COMPUTERNETZWERKE. Teil 1 AUFBAU UND PROTOKOLLE

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1 COMPUTERNETZWERKE Teil 1 AUFBAU UND PROTOKOLLE 1

2 INHALTSVERZEICHNIS VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN Einführung: Lokale Netzwerke: Begriffsbestimmungen: Aufbau von Netzwerken: Netzwerkkarten: Netzwerkverkabelung: Kabelauswahl: Kabeltypen: Verbindungen: Netztopologie: Physikalische Topologien: Logische Topologien: Netzwerkorganisation: Client/Server Netzwerke: Peer-to-Peer Netzwerke: Das OSI - Modell: Bitübertragungsschicht (Physical Layer): Sicherungsschicht (Data Link Layer): Vermittlungsschicht (Network Layer): Transportschicht (Transport Layer): Sitzungsschicht (Session Layer): Darstellungsschicht (Presentation Layer): Anwendungsschicht (Application Layer): Netzwerkprotokolle: Ethernet: CSMA/CD (Carrier Sensing Multiple Access with Collision Detection): Ethernet Datenrahmen: Fast Ethernet: Token Ring: Netzzugriffssteuerung: Datenrahmen: TCP/IP: IP Adressierung: Unregistrierte IP Adressen: Spezielle IP Adressen: Subnetze: Ports und Sockets: TCP/IP Protokolle: SLIP: PPP (Point To Point Protocol): IP (Internet Protocol): UDP (User Datagram Protocol): TCP (Transmission Control Protocol): ICMP (Internet Control Message Protocol): IPX/SPX: NCP (NetWare Core Protocol): NetBIOS und NetBEUI: NetBEUI Datenrahmen: Name Service: Datagram Service:

3 5.5.4 Diagnostic Service: Session Service:

4 VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN Bild 2.1 Netzklassifizierung... 5 Bild 3.1 Netzwerkkartenadresse...7 Bild 4.1 Reflexion in der Glasfaser Bild 4.2 RJ45 Stecker Bild 4.3 Direktverbindung...15 Bild 4.4 Sterntopologie...16 Bild 4.5 Thick Ethernet...17 Bild 4.6 Thinnet...17 Bild BaseT...18 Bild 4.8 Ethernet Datenrahmen...19 Bild 4.9 Datendurchsatz bei Kollisionen...19 Bild 4.10 OSI 7 Schichten Modell...22 Bild 4.11 Datenübertragung nach dem OSI Modell...23 Bild 4.12 Polare Kodierung Bild 4.13 Manchester - Kodierung Bild 4.14 Differentielle Manchester Kodierung Bild 4.15 Arbeitsweise eines Routers Bild 5.1 IEEE Datenrahmen...31 Bild 5.2 Token...33 Bild 5.3 Token Ring Datenrahmen...34 Bild 5.4 Vergleich der Schichten TCP/IP und OSI Modell...36 Bild 5.5 IP Adressierung...37 Bild 5.6 Anlegen von Subnetzen Bild 5.7 Liste der Ports und Dienste Bild 5.8 SLIP Datenrahmen Bild 5.9 PPP Datenrahmen Bild 5.10 PPP Verbindungsaufbau Bild 5.11 IP Datagramm (Kopf)...43 Bild 5.12 UDP Datagramm...46 Bild 5.13 Ablauf der Datenübertragung mit Rückmeldung...47 Bild 5.14 TCP Datenrahmen...48 Bild 5.15 ICMP Datenrahmen...49 Bild 5.16 PING Programm Bild 5.17 IPX Datenrahmen...52 Bild 5.18 SPX Datenrahmen...53 Bild 5.19 NCP Request Datenrahmen Bild 5.20 NCP Reply Message Bild 5.21 SAP Nachrichtenformat Bild 5.22 NetBEUI Datenrahmen Bild 5.23 NetBIOS Sitzung

5 1. Einführung: Zu Beginn der Verbreitung der PCs konnte ein Datenaustausch nur über transportable Massenspeicher (z.b. Disketten, Wechselplatten oder Magnetbänder) erfolgen. Neben dem Risiko des Datenverlustes durch falsche Lagerung bzw. falsche Handhabung traten folgende Nachteile auf: Aktualität der Datensätze: Nach jeder Änderung mußten die Dateien neu verteilt werden. Zugriff mehrerer Bearbeiter auf eine gemeinsame Datei: Gefahr des Datendiebstahls durch Mitarbeiter: Um sowohl Datenintegrität als auch Datensicherheit zu gewährleisten wurden die einzelnen Arbeitsstationen miteinander verbunden. 2. Lokale Netzwerke: Ein lokales Netzwerk (LAN = Local Area Network) besteht aus innerhalb eines begrenzten Bereiches befindlichen Arbeitsstationen, die über Leitungen miteinander verbunden sind. Die Größe dieser Netzwerke kann stark variieren beginnend von 2 miteinander verbundenen PCs im selben Raum bis zu mehreren hundert PCs innerhalb eines Bürogebäudes. Bei größerer Ausdehnung des Netzes spricht man von einem WAN (Wide Area Network). Entfernung Rechner auf/in Netztyp 10m selbem Raum LAN 100m selbem Gebäude LAN 1km selbem Grundstück LAN 10km selber Stadt WAN 100km selbem Land WAN 1000km selbem Kontinent WAN 10000km selbem Planeten verbundene WANs Ein LAN bietet folgende Vorteile: Bild 2.1 Netzklassifizierung a) Dateiverwaltung: Mehrere Benützer können eine Datei oder Teile einer Datenbank bearbeiten Rascher Datentransfer zwischen den angeschlossenen Arbeitsstationen b) Verwaltung von Anwendungen: Alle angeschlossenen Arbeitsstationen können gemeinsame Kopien von Anwendungsprogrammen verwenden c) Verwaltung von Peripheriegeräten: Gemeinsame Verwendung von Druckern, Scannern, Fax, Modem etc. d) Kommunikation: Senden und Empfangen von Botschaften, Terminplanung etc. 5

6 Zu a): Eine der Hauptaufgaben eines LAN ist es, allen Benützern einen gemeinsamen Speicherbereich zur Verfügung zu stellen, so daß mehrere Benützer auf die selben Dateien oder Teile einer Datenbank Zugriff haben. Dadurch wird sichergestellt, daß nur eine aktuelle Version dieser Dateien vorliegt und jeder Bearbeiter eine aktuelle Version zur Verfügung hat. Dabei ist zu beachten, daß nicht jeder Netzwerkbenützer automatisch Zugriff auf alle vorhandenen Dateien besitzt, abhängig vom Netzwerkbetriebssystem kann der Zugriff auf Laufwerke, Verzeichnisse und Dateien mittels Kennwort geregelt werden. Diese Zugriffsrechte lassen sich wieder in verschiedenen Abstufungen erteilen (voller Zugriff, schreibgeschützter Zugriff, etc.). Zu b): Bei den meisten Softwarepaketen genügt die Installation einer Kopie auf dem Fileserver um das Programm allen angeschlossenen Benützern zugänglich zu machen. Je nach Programm ist manchmal die Abspeicherung von Konfigurationsdateien auf der Arbeitsstation notwendig. Die zentrale Installation von Software auf einem Fileserver bietet folgende Vorteile: Reduktion des Plattenspeicherbedarfes auf der Arbeitsstation (bis zu diskless) Mehrere Benützer können die Anwendung gleichzeitig laufen lassen Vereinfachung der Softwarewartung (Änderung einer einzigen Kopie) Zu c): Mit Hilfe eines LAN können teure Peripheriegeräte von allen angeschlossenen Benützern verwendet werden, ohne daß dabei unnötige Wartezeiten entstehen. Das Netzwerkbetriebssystem verwaltet alle Peripheriedaten, die Arbeitsstation kann nach der Datenübertragung sofort weiterarbeiten. Zu d): Die Kommunikation der angeschlossenen Netzwerkbenützer untereinander ist ein wesentlicher Aspekt moderner Organisation der Arbeitsabläufe. Die Übermittlung von Nachrichten beschleunigt und vereinfacht den Informationsaustausch, Terminplanung und die Organisation von Besprechungen werden dadurch vereinfacht. Zusätzlich zu reinen Textnachrichten können auch binäre Dateien an eine Nachricht angeschlossen werden. Ein zusätzlicher Aspekt ist die Kontrollmöglichkeit der angeschlossenen Benützer. 3. Begriffsbestimmungen: Auf dem Gebiet der Netzwerktechnik wird ein eigenes Fachvokabular verwendet, das in vielen Bereichen noch zusätzlich durch Abkürzungen verschlüsselt wird. Hier sollen zunächst nur die wichtigsten Grundbegriffe erläutert werden, die verschiedenen Abkürzungen werden später in den Text eingeschleust. Um auch dem Vergeßlichen die Teilnahme an Fachdiskussionen zu ermöglichen werden alle im Text verwendeten Abkürzungen in einem Anhang zusammengefaßt und in vollem Wortlaut dargestellt. Workstation (Arbeitsstation) Jedes Gerät, das die Fähigkeit besitzt Daten in ein Netzwerk einzuspeisen wird als Arbeitsstation bezeichnet. Darunter fallen PCs, Bildschirmterminals, Scanner, etc. Jede Arbeitsstation besitzt eine eigene Netzwerkkarte (NIC Network Interface Card). 6

7 Node (Netzwerkknoten) Jedes an einem Netzwerk angeschlossenes Gerät mit einer eigenen Netzwerkadresse stellt einen Netzwerkknoten dar. Die Knotenadresse muß im gesamten Netzwerk einmalig sein und wird von der Netzwerkkarte festgelegt. Die Kartennummer wird vom Kartenhersteller festgelegt und kann vom Benützer nicht verändert werden. Sie besteht aus einem Teil, der den Hersteller bezeichnet und einer laufenden Nummer. Die Einmaligkeit der Kartenadresse stellt die Möglichkeit der Kommunikation über weltweite Netzverbindungen sicher. Die Kartenadresse wird auch als MAC - Adresse (Media Access Control) bezeichnet. I/G Bit U/L Bit Organization ID 22 Bit Assigned Address 24 Bit I/G = 0 I/G = 1 U/L = 0 U/L = 1 Individual Address Group Address Universally Assigned Address Locally Assigned Address Bild 3.1 Netzwerkkartenadresse Server/File Server Der Server ist die zentrale Stelle, wo bestimmte Netzwerkfunktionen ausgeführt werden. Das kann die Verwaltung des gesamten Netzwerks oder nur die Verwaltung eines Peripheriegerätes wie eines Druckers sein. Wenn die Verwaltung von Dateien darauf stattfindet spricht man von einem File Server. Packet (Datenpaket) Ein Datenpaket ist die kleinste Informationseinheit die über ein Netzwerk transportiert wird. Das Datenpaket besteht aus der Sender-, der Empfängeradresse und den zu übertragenden Daten sowie einer Datensicherungsinformation. Topology (Topologie) Die Topologie beschreibt die physikalische und logische Anordnung der einzelnen Knoten sowie deren Verbindung miteinander. Physikalische Topologie: Angabe der physikalischen Lage der Knoten zueinander sowie die Führung der Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Netzwerkknoten. Logische Topologie: Beschreibung der Weitergabe der Daten zwischen den angeschlossenen Netzwerkknoten über das Netzwerk. 7

8 4. Aufbau von Netzwerken: Für den Aufbau eines Netzwerkes benötigt man folgende Bestandteile: Netzwerkkarten Netzwerkverkabelung Netzwerkserver Netzwerkbetriebssystem Netzwerkfähige Anwendungen 4.1 Netzwerkkarten: Bei der Anschaffung der Netzwerkkarte sind folgende Auswahlfaktoren zu berücksichtigen: 1. Art des Layer-2-Protokolls des Netzwerkes (Ethernet oder Token Ring) 2. Übertragungsgeschwindigkeit des Netzwerkes 3. Art der Netzwerkverkabelung 4. Art des Bussystems des Rechners 5. Von der Netzwerkkarte verwendete Hardwareresourcen 6. Verwendung des Computers (Server oder Arbeitsstation) 7. Vorhandensein geeigneter Treiber für das verwendete Betriebssystem Zu 1. Der Unterschied zwischen diesen Protokollen wird später noch ausführlich erläutert, die Wahl de Protokolls hat auch eine Auswirkung auf den Preis der Netzwerkkarten. Alle an ein Netzsegment angeschlossenen Rechner müssen das selbe Protokoll verwenden. Zu 2. Die heute üblichen Übertragungsgeschwindigkeiten sind für Token Ring 16Mbps und für Ethernet 10 oder 100 Mbps. Wenn die Karte beide Übertragungsraten unterstützt, ist sowohl die Eingliederung in ältere langsamere Netzsegmente als auch in Fast Ethernet möglich. Diese Karten können entweder softwaremäßig auf eine bestimmte Übertragungsrate eingestellt werden oder diese automatisch an das vorhandene Netz anpassen. Zu 3. Die Art der Verkabelung bestimmt die Anschlußstecker der Netzwerkkarte. Dabei kommen für ältere Ethernet - Netze BNC Stecker, für Fast Ethernet und Token Ring Netze RJ45- Stecker in Frage. Zu 4. Der Kartentyp (ISA,EISA, PCI, PCMCIA wird durch die im verwendeten Rechner freien Einschubplätze sowie den möglichen Datendurchsatz definiert (ISA = Integrated Systems Achitecture, EISA = Extended Industry Standard Architecture, PCI = Peripheral Component Interconnect, PCMCIA = Personal Computer Memory Card International Association). Der maximal mögliche Datendurchsatz beträgt z.b. beim ISA - Bus (16 Bit) Mbps, beim 32 Bit breiten PCI Bus Mbps. Zu 5. Die Hardwarekonfiguration der Netzwerkkarte erfolgt entweder manuell oder automatisch (PNP). 8

9 PnP (Plug and Play) ist ein System bei dem beim Rechnerstart durch das BIOS die vorhandene Hardware analysiert wird. Dabei erfolgt die Festlegung aller Hardwareeinstellungen automatisch. Dieses System kann nur dann sinnvoll funktionieren, wenn alle Komponenten von Hardware über Kartentreiber bis zum Betriebssystem darauf abgestimmt sind. Die Mischung von PnP und anderen Karten führt zu wesentlichen Komplikationen, ebenso die Verwendung von PnP - Karten ohne PnP BIOS. Unabhängig von den obigen Erwägungen sind bei allen Netzwerkkarten folgende Hardwareeinstellungen zu berücksichtigen: I/O - Adresse: Peripherieadresse über die die CPU die Karte anspricht. Diese Adresse muß für alle im System befindlichen Karten verschieden sein, die meisten Karten benötigen nicht nur eine Einzeladresse sondern einen Adreßbereich. Bei Überschneidung dieser Adreßbereiche kommt es zu Hardwarekonflikten und wahrscheinlich zu einem Absturz des Betriebssystems. IRQ (Interrupt Request): Über die IRQ - Leitung fordert die Karte eine Bedienung durch die CPU des Systems an, die Anzahl dieser Anforderungsleitungen ist bei einem PC auf 16 begrenzt (IRQ0 bis IRQ15). Jede Karte muß eine eigene IRQ - Leitung zugeordnet bekommen, IRQ - Konflikte wirken sich ähnlich aus wie I/O - Konflikte. DMA - Kanal: Der Datentransfer zwischen der Karte und dem Hauptspeicher wird über einen DMA - Zugriff ausgeführt. Jeder Karte muß ein eigener Kanal zugewiesen werden, die Gesamtanzahl der Kanäle beträgt bei einem PC 8 (DMA0 bis DMA7). Die Softwaretreiber müssen passend zu den Hardwareeinstellungen konfiguriert werden. Zu 6. Die Netzwerkkarten in Servern und Arbeitsstationen haben grundsätzlich die selbe Funktion, der Datendurchsatz und die Anzahl der installierten Karten ist jedoch bei einem Server wesentlich größer. Um Steckplätze einzusparen gibt es für Server Multiport Karten, die auf einer Steckkarte mehrere Anschlußstecker besitzen. Um die Kartenauslastung und die Fehlertoleranz zu verbessern können die Karten mancher Hersteller (z.b. 3Com oder Intel) zu einer virtuellen Karte gebunden werden, so daß bis zu 8 Karten am selben Netzsegment unter einer logischen Adresse angeschlossen werden können. Bei Ausfall einer dieser Karten übernehmen die anderen automatisch deren Aufgaben. Zu 7. Jede Netzwerkkarte benötigt einen an das verwendete Rechnerbetriebssystem angepaßten Softwaretreiber. Bei den meisten Betriebssystemen werden Treiber für eine große Anzahl von Kartentypen mitgeliefert, bei Verwendung von billigen Noname Karten ist auf das Vorhandensein eines passenden Treibers zu achten. Die meisten Kartenhersteller bieten auf ihren Internetseiten für die verschiedenen Kartentypen aktuelle Treiber (NDIS für die Gruppe der Windows Betriebssysteme beziehungsweise ODI für Novell NetWare) an. Das Vorhandensein aktueller und gewarteter Treiber ist besonders bei Updates der verwendeten Betriebssysteme ein wichtiger Punkt. 9

10 4.2 Netzwerkverkabelung: Kabelauswahl: Die Verkabelung ist das zentrale Rückgrat eines Netzwerkes, die Informationsübertragung erfolgt entweder elektrisch über Kupferleitungen oder optisch über Glasfaserleitungen. Bei der Auswahl des richtigen Kabeltyps sind folgende Kriterien zu berücksichtigen: Kosten: Da die Kabelkosten einen wesentlichen Teil der Netzwerkkosten ausmachen können ist die Auswahl des Kabeltyps von wesentlicher Bedeutung. Dabei sind nicht nur die reinen Kabelkosten sondern auch die Verlegungs- und die Verbindungskosten zu berücksichtigen. Zusätzlich sind dabei die Schwierigkeiten bei der Installation und Wartung der Kabel sowie mögliche spätere Erweiterungen des Netzes zu berücksichtigen. Zuverlässigkeit: Dabei sind sowohl die Auswirkungen bei Auftreten von Kabeldefekten als auch die Entwicklung der angeschlossenen Arbeitsstationen zu berücksichtigen. Die Topologie ist für die Auswirkungen von Kabel- oder Netzwerkkartenschäden maßgeblich, die Bandbreite für die Datenübertragung bei steigender Anzahl der Arbeitsstationen. In Abhängigkeit des Kabeltyps ergibt sich auch eine unterschiedliche Empfindlichkeit gegen elektromagnetische Störungen. Übertragungsgeschwindigkeit: Die Übertragungsgeschwindigkeit wird üblicherweise in Millionen Bits pro Sekunde angegeben. Bei der Auswahl der Verkabelung sollte auf steigende Übertragungsraten in der Zukunft Rücksicht genommen werden, da ein späterer Austausch der Kabel hohe Kosten verursacht. Da die Datenübertragung üblicherweise in Form von Rechtecksignalen erfolgt muß das Übertragungsmedium für hohe Übertragungsgeschwindigkeiten eine sehr große Bandbreite besitzen. Um eine Wiedererkennung des Signals beim Empfänger zu ermöglichen müssen mehrere Harmonische mit geringer Dämpfung übertragen werden. Kabellänge: Je nach Kabeltyp ist die Signalübertragung nur über eine begrenzte Entfernung möglich. Wenn die maximale Entfernung überschritten wird muß ein Repeater (Signalverstärker) eingesetzt werden. Die maximale Kabellänge liegt zwischen mehreren Kilometern bei Glasfaserkabeln bis zu etwa 100 Metern bei UTP (siehe Kapitel 4.2.2). Zusätzlich zur Signaldämpfung ist der Einfluß elektromagnetischer Störungen zu berücksichtigen. Ein weiterer Punkt ist die Anzahl der angeschlossenen Netzwerkknoten pro Kabelsegment, diese ist für die Anzahl der Kollisionen und damit für die mittlere Übertragungsgeschwindigkeit maßgebend. 10

11 4.2.2 Kabeltypen: Twisted Pair: Ein Twisted Pair Kabel besteht aus mehreren Drahtpaaren, die über die gesamte Länge verdrillt sind. Dadurch wird eine größere Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen und eine höhere Bandbreite erreicht. Wenn die verdrillten Drahtpaare noch einen zusätzlichen äußeren Metallschirm besitzen heißt das Kabel STP-Kabel (Shielded Twisted Pair), sonst UTP-Kabel (Unshielded Twisted Pair). Standardisierte (EIA T568A) UTP Kabel besitzen 4 verdrillte Leiterpaare mit folgender Farbcodierung: Paar 1 Blau / Weiß mit blauen Streifen Paar 2 Orange / Weiß mit orangen Streifen Paar 3 Grün / Weiß mit grünen Streifen Paar 4 Braun / Weiß mit braunen Streifen Die EIA (Electronics Industry Association) hat einen Standard eingeführt, in welchem die Kabel in Kategorien eingeteilt werden: Je höher die Kategorie ist, desto mehr Windungen pro Meter besitzt das Kabel und desto besser ist sein Signalleitungsverhalten. Kategorie 1 (Bandbreite < 1MHz): konventionelles Telefonkabel, für schnellere Datenübertragung nicht geeignet Kategorie 2 (Bandbreite 1MHz): geeignet für Datenübertragung bis 4 Mbps Kategorie 3 (Bandbreite 16MHz): Mindeststandard für zeitgemäße Netzwerkverkabelung, geeignet für Datenübertragungsraten bis zu 10 Mbps. Kategorie 4 (Bandbreite 20 MHz): Minimum für 16 Mbps Token Ring Netzwerke, sollte nach Möglichkeit statt Kategorie 3 Kabel verwendet werden. Kategorie 5 (Bandbreite 100 MHz): verwendet für schnelle Netzwerke, es ermöglicht Übertragungsraten bis zu 100 Mbps. Diese Kabel werden in Verbindung mit Glasfaserkabeln in Multimediaanwendungen verwendet. Für neue Hochleistungsnetze (z.b. Gigabit Ethernet) werden Kabel mit noch größerer Bandbreite benötigt, die dafür vorgesehenen Standards sind aber noch nicht endgültig veröffentlicht. Vorgesehen sind Kategorie 6 mit 200 MHz Bandbreite und Kategorie 7 mit 750 MHz Bandbreite. Koaxialkabel: Koaxialkabel werden oft auch als BNC - Kabel bezeichnet nach den verwendeten Verbindungssteckern (BNC - Bayonet-Naur-Connector). Für Netzwerke werden vier verschiedene Varianten von Koaxialkabeln verwendet: RG-8/U: Thick Ethernet, auch als 10Base5 bezeichnet RG-58/U RG58A/U: Thin Ethernet, auch als 10Base2 bezeichnet RG59/U: verwendet für Kabel-TV RG62A/U: verwendet für ARCnet und IBM Terminals 11

12 Die Bezeichnungen der ersten beiden Kabel (nur sie sind für Netzwerke von Bedeutung) haben folgende Bedeutung: 10 steht für die Übertragungsrate in Mbps, Base bedeutet die Signalübertragung im Basisband und die folgende Zahl steht für die maximal zulässige Länge der Kabelverbindungen in 100 Meter. Bei 10Base2 ist die empfohlene Länge allerdings nur 185 Meter. Die Bezeichnung /U oder A/U unterscheidet beim Mittelleiter festen Draht oder Litze. Glasfaserkabel: Bei diesen Kabeln erfolgt die Datenübertragung durch Lichtimpulse, welche auf der Senderseite durch eine Leucht- oder Laserdiode erzeugt werden. Beim Empfänger wird das Lichtsignal über eine Photodiode wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt. Wenn man an einem Ende der Glasfaser eine Laserdiode und am anderen eine Photodiode anbringt, erhält man ein unidirektionales Datenübertragungssystem. Um Lichtverlust zu vermeiden muß der Lichtstrahl so in die Glasfaser eingespeist werden, daß es zu einer Totalreflexion kommt und der Lichtstrahl in der Faser verbleibt. So kann sich der Lichtstrahl mit minimalen Verlusten über große Strecken in der Glasfaser fortpflanzen. Diese Kabel sind völlig unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen und können das Signal über mehrere Kilometer ohne Verstärker transportieren. Außerdem bieten sie mehr Sicherheit gegen unerlaubtes Anzapfen. Abbildung 4.1 zeigt die Verhältnisse der Lichtbrechung bei verschiedenen Eintrittswinkeln des Lichtstrahles (a) sowie die Verhältnisse bei Totalreflexion in der Glasfaser (b). Übergang Glasfaser / Hülle β α a Bild 4.1 Reflexion in der Glasfaser b Es werden zwei verschiedene Kabelarten verwendet: Single - Mode: ein Lichtsignal (einer Frequenz) wandert durch das Kabel, verwendet für FDDI (Fiber Distributed Data Interface) Netzwerke. Multimode - Kabel: Mehrere Lichtsignale wandern gleichzeitig durch das Kabel, dies verringert den Datendurchsatz. 12

13 Der Vorteil von Glasfaserkabeln ist die hohe Datenübertragungsrate (etwa 1000 Mbps) sowie die Störunempfindlichkeit und geringe Signaldämpfung. Als Nachteil muß man die höheren Kabel- und Verlegungskosten nennen. Sie werden daher meist nur für Backboneverbindungen eingesetzt, die Verbindungen zu den Arbeitsstationen werden mit UTP ausgeführt Verbindungen: Für jeden Kabeltyp werden unterschiedliche Steckertypen verwendet. Auch die Steckverbindungen der Netzwerkkarte müssen dem verwendeten Kabeltyp entsprechen. BNC - Stecker: Diese Stecker werden für RG58 - Kabel verwendet. Dabei sind 3 verschiedene Arten notwendig: Stecker T - Stücke Abschlußwiderstände (50Ω) Da das RG58 - Kabel für Bustopologie verwendet wird werden die Netzwerkkarten über T - Stücke angeschlossen, an den Enden des Kabels muß je ein Abschlußwiderstand angeschlossen sein. RJ-45: (RJ ist die Abkürzung für Registered Jack) Dieser 8 polige kleine Kunststoffstecker wird für den Anschluß von UTP - Kabeln verwendet. 1 8 Kontakte Zugentlastung UTP - Kabel Bild 4.2 RJ45 Stecker Für Netzwerkverbindungen werden die Kontakte 1-2 und 3-6 mit je einem verdrillten Adernpaar für die Sende- und Empfangsleitung belegt. Bei Anschluß aller 8 Kontakte sind folgende Verdrahtungen standardisiert: 13

14 EIA-T568A: PIN 8 PIN 7 Paar 4 Braun PIN 6 PIN 5 PIN 4 Paar 1 Blau Paar 2 Orange PIN 3 PIN 2 PIN 1 Paar 3 Grün EIA-T568B: PIN 8 PIN 7 Paar 4 Braun PIN 6 PIN 5 PIN 4 Paar 1 Blau Paar 2 Grün PIN 3 PIN 2 PIN 1 Paar 3 Orange Für Verbindungskabel mit 2 RJ45 Steckern werden beide Stecker gleich angeschlossen, das Auskreuzen von Sende- und Empfangsleitung erfolgt in den aktiven Netzwerkkomponenten (Hubs oder Switches). Die zusammengehörigen Adernpaare sind im Kabel farblich gekennzeichnet. Nur bei Verwendung der zugehörigen Leiter eines Paares ist die volle Übertragungsgeschwindigkeit von 100 MBPS gewährleistet. Glasfaserkabelverbinder: Bei Glasfaserkabeln sind die Steckverbinder ein wesentlicher Teil der Verkabelung, da in den Verbindern eine höhere Signaldämpfung auftritt als in den Kabeln. Wenn möglich werden daher für kürzere Verbindungen vorkonfektionierte Kabel verwendet. 14

15 Für Netzwerkverbindungen sind zwei verschiedene Stecker in Verwendung: SMA - Stecker (Screw Mounted Adapter) verwendet für IBM Token Ring Netze ST / SC - Stecker (Straight Tip / Subscriber Connector)) für allgemeine Netzwerkverbindungen 4.3 Netztopologie: Bei der Netztopologie muß man zwischen der physikalischen und der logischen Topologie unterscheiden. Physikalische Topologie: Sie beschreibt wie die einzelnen Rechner hardwaremäßig miteinander verbunden sind. Dazu gehören die Verkabelung, die Stecker, die Netzwerkkarten und die Hubs. Logische Topologie: Sie beschreibt, wie ein Signal zwischen den angeschlossenen Rechnern übertragen wird Physikalische Topologien: Direktverbindung: Bei diesem System besteht zwischen allen angeschlossenen Rechnern eine Kabelverbindung. Das System erfordert eine sehr große Kabelanzahl, wird daher in der Praxis nicht verwendet. Bei n angeschlossenen Rechnern müßte man n(n-1)/2 Verbindungen legen. PC1 PC5 PC2 PC4 PC3 Bild 4.3 Direktverbindung 15

16 Sterntopologie: Bei der Sterntopologie sind alle Netzwerkgeräte mit einem zentralen Gerät verbunden, das je nach Netzwerktyp als HUB (Ethernet) oder MAU (Multistation Access Unit bei IBM Token Ring) bezeichnet wird. Die sternförmige Anordnung der Geräte erleichtert die Kabelführung sowie das Auffinden und Beheben von Fehlern in der Verkabelung und den angeschlossenen Netzwerkkarten. Manche Hubs überwachen die angeschlossenen Geräte automatisch und schalten fehlerhafte Verbindungen ab, die Funktion des übrigen Netzes wird dadurch nicht beeinträchtigt. Der Nachteil der Sterntopologie ist der größere Kabelaufwand im Vergleich zur Bustopologie. PC1 PC2 PC3 PC4 HUB MAU PC5 SERVER PC7 PC6 Bild 4.4 Sterntopologie Bustopologie: Die Bustopologie wird auch manchmal als daisy chaining bezeichnet, das Kabel läuft von einem Netzwerkknoten zum anderen, so daß diese wie auf einer Kette aneinandergereiht sind. Das am weitesten verbreitete Beispiel für die Bustopologie ist Ethernet. Es gibt die zwei Arten Thick Ethernet (10Base5) und Thinnet (10Base2). Bei Thick Ethernet wird der Bus durch ein dickes Koaxialkabel gebildet, an das die Geräte über Transceiver angeschlossen werden, bei Thinnet erfolgt die Geräteverbindung über RG58 - Kabel und T - Stücke direkt an den Netzwerkkarten. In beiden Fällen müssen die Kabelenden durch Abschlußwiderstände terminiert werden um Reflexionen auszuschalten. 16

17 SERVER PC1 PC2 PC3 PC4 T T Bild 4.5 Thick Ethernet SERVER PC1 PC2 PC3 PC4 T T Bild 4.6 Thinnet 10BaseT: Thick Ethernet wird üblicherweise in Mainframe- und Minicomputernetzen verwendet, Thinnet in PC - Systemen. Der Vorteil des Bussystems ist der geringere Kabelbedarf, der Nachteil die größere Störanfälligkeit. Bei Kabelbruch oder Ausfall eines Netzknotens steht das gesamte Netz. Bei größerer Rechneranzahl ist daher eine Segmentierung in mehrere durch eine Backbone verbundene Teilnetze zu empfehlen. Dies vermindert überdies die Kollisionshäufigkeit und verbessert den Datendurchsatz. Jedes Segment sollte nicht mehr als 15 bis 30 Rechner enthalten. Diese Topologie ist eine Mischung aus Stern- und Bustopologie welche die Vorteile beider Systeme vereinigt. Die längeren Verbindungen werden mittels RG58 - Kabel gemacht, die Verdrahtung der Rechner innerhalb des Raumes oder Stockwerks erfolgt mittels Hub und UTP - Kabel. 17

18 PC1 PC2 PC3 PC1 PC2 PC3 T PC4 T PC4 HUB 1 PC5 HUB 2 PC5 SERVER PC7 PC6 SERVER PC7 PC6 Bild BaseT Logische Topologien: Die logische Topologie beschreibt die Art wie ein Netzwerk die Information von einem Knoten zum anderen transportiert. Grundsätzlich muß dabei folgende Information vorliegen: Adresse des Empfängers Adresse des Senders zu übertragende Daten Die logische Topologie bestimmt das Format des Datenpaketes, die Menge der übertragbaren Daten und die Überwachung der Datenübertragung über das Netzwerk. Bustopologie: Ethernet ist das am weitesten verbreitete Beispiel für eine logische Bustopologie, obwohl ein Ethernet - Netz nicht immer eine physikalische Bustopologie besitzen muß (z.b. 10BaseT). Jeder Knoten, der Daten über das Netz überträgt, macht diese dem gesamten Netz zugänglich. Alle angeschlossenen Rechner lesen die Daten und überprüfen die Empfängeradresse. Der Knoten, an den das Paket adressiert ist, behält die Daten, alle anderen Knoten ignorieren sie. Um dies möglich zu machen müssen alle Knoten bei der Datensendung ein definiertes Datenformat verwenden, das Data Link Layer Frame Format. Außerdem muß jede Netzwerkkarte eine unverwechselbare eindeutige Adresse besitzen, diese ist bei Ethernet - Netzwerkkarten 48 Bit lang. Die Form des Datenrahmens für ein übertragenes Datenpaket zeigt Bild

19 Preamble 8 Bytes Destination Address 6 Bytes Source Address 6 Bytes Message Type (Length) 2 Bytes Data Bytes Frame Check Sequence 4 Bytes Bild 4.8 Ethernet Datenrahmen Die Paketlänge ist begrenzt um zu verhindern, daß ein Knoten das Netz zu lange in Anspruch nimmt und so die anderen angeschlossenen Knoten blockiert. Die genauere Beschreibung der Teile dieses Datenrahmens erfolgt später bei der Besprechung den Standards. Jeder sendewillige Knoten muß zunächst überprüfen, ob das Netz frei ist. Wenn dies nicht der Fall ist muß er warten, bis die Datenübertragung eines anderen Knotens abgeschlossen ist. Bei dieser Übertragungsmethode ist das größte Problem die Länge der Übertragungsleitung. Wenn die Entfernung zwischen zwei Knoten zu groß ist können sie einander nicht hören und beginnen eventuell gleichzeitig mit der Sendung eines Datenpaketes. Dieser Fall wird als Kollision bezeichnet. Die Anzahl der Kollisionen steigt mit zunehmender Kabellänge und Anzahl der am Kabelsegment angeschlossenen Rechner. Dies führt zu einer Verminderung der Übertragungsrate des Netzes. Datendurchsatz Anzahl der aktiven Knoten Bild 4.9 Datendurchsatz bei Kollisionen Das Auftreten einer Kollision führt zur Überlagerung der Frequenzen auf dem Kabel wodurch die Pakete unleserlich werden. Die genauere Besprechung der Kollisionsbehandlung erfolgt bei der Beschreibung des IEEE Standards. Ethernet ist nicht das einzige Beispiel einer logischen Bustopologie aber das am weitesten verbreitete. Andere Beispiele sind StarLAN (AT&T), LANtastic (ArtiSoft) und AppleTalk (Macintosh). 19

20 Token Ring Topologie: Token Ring ist eine von der Firma IBM verwendete Netztopologie die anfangs eine Übertragungsrate von 4 Mbps besaß und 1989 auf 16Mbps ausgebaut wurde. Token Ring verwendet eine logische Ringstruktur, wird aber physikalisch als Stern aufgebaut. Die Verdrahtung wird ähnlich der eines 10BaseT - Ethernetnetzes aufgebaut, statt Hubs werden MAUs eingesetzt. Basis dieser Topologie ist das token packet. Nur die Station, die die Kontrolle über das token packet besitzt, darf Information über das Netzwerk übertragen. Dadurch wird sichergestellt, daß immer nur eine einzige Datenübertragung über das Netz stattfindet. Jede Arbeitsstation gibt den Token an die nächste innerhalb des Rings weiter. Wird dieser nicht angenommen sendet ihn die Arbeitsstation ein zweites Mal aus. Wenn auch dieser nicht akzeptiert wird sendet die Station allgemeine Anfrage nach der nächstfolgenden Station (solocit successor frame) aus und übergibt den Token dann an die antwortende Station. Kein Knoten kann länger als die Laufzeit des Datenpaketes durch den Ring senden, dann bekommt der nächste Knoten das Senderecht. Im Gegensatz zu Ethernet sind die Sendechancen für alle angeschlossenen Knoten gleich groß. Token Ring Netze sind teurer als Ethernet Netze, das Lokalisieren und Beheben von Fehlern ist aber einfacher. Für große Netze ist Token Ring daher oft die wirtschaftlichere Variante. 4.4 Netzwerkorganisation: Je nach Stellung der am Netz angeschlossenen Teilnehmer zueinander kann man zwei verschiedene Organisationsformen unterscheiden: Client/Server Netzwerke: Ein zentraler Rechner (Server) übernimmt die gesamte Netzwerkverwaltung und bearbeitet alle Anfragen der angeschlossenen Arbeitsstationen (Clients). Bei größeren Netzen können auch mehrere Server die Verwaltung übernehmen. Client/Server Netzwerke haben folgende Vorteile: sie sind leicht erweiterbar sie geben dem Netzverwalter volle Kontrolle über das gesamte Netz sie bieten größere Sicherheit vor unbefugtem Eindringen Der Nachteil dieser Organisationsform ist der höhere Anschaffungspreis (zumindest ein Rechner mehr als Server und ein eigenes Netzwerkbetriebssystem) und der größere Aufwand bei der Installation und dem Hinzufügen neuer Benützer. Bei den Servern kann man zwei Arten unterscheiden: Dedicated Fileserver: Nondedicated Fileserver: der Rechner arbeitet ausschließlich als Server der Rechner führt neben der Netzwerksoftware noch andere Programme aus, er kann auch als Arbeitsstation verwendet werden. 20

21 Die zweite Art hat den Nachteil, dass die Gefahr eines Serverabsturzes besteht wenn ein Arbeitsprogramm den Rechner blockiert. Diese Art kommt daher bei größeren Netzen nicht zur Anwendung. Auf dem Server läuft ein spezielles Netzwerkbetriebssystem. Beispiele dafür sind NOVELL in der Version 3.X (zentrale Netzwerkserver) 4.X (dezentrale Server über mehrere Rechner verteilt) bzw. 5.X sowie WINDOWS NT Server 3.X, 4 oder Diese Netzwerkbetriebssysteme überwachen die An- und Abmeldung der einzelnen Arbeitsstationen und stellen für alle Benützer Plattenspeicherplatz und gemeinsame Dateien und Peripheriegeräte (z.b. Drucker) zur Verfügung. Sie verwalten außerdem alle Zugriffsberechtigungen (abhängig von Anmeldenamen und Kennwort) auf Ebene von Laufwerken, Verzeichnissen und Dateien. Auf den Arbeitsstationen läuft ein speicherresidentes Programm, das die Kommunikation zwischen dem Betriebssystem der Arbeitsstation und dem Netzwerkbetriebssystem am Server ermöglicht Peer-to-Peer Netzwerke: Dies ist eine neuere Organisationsform eines Netzwerkes, die aus mehreren unabhängigen Rechnern mit eigenen Plattenspeichern und eigenen Anwendungsprogrammen besteht. Die auf den Arbeitsstationen laufenden Betriebssysteme erlauben diesen ein Doppelleben als Arbeitsstation und als Fileserver. Über das Netz kann jeder Rechner auf Verzeichnisse, Dateien und Peripheriegeräte der anderen angeschlossenen Rechner zugreifen, bei Netzausfall bleiben alle Rechner als Einzelrechner voll funktionsfähig. Einige Beispiele für solche Betriebssysteme sind WINDOWS 3.11, WINDOWS 95/98 oder WINDOWS NT/2000. Peer-to-Peer Netzwerke haben folgende Vorteile: die Kosten sind geringer als bei Client/Server Netzwerken der Datenaustausch zwischen mehreren Rechnern ist einfach es können bei Peripheriegeräten Kosten gespart werden der Aufbau und der Betrieb erfordern weniger Aufwand Der Nachteil dieser Organisationsform ist die begrenzte Größe des Netzes und die geringere Sicherheit. Die Kontrolle des gesamten Netzes durch einen Administrator ist nicht oder zumindest nicht einfach möglich. Jeder angeschlossene Benützer entscheidet selbst welche Verzeichnisse oder Geräte er freigibt und welche Zugriffsrechte die anderen Benützer auf den freigegebenen Verzeichnissen haben. Dieses System macht ein generelles Sicherheitskonzept mit abgestuften Zugriffsberechtigungen praktisch unmöglich. Aufgrund der oben beschriebenen Vor- und Nachteile kommt diese Netzform nur in begrenzten Bereichen mit wenigen Rechnern zur Anwendung. 21

22 4.5 Das OSI - Modell: Um den Austausch größerer Datenmengen verschiedener Rechner über ein Netzwerk zu ermöglichen, müssen in Sender und Empfänger mehrere Prozesse nach gleichen Regeln durchlaufen werden. Um die Komplexität gering zu halten ist dieser Vorgang in mehrere Schichten strukturiert, die jeweils einen bestimmten Dienst für die übergeordneten Schichten ausführen wurde von der ISO (International Standardization Organization) das OSI - Referenzmodell (Open Systems Interconnection) veröffentlicht, das in sieben Schichten gegliedert ist. Anwendung Application Darstellung Presentation Sitzung Session Transport Vermittlung Network Sicherung Data Link Bitübertragung Physical Bild 4.10 OSI 7 Schichten Modell Das Modell gliedert den komplexen Vorgang der Datenübertragung in kleine Aufgaben, für jede Aufgabe wurde eine eigene Schicht sowie eigene Protokolle definiert (protocol stack). Die in der Praxis verwendeten Protokoll Stacks haben weniger Schichten als das Referenzmodell, da die Protokollschichten mehrere im Referenzmodell aufgegliederte Aufgaben realisieren. Dies liegt zum Teil daran, daß die meisten Übertragungsprotokolle vor der Veröffentlichung des OSI Referenzmodells entwickelt wurden. Jede Schicht stellt der übergeordneten einen Übertragungsdienst zur Verfügung. Die Nutzdaten der übergeordneten Schicht werden in einen Datenrahmen gepackt und mit einem eigenen Header versehen. Die so gepackten Daten werden an die nächste Schicht weitergegeben. 22

23 Das folgende Bild 4.11 zeigt an einem Beispiel die Datenübertragung zwischen Sende- und Empfangsprozeß nach dem OSI - Modell. Senderprozeß Anwendung Application Darstellung Presentation Sitzung Session Daten AH Daten PH Daten SH Daten Empfängerprozeß Anwendung Application Darstellung Presentation Sitzung Session Transport Vermittlung Network Sicherung Data Link Bitübertragung Physical Bild 4.11 DH NH TH Daten Daten Daten Übertragene Bits Transport Vermittlung Network Sicherung Data Link Bitübertragung Physical Datenübertragung nach dem OSI - Modell Bitübertragungsschicht (Physical Layer): Diese Schicht beschäftigt sich mit der Übertragung eines Bitstreams über einen Kommunikationskanal (z.b. UTP- oder Koaxialkabel). Die Daten werden von der darüberliegenden Sicherungsschicht übernommen und über das physikalische Medium übertragen. Auf dieser Ebene sind folgende Definitionen zu treffen: Mechanische Festlegungen: Form der Stecker und Pinbelegungen Elektrische Festlegungen: Spannungspegel und Übertragungsgeschwindigkeit Prozedurale Festlegungen: Zustandekommen und Auflösen einer Verbindung, Handshakesignale Die Datenübertragung erfolgt in den meisten Fällen digital, nur bei kabellosen Netzen oder Fernanbindung über Telefonleitungen werden Analogsignale übertragen. Alle Standardnetze mit Kupfer- oder Glasfaserleitungen übertragen Binärsignale. Bei Kupferleitungen werden die logischen Zustände 1 und 0 durch positive bzw. negative Spannungen realisiert. Die absolute Größe der Spannung ist nicht relevant, die Wechsel von einem Spannungswert zum anderen enthalten die Information. 23

24 Bild 4.12 zeigt die Binärsignalübertragung in polarer Kodierung. +U U Bild 4.12 Polare Kodierung Diese Kodierung ist die einfachste, hat aber einen großen Nachteil. Wenn die Binärdaten eine größere Anzahl aufeinanderfolgender Nullen oder Einser besitzen kommt es für einige Bitzellen zu keinem Wechsel der Spannungspolarität. Wenn Sender und Empfänger keine vollständig synchronisierten Takte besitzen, kann der Empfänger die Anzahl der Nullen oder Einser nicht mehr präzise feststellen und es kommt zu Erkennungsfehlern. Es ist daher besser eine Kodierung zu wählen, bei der in jeder Bitzelle ein Polaritätswechsel der Spannung auftritt, dadurch können Sender und Empfänger synchronisiert werden. Die Manchester Kodierung liefert in der Mitte jeder Bitzelle einen Polaritätswechsel der Spannung, der Wert der Zelle wird durch den Richtungswechsel der Spannung bestimmt. Eine fallende Flanke (von positiver zu negativer Spannung) zeigt den Zellenwert 0 an, eine steigende Flanke den Zellenwert 1. Die Spannungswechsel am Anfang der Bitzellen bereiten nur die richtige Flanke in der Zellenmitte vor, sind aber wertmäßig bedeutungslos. Bild 4.13 zeigt die Kodierung des Bitstromes in der Manchester Kodierung. +U U Bild 4.13 Manchester - Kodierung Diese Kodierung wird bei Ethernet Netzen verwendet. Token Ring Netze verwenden eine andere Kodierung mit der Bezeichnung Differentielle Manchester Kodierung. Auch diese Kodierung besitzt in der Mitte der Bitzelle einen Polaritätswechsel der Spannung für die Synchronisation, hier ist die Richtung des Spannungswechsels für den Wert der Bitzelle aber bedeutungslos. Der Zellenwert wird durch das Vorhandensein oder Fehlen einer Flanke am Zellenbeginn bestimmt, bei Vorhandensein der Flanke ist der Zellenwert 0, bei Fehlen einer Flanke 1. Wie bei der Flanke in der Zellenmitte ist die Richtung des Spannungswechsels am Zellenbeginn für den Zellenwert unerheblich. 24

25 Bild 4.14 zeigt die Kodierung des Bitstroms in der Differentiellen Machester Kodierung. +U U Bild 4.14 Differentielle Manchester Kodierung Bei Verwendung von Glasfaserleitungen wird im Allgemeinen die selbe Kodierung wie bei Kupferleitungen verwendet, an die Stelle von Spannungspolaritäten treten Lichtimpulse Sicherungsschicht (Data Link Layer): Diese Schicht ist für die Datenübertragung über die physikalische Verbindung verantwortlich,sie stellt die Verbindung zwischen dem Protokollstack des Rechners und dem Netzwerkmedium dar. Die Protokolle dieser Schicht beinhalten folgende Festlegungen: Das Format des Datenrahmens in den die Daten der übergeordneten Schicht gepackt werden Den Zugriffsmechanismus der Rechner auf das gemeinsam genützte Netzwerkmedium Die Richtlinien für den Aufbau der Bitübertragungsschicht des Netzwerkes Die zu übertragenden Daten werden in Datenübertragungsrahmen (Data Frame) von einigen hundert Bytes unterteilt, mit einem Protokollkopf (header) und einem Schlußblock (footer) versehen und an die Bitübertragungsschicht weitergegeben. Der Protokollkopf enthält die Adressen von Sender und Empfänger, in diesem Layer werden die in der Netzwerkkarte hardwaremäßig festgelegten MAC Adressen verwendet. Die Protokolle dieser Schicht leisten nur einen Datentransport an einen Knoten auf demselben Netzsegment, die Bestimmung des Weges vom Sender zu einem weiter entfernten Empfänger (Routing) ist in der nächsthöheren Schicht realisiert. Da die Protokolle dieses Layers verschiedene Protokolle auf höheren Schichten unterstützen sollen (z.b. IP oder IPX), wird in den Datenrahmen eine Kennung des verwendeten übergeordneten Protokolls integriert. Dadurch wird der weitere Weg des Datenpaketes durch der Protokollstack beim Empfänger festgelegt. Im Gegensatz zu allen anderen Schichten fügt diese Schicht den Daten nicht nur einen Protokollkopf an sondern auch einen Schlußblock, dieser wird für die Erkennung von Übertragungsfehlern verwendet. Üblicherweise wird der Datenrahmen einer CRC Überprüfung unterzogen. Bei Auftreten von Übertragungsfehlern wird das betreffende Datenpaket ohne weitere Rückmeldungen vernichtet. Die Feststellung fehlender Datenpakete und Veranlassung einer neuerlichen Übertragung wird in übergeordneten Schichten realisiert. Für die Zugriffkontrolle auf das Netzwerkmedium sind zwei verschiedene Systeme gebräuchlich, CSMA/CD für Ethernet und Token für Token Ring Netze. Beide Systeme werden später anhand der zugehörenden Datenrahmen ausführlich besprochen. 25

26 4.5.3 Vermittlungsschicht (Network Layer): Im Gegensatz zu den Protokollen des Data Link Layer, die die Datenpakete nur zu einem Knoten auf dem selben Netzsegment befördern können, legen die Protokolle dieser Schicht den Weg des Datenpaketes vom Sender zum Empfänger fest. Die Protokolle dieser Schicht übernehmen die Daten der Transportschicht, verpacken sie in einen Datenrahmen, versehen diesen mit der Sender- und Empfängeradresse und geben ihn an die untergeordnete Schicht weiter. Zusätzlich zur Adressierung erfüllen die Protokolle dieser Schicht folgende Aufgaben: Routing Fragmentierung Fehlerkontrolle Kennzeichnung des Protokolle der Transportschicht Da Sender und Empfänger an verschiedenen Netzen angeschlossen sein können, muß ein Übergang von einem Netz zu einem anderen möglich sein. Die Festlegung dieses Weges kann in Form einer statischen Routing-Tabelle oder dynamisch für wechselnde Verbindungen zur optimalen Ausnützung der Netzwerkverbindungen erfolgen. Die Vermittlungsschicht schirmt die übergeordneten Schichten auch von Details der Netzwerktopologie ab. Bild 4.15 zeigt die Arbeitsweise eines Routers. Sender Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical Router Network Data Link Physical Empfänger Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical Netz1 Netz2 Bild 4.15 Arbeitsweise eines Routers Für die Vermittlungsschicht gibt es zwei Arten von Systemen: Endsysteme (Sender und Empfänger) oder Vermittlungssysteme (Router). In Endsystemen wandert das Datenpaket durch alle Schichten, in Vermittlungssystemen nur bis Layer 3. Der Router liest die Zieladresse, stellt das Datenpaket direkt zu wenn der Empfänger an einem Netz des Routers angeschlossen ist oder gibt das Paket an den nächsten Router weiter. 26

27 Die Bestimmung des weiteren Weges des Datenpaketes erfolgt anhand der Routing Tabelle. Die Funktion eines Routers und der Aufbau der Routingtabelle werden später in einem eigenen Punkt besprochen. Da Router Netze mit verschiedenen Data Link Protokollen verbinden können, ist es manchmal notwendig die Datenpakete in kleinere Einheiten zu unterteilen. Die maximale Datenlänge beträgt z.b. bei Token Ring 4500 Bytes, bei Ethernet aber nur 1500 Bytes. Die von Routern fragmentierten Datenpakete werden erst beim Empfänger wieder zusammengesetzt Transportschicht (Transport Layer): Die Transportschicht ermöglicht die zuverlässige Datenübertragung zwischen Sender- und Empfängerrechner (im Gegensatz dazu arbeiten die untergeordneten Schichten immer nur zu der nächsten für die Übertragung notwendigen Maschine).Bei verbindungsorientierten Protokollen (wie z.b. TCP) baut die Transportschicht die Verbindung zwischen Datensender und -empfänger auf und löst sie nach Ende der Datenübertragung. Sie bestimmt den verwendeten Transportkanal und paßt die Sende- der Empfangsgeschwindigkeit an Sitzungsschicht (Session Layer): Die Sitzungsschicht ist für den Aufbau und die Abwicklung der Kommunikation zwischen verschiedenen Anwendungen verantwortlich. Sie kontrolliert die Richtung und Geschwindigkeit des Datentransfers und legt die Übertragungsart fest. Die Übertragung ist in drei verschiedenen Modi möglich: Full Duplex: gleichzeitige Datenübertragung in beide Richtungen Half Duplex: Übertragung in beide Richtungen jeweils abwechselnd Simplex: Datenübertragung nur in eine Richtung In Abhängigkeit des Übertragungsmodus muß die Sitzungsschicht auch die Sende- und Empfangszeiten der beteiligten Anwendungen festlegen. Eine andere wichtige Aufgabe der Sitzungsschicht ist die zuverlässige Korrektur von Übertragungsfehlern bei möglichst geringem Aufwand. Bei Auftreten eines Fehlers soll nur der kleine fehlerhafte Teil der Daten neuerlich gesendet werden, nicht der gesamte Datensatz Darstellungsschicht (Presentation Layer): Die Darstellungsschicht soll Unterschiede in der Datensyntax der kommunizierenden Prozesse ausgleichen indem sie diese in eine allgemeine Form bringen. Diese Syntaxunterschiede können durch die unterschiedlichen Hardwareplattformen der beteiligten Rechner und Betriebssysteme entstehen (z.b. Darstellung von Gleitkommazahlen oder Characters). Die Darstellungsschicht kann auch durch Datenkompression die Anzahl der zu übertragenden Bits reduzieren oder durch Kryptographie die Vertraulichkeit der Daten schützen Anwendungsschicht (Application Layer): Die Anwendungsschicht enthält Protokolle für den Datenverkehr in OSI - Umgebungen (verbundene Rechner mit stark unterschiedlichen Hardwareplattformen und Betriebssystemen). 27

28 Dabei können z.b. unterschiedliche Dateiformate oder Bildschirmauslegungen ausgeglichen werden. Auf jeder Hardwareplattform läuft dann eine Anwendung, die von der genormten Schnittstelle der Anwendungsschicht die Daten in die spezielle Umgebung ihres Betriebssystems übernimmt. 5. Netzwerkprotokolle: 5.1 Ethernet: Ethernet ist das in den meisten LANs verwendete Protokoll im Data Link Layer. In den letzten zwanzig Jahren wurden mehrere Versionen dieses Protokolls entwickelt, die neuesten Versionen führten zu einer wesentlich erhöhten Übertragungsgeschwindigkeit. Technisch gesehen ist das Protokoll connectionless und unreliable, das heißt es arbeitet nicht verbindungsorientiert und es gibt keine Rückmeldung für den erfolgreichen Transport eines Datenrahmens. Diese Dienste sind den übergeordneten Schichten überlassen. Der Datenrahmen wird beim Empfänger zwar einer CRC Prüfung unterzogen, bei Auftreten eines Fehlers wird das Datenpaket aber ohne weitere Rückmeldungen vernichtet. Zu Beginn (70er Jahre) wurde das Protokoll für die Datenübertragung mit einer dicken Koaxialleitung mit einer Geschwindigkeit von maximal 10Mbps entworfen, der 1982 veröffentlichte DIX Standard Ethernet II (DIX ist die Abkürzung für die Firmen DEC, Intel und Xerox) hat das System auf das dünnere und flexiblere RG58 Koaxialkabel erweitert. Dieses Netz wurde Thin Ethernet, ThinNet oder Cheapernet genannt. Da die Bezeichnung Ethernet ein Markenzeichen der Firma Xerox war wurde der internationale Standard 1985 unter dem Titel IEEE CSMA/CD Access Method and Physical Layer Specifications veröffentlicht, er beschreibt bis auf kleine Abweichungen die Ethernet Protokolle. Alle heute unter dem Namen Ethernet verkauften Produkte entsprechen diesem IEEE Standard (IEEE = Institute of Electrical and Electronic Engineers). Im Gegensatz zu Ethernet II, das den Data Link Layer als Einheit behandelt, teilt der Standard diesen in zwei Teilschichten, LLC (Logical Link Control, definiert im Standard 802.2) und MAC (Media Access Control). Der MAC Layer definiert den Zugriffsmechanismus der einzelnen Knoten auf das Netzwerkmedium, alle in den 802 Standards definierten Protokolle besitzen die selben Schnittstellen zum LLC Layer (z.b. auch Token Ring). Ab dem 1990 veröffentlichten Standard wurden zusätzliche Übertragungsmedien aufgenommen (z.b. UTP und Glasfaserkabel). Der Fast Ethernet Standard IEEE 802.3u wurde 1995 veröffentlicht und verzehnfachte die Übertragungsgeschwindigkeit des Netzes aud 100Mbps, dies ist nur mehr mittels der Übertragungsmedien UTP und Glasfaser möglich. Die neueste Variante von Ethernet, Gigabit Ethernet, wird in IEEE 802.3z definiert und erhöht die Übertragungsgeschwindigkeit auf 1000 Mbps CSMA/CD (Carrier Sensing Multiple Access with Collision Detection): Der IEEE Standard regelt den Zugriff mehrerer Netzwerkknoten auf das gemeinsame Netzwerkmedium ohne Datenverlust. In Ethernet Netzen gibt es keine Prioritäten, alle angeschlossenen Knoten haben dasselbe Recht auf das gemeinsame Netzwerkmedium zuzugreifen. 28