum angeht, Grundkenntnisse der höheren Mathematik voraussetzt, eignet sich der vorliegende Band auch für Techniker und Technikerschulen sowie, bezüglich des Teils II, für System-Administratoren im nicht-technischen Bereich. Die Funktionsweise von Mikrorechnern am Beispiel des PC und seines Prozessors 80(X)86 sowie seiner Betriebssysteme ist das Kernthema des Teil I. Der Zugang erfolgt von der Softwareseite her. Die Beherrschung der Sprache C/C++ auf dem Niveau des Band 1 (ohne Objektorientierte Programmierung) wird vorausgesetzt. Kenntnisse der Maschinensprache werden für die 16-Bit-Welt anhand des Hilfsprogramms DEBUG und für die 32-Bit-Welt anhand des C++-Inline-Assemblers vermittelt. Der Teil II bietet einen ersten Einstieg in das wichtige Gegenwarts- und Zukunftsthema Computernetzwerke. Fast jeder Rechner wird heute vernetzt betrieben und selbst private PC können weltweit kommunizieren. Durch die Möglichkeit der lokalen und globalen Rechnervernetzungen erleben wir die Entstehung einer neuen Dimension in der Daten- und Informationsverarbeitung. Die Beschäftigung mit Rechnernetzen ist daher nicht länger eine Domäne von Informatikspezialisten. Dieses Thema wurde längst in die Informatik-Lehrpläne aller technisch orientierten Ausbildungsgänge einbezogen. Einige ausführliche Anhänge ergänzen und vertiefen die im Hauptteil des Buches behandelten Themen oder dienen einfach zum Nachschlagen. Um den Preis des Buchs erträglich zu halten, wurden sie ausgegliedert, d. h. in unsere unten stehende Webseite zum Buch gestellt Die Quelltexte der im Buch abgedruckten Programme, die Lösungen zu den Übungsaufgaben, einige Tools sowie aktuelle Ergänzungen und Fehlerkorrekturen finden Sie im Internet unter Achtung: ohne www! Sie haben dort auch die Möglichkeit, uns eine zu schicken. Über Hinweise auf Fehler, Anregungen und Kritiken würden wir uns freuen. Unser Dank gilt allen, die einen Beitrag zum Zustandekommen dieses Buches geleistet haben. Glashütten im Januar 2007 Dieburg im Januar 2007 Gerd Küveler Dietrich Schwoch

8 VII Inhaltsverzeichnis Teil I: PC- und Mikrocomputer-Technik 1 Interne Darstellung von Informationen Darstellung positiver ganzer Zahlen Binär- und Hexadezimalsystem Umrechnungsverfahren Rechnen im Dualsystem Darstellung von vorzeichenbehafteten Ganzzahlen Darstellung gebrochener Zahlen Sonstige Zifferncodes Darstellung von Zeichen Das Prüfbitverfahren Bitoperationen mit C/C Bit-Manipulationen Bitfelder Aufgaben Architektur der 80(X)86-Prozessorfamilie Aufbau eines Mikrocomputers Mikroprozessor Zentralspeicher Ein/Ausgabe-Bausteine (I/O-Ports) Busleitungen Hardwaremodell der INTEL 80(X)86-Prozessoren Prozessor-Register Die Adressierung Systemplatine PC-Speicher Externe Schnittstellen und Bus-Systeme Aufgaben Einführung in die Maschinensprache Maschinenbefehle des Das Hilfsprogramm DEBUG Aufgaben Befehlsarten Transportbefehle Arithmetische Befehle Logische Befehle Sprungbefehle Befehle zur Prozessorsteuerung... 74

9 VIII Inhaltsverzeichnis Aufgaben Adressierungsarten Registeradressierung Unmittelbare Adressierung Direkte Adressierung Indirekte Adressierung Basisregister plus Displacement Basisregister plus Indexregister plus Displacement Detaillierter Aufbau eines Maschinencodes Übungen Schnittstellen zum Betriebssystem BIOS und DOS BIOS-Systemaufrufe DOS-Systemaufrufe Die Speichermodelle COM und EXE Aufgaben Unterprogramme und Programmunterbrechungen Call-Unterprogramme Interrupts Die Interrupt-Vektor-Tabelle Die Interruptarten Der Interruptcontroller Aufgaben Controller-Bausteine und Ports Die Befehle IN und OUT Beispiel: Programmierung des Interrupt-Controllers Aufgabe Symbolische Assembler PC-Technik in der 32-Bit-Welt Die Programmierung von Kommandos in C/C Parallele Prozesse Dynamic Link Libaries (DLL) Assembler und C Aufgaben Technische Anwendungen mit dem PC Hardware Modelle Prozeduren und Skripsprachen Aufgaben

10 Inhaltsverzeichnis IX 10 UNIX und Linux Die Shell als Programmiersprache C und UNIX Aufgaben Teil II RECHNERNETZE 11 Die Serielle Datenübertragung Die asynchrone Datenübertragung Die synchrone Datenübertragung Datenübertragung über die RS232C/V.24-Schnittstelle Die RS232C/V.24-Schnittstelle Terminalemulation und Kommunikationsprogramme Datenübertragung mit Modems Datenübertragung mit ISDN Fehlersicherung Aufgaben Entwicklung und Organisation des Internet Das ISO/OSI-Schichtenmodell der Datenkommunikation Probleme der Rechner-Rechner-Kommunikation Das 7-Schichtenmodell Aufgabe Basiskomponenten von Lokalen Netzen Funktionseinheiten und Grundaufbau Bezug zum OSI-Modell Ethernet-Netze Bitcodierung Das Netz-Zugriffsverfahren CSMA/CD MAC-Adressen Ethernet-Frames Verkabelungssysteme und Hubs Ethernet Netzkoppler Repeater und Hubs Bridges Switches Kommandos zur Ethernet-Konfiguration Aufgaben Netzverbindungen mit TCP/IP IP-Adressen Router

11 X Inhaltsverzeichnis 16.3 Verbindungsorientierte oder verbindungslose Kommunikation Ports und Sockets Client-Server-Kommunikation und Broadcasts Kommandos zum TCP/IP-Protokoll Aufgaben Netzwerkbetriebssysteme Spezielle Netzwerkeigenschaften von Windows Zentrale Protokolle Organisation von Windows-Netzen Spezielle Netzwerkeigenschaften von NetWare Der NDS-Verzeichnisdienst Die Arbeitsumgebung der Benutzer Spezielle Netzwerkeigenschaften von Unix-Netzen NFS X-Windows Aufgaben Internet-Verbindungen IP-Adressierung im Internet Adressklassen Broadcast- und Multicast-Adressen Private Adressen Subnetze Klassenlose Adressierung Der Domain-Name-Service IPv Internet-Zugangstechniken Typische Anschluss-Konfigurationen PPP DHCP NAT Firewalls Test- und Diagnoseprogramme Das ICMP-Protocol Testprogramme Wichtige Internet-Anwendungen Klassische Internet-Anwendungen Aufgaben Sicherheit in Netzen Grundlagen der Kryptografie Erweiterte Prüfsummen: Fingerprints Symmetrische Verschlüsselungsverfahren Asymmetrische Verfahren: Das Public Key Verfahren

12 Inhaltsverzeichnis XI Digitale Signaturen Zertifikate Hybride Verschlüsselungsverfahren Sicherheits-Dienste und -Anwendungen SSH SSL/TLS und HTTPS Sichere -Systeme IPSec Aufgaben Spezielle Netzwerkkonfigurationen Intranets Virtual Private Networks (VPN) Funk-Netze (WLAN) WLAN Architekturen Die Luftschnittstelle Der Netzzugriff Sicherheit von WLANs Virtuelle LANs (VLAN) Netzwerkprogrammierung mit Sockets Socket-Funktionen und -Datenstrukturen Beispiel einer Client/Server-Anwendung Übungen Anhang Sachwortverzeichnis

13 1 Teil I: PC- und Mikrocomputer-Technik Der PC stellt für die weitaus meisten Benutzer das Tor zur Welt der Bits und Bytes dar. Der funktionale Aufbau und die Arbeitsweise von Mikrorechnern werden deshalb am Beispiel der 80(x)86-Prozessorfamilie von INTEL behandelt, weil diese durch ihren Einsatz im Personel Computer (PC) zum Industriestandard wurde und entsprechend weit verbreitet ist. Sie benötigen zur Bearbeitung der praktischen Übungen dieses Teils lediglich ihren PC unter einem Windows-Betriebssystem und den C/C++-Compiler, der Sie ggf. bereits durch den Band 1 begleitet hat. Wer an UNIX/Linux interessiert ist, sollte auch dieses installiert haben oder eine bootfähige Live-CD, wie Knoppix, verwenden. Eine über das übliche hinausgehende, zusätzliche Hard- oder Software ist nicht erforderlich. Der Schwerpunkt liegt auf dem softwaremäßigen Zugang zum PC. Dazu gehört auch eine kleine Einführung in die Maschinensprache, die als Muttersprache des Computers die Hardwarekomponenten unmittelbar erschließt. Maschinensprachen setzen allerdings Grundkenntnisse über die Funktionsweise der Hardware voraus, die hier ebenfalls vermittelt werden. Maschinensprachen sind hardwareabhängig, d. h. von Prozessor zu Prozessor verschieden. Die Strukturen ähneln sich jedoch sehr weitgehend, so dass die hier erworbenen Kenntnisse gut übertragbar sind, z. B. auf die Programmierung von Mikrocontrollern (µc). Wir gehen von dem 16-Bit-Intel-Prozessor 8086 (der Ur-PC-Prozessor) aus, zu dem auch ein Pentium IV noch kompatibel ist. Zur Lösung zahlreicher praktischer Probleme greifen wir jedoch auf Ihre C/C++-Kenntnisse zurück. Über den Inline-Assembler des C++-Compiles erschließt sich auch die 32-Bit-Welt. Bevor Sie beginnen, einen Mikrorechner auf hardware- und systemnaher Ebene zu programmieren, sind einige theoretische Vorkenntnisse über Bits, Bytes und Co. erforderlich.

14 2 1 Interne Darstellung von Informationen 1 Interne Darstellung von Informationen 1 Interne Darstellung von Informationen Ein Mikrocomputersystem speichert und verarbeitet mehr oder weniger große Informationsmengen, je nach Anwendung und Leistungsfähigkeit. Computer Eingabedaten Programme Speicher Prozessor Ausgabedaten Unter einem Mikrocomputer versteht man einen Rechner, bei dem alle Funktionen des Prozessors auf einem integrierten Baustein (chip), dem Mikroprozessor, vereinigt sind. Je nach Einsatzgebiet reicht die Spanne von Mikrocontrollern, das sind einfache Einplatinencomputer für Mess- und Steueraufgaben, bis zu komfortabel ausgestatteten PC und Workstations. Die hardwarenahe Programmierung derartiger Rechner setzt Kenntnisse über die Darstellung der Informationen voraus. Wegen der verwendeten Bauelemente eines Mikrorechners werden alle Informationen binär (dual) codiert. Je nach Art und eventuell auch geplanter Verarbeitung der Information verwendet man unterschiedliche Codes. So werden Zahlen in der Regel anders dargestellt als Zeichen, natürliche Zahlen z. B. im reinen Binärcode, Zeichen im ASCII-Code. Die Art der Verarbeitung kann jedoch auch eine Zahlendarstellung im BCD- oder gar im ASCII-Code nahe legen. Codes beruhen auf Vereinbarungen, die per Software getroffen werden. 1.1 Darstellung positiver ganzer Zahlen 1.1 Darstellung positiver ganzer Zahlen Zahlen werden im täglichen Leben im Dezimalsystem dargestellt. Das gilt erst recht für ganze Zahlen. Das Dezimalsystem ist ein Stellenwertsystem. Für die Darstellung ganzer Zahlen in Stellenwertsystemen gilt: i X= ai b, i= 0,1,... a A, A= { 0,1,2,..., b 1} i b ist die Basis des Stellenwertsystems

15 1.1 Darstellung positiver ganzer Zahlen 3 Beispiel Zahl im Dezimalsystem (Basis = 10) 1398 = 1 x x x x 10 0 In Zusammenhang mit einem Digitalrechner sind drei Stellenwertsysteme relevant: das Dezimalsystem das Binärsystem das Hexadezimalsystem Die Bedeutungen der beiden ersten Systeme sind klar, das Hexadezimalsystem wird für eine verkürzte Darstellung von Binärwerten herangezogen, weil sich vier Binärziffern zu einer Hexadezimalziffer zusammenfassen lassen. Früher wurde statt des Hexadezimalsystems häufig das Oktalsystem (Zusammenfassung von drei Binärziffern) verwendet, inzwischen ist es jedoch aus der Mode gekommen. Mit der Darstellung von Binär- und Hexadezimalzahlen muss der harwarenah operierende Programmierer ebenso vertraut sein, wie mit der Umrechnung zwischen den Stellenwertsystemen Binär- und Hexadezimalsystem Das Binärsystem (Dualsystem) besitzt folgende wichtige Eigenschaften: Basis: 2 Menge der Ziffern: {0,1} Stellenwerte: Potenzen von Eine binäre Ziffer entspricht in der Datenverarbeitung einem Bit, mit dem sich zwei Zustände (0 und 1) unterscheiden lassen. Folgende magische Zweierpotenzen benutzt man v. a., um die Kapazität von Rechnerspeichern anzugeben: 1 <K> = 2 10 = (<Kilo>) 1 <M> = 2 20 = (<Mega>) 1 <G> = 2 30 = (<Giga>) 1 <T> = 2 40 = (<Tera>) Die Definitionen von Kilo, Mega, Giga, Tera, usw. unterscheiden sich also in der Datenverarbeitung ein wenig von der üblichen Bedeutung (1 Kilo = 10 3 = 1000, usw.).