Computernetzwerke -- Von den Grundlagen zur Funktion und Anwendung

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1 Rüdiger Schreiner Computernetzwerke -- Von den Grundlagen zur Funktion und Anwendung ISBN-10: ISBN-13: Inhaltsverzeichnis Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel

2 Inhalt 1 Netzwerke zur Geschichte Netzwerke, der Beginn Definition eines Netzwerkes Das OSI-Modell Übersicht über das OSI-Modell Layer I, die physikalische Schicht (Physical) Layer II, die Sicherungsschicht (Data Link) Layer III, die Vermittlungsschicht (Network) Layer IV, die Transportschicht (Transport Layer) Layer V, die Kommunikations-/ Sitzungsschicht (Session) Layer VI, die Darstellungsschicht (Presentation) Layer VII, die Anwendungsschicht (Application) Übertragungswege im OSI-Modell Allgemeine Bemerkungen Layer I des OSI-Modells Die Medien Die Thin-Wire-Verkabelung (Koaxialkabel) Die Restriktionen der Koaxialverkabelung Verlegung der Koaxialverkabelung Kleiner Exkurs in die Physik Bussysteme Vor- und Nachteile der Koaxialverkabelung Die universelle Gebäudeverkabelung (UGV) Kabeltypen Twisted Pair Verlegung der universellen Gebäudeverkabelung Geräteverbindungen Glasfaser Exkurs Physik Glasfasertypen, Lichtwellenleiter, Effekte Lichtleitung in der Faser Die Stufenindexfaser Längenbeschränkung und Grenzen/Dispersion V

3 Inhalt Die Gradientenindexfaser Die Mono- oder Singlemode-Faser Dispersion allgemein Verlegung und Handhabung Laser sind gefährlich High-Speed-Verfahren Die Gesamtverkabelung Kabeltypen/Dateneinspeisung/Entnahme Kabeltypen Kabelkategorien Transceiver Zugriffsverfahren CSMA/CD Defekte Collision Detection/Carrier Sensing Andere Verfahren kollisionsfreie Verfahren CSMA/CA Token Ring Token Bus Layer II, die Sicherungsschicht Adressen Adressermittlung/ARP Trennung der Kollisionsbereiche/Bridges Bridges, die Vermittler im Netz Versteckte Bridges, Layer II im Hub? Für Interessierte: High-Speed-Bridging Der Meister der Brücken, der Switch Geswitchte Topologien Verminderung der Kollisionen Switches erhöhen die Security Keine Kollisionen keine Detection, Duplex Loops das Netzwerk bricht zusammen Loops verwirrte Bridges Spanning Tree, Loops werden abgefangen Probleme mit dem Spanning Tree Layer II-Pakete Anmerkungen zu den Geräten Layer III, die Vermittlungsschicht Neue Adressen Adressklassen Subnetze IV. 4. Besondere Adressen Segmentierung der Netze Wer gehört zu welchem (Sub-)Netz?...74 VI

4 Inhalt Kommunikation in und zwischen LANs Die Subnetzmaske Der Router, Weiterleitung auf Layer III Das Spiel mit den Layer II-Adressen Reservierte und spezielle Adressen Multicast-Adressen/Testadressen Private Adressen APIPA, Automatic Private IP Addressing Superprivate Adressen Das IP-Paket Das Verfallsdatum TTL Fragmentierung von IP-Paketen, MTU Routing, die weltweite Wegfindung Distance Vector und Link State Statisches und dynamisches Routing, nah und fern Beeinflussung der Routen, Failover Das Domain Name System DNS Zuordnung Namen zu Adressen Auflösung der Adressen, Forward Lookup Auflösung der Namen, Reverse Lookup Namen auflösen, nslookup Automatische Vergabe von Adressen, DHCP Windows-Namen Single-, Broad- und Multicast Broad- und Multicast auf Layer II und III PING und TRACEROUTE, kleine Helfer Layer IV, die Transportschicht Ports und Sockets Das Transmission Control Protocol Das TCP-Datagram TCP-Verbindungen Das User Datagram Protocol Das UDP-Datagram Security auf Layer III und IV, Router und Firewall Unterschiede zwischen Router und Firewall Zonen einer Firewall Mehr Intelligenz bei der Weiterleitung/DMZ Firewall-Philosophien NAT, PAT und Masquerading VLANs, virtuelle Netze VLAN-Kennung, Tags Trunks Verkehr zwischen VLANs VLAN-Transport, Trunk zum Router VII

5 Inhalt 6.5 Vorteile der VLANs Grenzen der VLANs Bemerkungen zu VLANs Erweiterungen der VLAN-Umgebungen Spanning-Tree Pruning Eigene IP-Adresse für Switches Lernfähige Umgebungen Delegation der VLAN-Verwaltung Default VLAN Bemerkung VPN virtuelle private Netzwerke Tunnel Security Mechanismus Split oder Closed Tunnel Modi der Datenverschlüsselung VPN durch Firewalls Andere Tunneltechniken Verschlüsselung Symmetrische Verschlüsselung Asymmetrische Verschlüsselung Hybrid-Verschlüsselung Wireless LAN, Funknetze Access-Points und Antennen, Anschlüsse Störungen Andere Funknetze Signaldämpfung Interferenzen Signal-Vervielfachung Hidden-Node-Problem Generelles Die Funkzelle und die Kanäle Standards und Parameter Betriebsmodi Namen Verschlüsselung Aufbau eines Infrastruktur-WLAN Stromversorgung Wi-Fi und Proprietäres IX. Powerline, eine Alternative Netzzugang, Szenarien ISDN/Telefon VIII

6 Inhalt 9.2 DSL/ADSL Breitbandkabel Kombi-Geräte Stand- oder Mietleitungen Serverhosting Router und Firewalls, Empfehlungen Repetitorium/Verständnisfragen Einführung Layer I Layer II Layer III Layer IV Allgemeines Steckertypen Thin-Wire UGV Glasfaser ST-Stecker (Straight Tip) SC-Stecker MT-RJ-Stecker LC-Stecker E2000-Stecker Bemerkungen zu Steckertypen Schutz der Patchkabel und Dosen Exkurse Exkurs Zahlensysteme, Bit, Byte, binär Binär ist nicht digital Bit und Byte Zahlensysteme in der Computerwelt Das Dezimalsystem Das Binärsystem Das Hexadezimalsystem Umrechnung der Systeme Exkurs: Beispiel eines Routing-Vorganges Praxis/Übungen Arp-Requests Kommunikation auf Layer III Layer II-Loop-Probleme Die Subnetzmaske Das Default Gateway Nameserver Routen prüfen IX

7 Inhalt 13.8 Prüfen der Verbindungen auf Layer IV APIPA-Adressierung Szenarien/Planung/Beispiele Netzwerke im privaten Bereich Der Anschluss, ein Router, WAN-Setup Der Anschluss, LAN-Setup Der Anschluss, Diverses Büros und Kleinfirmen Mittlere und größere Firmen Planung eines Netzwerkes Verkabelung Der Strom Klima Impressionen Fehleranalyse Ein Rechner oder mehrere sind nicht am Netz Alle Rechner sind nicht am Netz Router prüfen Einige Rechner ohne Internet Netzwerk langsam Verzeichnis der Abkürzungen Abkürzungen Register X

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9 4 Layer III, die Vermittlungsschicht In der Regel segmentiert man so, dass nicht zu viele Adressen verschwendet werden, aber auch so, dass genug Reserven für einen Ausbau da sind Wer gehört zu welchem (Sub-)Netz? Ein Router muss nun entscheiden können, zu welchem Teil eines Subnetzes welches Gerät gehört. Schließlich muss entschieden werden, ob die kommunizierenden Geräte innerhalb eines Layer II-Segmentes (Subnetzes) oder in getrennten installiert sind. Ein geordneter Verkehr wäre sonst nicht möglich. Nehmen wir ein Beispiel zur Hand. Ein Administrator des Adressbereiches der Klasse C: hat 256 Adressen zur Verfügung, Stellt er fest, dass die Rundsprüche (Broadcasts) zu häufig werden, muss er das Subnetz weiter unterteilen. Hinterher müssen aber alle Router im Netz automatisch wissen, dass dies passiert ist. Weiter muss auch vorher jeder wissen, ob ein Netzwerk der Klasse B in Subnetze segmentiert ist oder nicht. Schon der einzelne Rechner muss dies wissen. Warum? Dazu müssen wir das Zusammenspiel Layer II und Layer III kennen Kommunikation in und zwischen LANs Möchte ein Gerät Daten an ein anderes senden, muss es zuerst die Zieladresse auflösen. Innerhalb der Broadcast-Domäne (Layer II) macht es deshalb einen Broadcast, einen ARP- Request. Will es Daten an ein Gerät versenden, das nicht in seiner Broadcast-Domäne ist, also in einem anderen Subnetz, über einen Router hinweg, hätte ein ARP-Request keinen Sinn. Die Router leiten Broadcasts normalerweise nicht weiter. Also müssen die Daten einen anderen Weg nehmen. Aber woher weiß nun ein Gerät, Router, Rechner etc., ob ein anderes im gleichen Subnetz ist oder nicht? Woher weiß es, ob es einen ARP-Request machen oder über einen anderen Weg kommunizieren muss? Die Subnetzmaske Dafür gibt es eine weitere eminent wichtige Angabe, die Subnetzmaske. Sie ist es, die den Host- und den Netzwerkteil der IP-Adresse festlegt. Die Subnetzmaske ist damit genauso vorgegeben wie der Adressbereich. Im Bereich der vergebenen Adressklassen darf der Administrator hier Änderungen vornehmen, außerhalb nicht. Merke: Ist ein Adressraum nicht weiter segmentiert, sondern identisch mit den offiziellen Adressklassen, spricht man von einer Netzmaske. Ist ein Adressraum weiter segmentiert, von einer Subnetzmaske. Für die Funktion der Sub-/Netzmaske ist dies aber ohne Bedeutung. 74

10 4.2 Segmentierung der Netze Was das nun bedeutet, werden wir uns genau ansehen. Bekommen wir nun ein Netzwerk der Klasse B von der IANA zugeteilt, könnte dies so aussehen: Wir bekommen die Adresse , Klasse B. Wir können also über einen Adressbereich von bis verfügen. Binär: Wir hätten nun die Subnetzmaske von : Binär: Was bedeutet dies? Legen wir alles genau untereinander: Startadresse Endadresse Subnetzmaske An den Stellen der Subnetzmaske, an denen eine 1 steht, ist die Adresse fix vorgegeben, dies markiert den Netzwerkteil unseres Adressbereiches. Alle anderen Stellen dürfen wir frei benutzen, hier ist der Hostteil. Alle Adressen, die in einem binären Bereich der Subnetzmaske angesiedelt sind, sind innerhalb eines Subnetzes und damit innerhalb einer Broadcast-Domäne. Wir dürfen die Subnetzmaske nicht verkleinern, damit würden wir Adressen verletzen, die anderen gehören aber wir dürfen sie vergrößern. Möchten wir unsere Klasse B nun in 256 Klassen C unterteilen, definieren wir eine Subnetzmaske von : Damit haben wir unser Netz in 255 Subnetze zerlegt Startadresse Endadresse Subnetzmaske Startadresse Endadresse Subnetzmaske

11 4 Layer III, die Vermittlungsschicht Startadresse Endadresse Subnetzmaske Startadresse Endadresse Subnetzmaske Startadresse Endadresse Subnetzmaske Daher sehr wichtig! Zur IP-Adresse gehört untrennbar immer die Information, wie die Adressklassen segmentiert sind. Diese Information wird über die Subnetzmaske geliefert. Sie zeigt allen an, welche Adressen zu welchem Segment auf Layer III gehören, welches Netz gemeint ist und wie die Adressen für Rundsprüche und die Netzwerke an sich lauten (die größte und die kleinste eines Subnetzes). Daher ist eine Angabe einer IP-Adresse ohne die Information der Subnetzmaske wertlos. Niemand kann sehen, ob ein anderer im selben Subnetz angesiedelt ist oder nicht. Die IANA teilt uns einen Bereich von Adressen zu, inklusive einer passenden Subnetzmaske. Diese definiert den Bereich unserer Adressen. Wir dürfen im Netzwerkteil, sowohl der Adresse als auch der Subnetzmaske, keine Veränderungen vornehmen. Im Hostteil aber können wir unsere Netze in Subnetze zerlegen, wie wir wollen. Wie zerlegt ist, zeigt die Subnetzmaske. Mit modernen Routern lässt sich ein Netzwerk fast beliebig segmentieren. Fügen wir immer mehr Einsen zur Subnetzmaske hinzu (dies nennt man VLSM, Variable Length of Subnet Masks), zerlegen wir unseren Adressbereich in immer mehr Subnetze. Innerhalb unseres Bereiches dürfen wir dies tun, wie wir wollen. Mithilfe der Subnetzmaske teilen wir dies allen mit, die mit uns kommunizieren wollen. Sie sehen sofort, ob und wie segmentiert wurde. Sehen wir uns ein Beispiel eines Adressraums der Klasse C und die möglichen Segmentierungen in Subnetze an. Hier wird auf den ersten Blick klar, warum die binäre Darstellung für das Verständnis einfacher ist. In der binären Darstellung wird sofort klar, wie ein 76

12 4.2 Segmentierung der Netze Rechner die Adressen sieht und die Einteilung leicht erkennt. In der folgenden Tabelle sehen wir die möglichen Subnetzmasken in binärer und dezimaler Darstellung und dazu noch die Information, wie viele Subnetze mit wie vielen Adressen wir durch die jeweilige Segmentierung erhalten. Subnetzmaske binär SNM dezimal Netze x Adressen x x x x x x x x x 1 Denken müssen wir immer daran, dass pro Subnetz zwei Adressen verloren gehen, für das Subnetz selbst und für die Broadcast-Adresse. Brauchen wir also Segmente, in denen acht Adressen für Endgeräte sein müssen, müssen wir Segmente mit 16 (16 Subnetze mit je 16 Adressen) wählen. Bei 32 Subnetzen mit je acht Adressen könnten wir nur sechs Endgeräte pro Subnetz betreiben. Wie wir unten sehen werden, verlieren wir noch eine oder mehrere Adressen in jedem Subnetz dadurch, dass jeder Router, der den Weg zu diesem Netz öffnen soll, ebenfalls eine Adresse in ihm braucht. Aus der Adresse und der Subnetzmaske wird also ermittelt, ob eine Adresse im selben Segment (Broadcast-Domäne) angesiedelt ist, also die Adressauflösung auf Layer II vorgenommen werden muss (ARP-Request), oder ob auf Layer III über einen Router kommuniziert werden muss. Eine falsch konfigurierte Subnetzmaske kann daher zu sehr unschönen Fehlern führen (siehe auch Kapitel 13, Praxis und Übungen ). Für die Subnetzmaske hat sich eine weitere Kurzschreibweise eingebürgert. Die Anzahl Einser-Bits in der Binärdarstellung wird einfach an die Adresse angehängt: / / / / /28 77

13 4 Layer III, die Vermittlungsschicht / / / /32 (Hier nur für eine C-Klasse gezeigt. Bei einer A-Klasse analog von /8 bis /16, bei einer B- Klasse von /16 bis /24). So bedeutet /25 nichts anderes als eine IP-Adresse aus einem Subnetz mit einer Broadcast-Adresse von Wie funktioniert nun aber die Berechnung, welches Gerät in welchem Subnetz ist? Woher weiß ein Gerät nun sofort, ob ein anderes im selben Segment installiert ist oder nicht? Segmentiert man nun sein Klasse-C-Netzwerk in zwei gleiche Segmente, haben beide dieselbe Subnetzmaske. Hier ein Beispiel. Das Subnetz /24 wird segmentiert. Die Subnetzmaske wird dazu auf 25 Bit erweitert. Es resultieren zwei Subnetze: /25 mit den Adressen und /25 mit Adressen Binär: Startadresse Endadresse Subnetzmaske und: Startadresse Endadresse Subnetzmaske Die Auflösung, welche Adresse in welches Netz gehört, erfolgt durch eine logische, boolesche Addition der IP-Adresse mit der Subnetzmaske. Die Regeln einer logischen Addition sind einfach (für Interessierte, ein neuronales, logisches AND): = = = = 1 Dies entspricht einer Nervenzelle mit zwei Eingängen und einem Ausgang und einem Schwellenwert von zwei. Nur wenn beide Eingänge ein Signal bekommen (Schwellenwert 78

14 4.2 Segmentierung der Netze zwei), feuert sie ein Signal; als Vergleich eine ebensolche Zelle mit einem Schwellenwert von eins. Hier haben wir eine OR-Funktion. Die Wertetabelle wäre folgende: = = = = 1 Bleiben wir beim AND. Betrachten wir nun eine willkürliche Adresse aus dem ersten Bereich: : Adresse: SNM: Nehmen wir Bit für Bit ein logisches AND aus Adresse und Subnetzmaske: Adresse: SNM: Netz: Oder eine Adresse aus dem oberen Bereich: : Adresse: SNM: logisches AND: Netz: Die Ermittlung des Netzwerkes, in dem sich ein Gerät befindet, ist also ein direktes Ergebnis der logischen Addition der Subnetzmaske und der Adresse des Gerätes. Ohne die Angabe der Subnetzmaske ist die Adresse also wertlos. Die Subnetzmaske bestimmt, wie viele Adressen uns in einer Klasse zur Verfügung stehen. Wir dürfen sie erweitern, um weiter zu segmentieren, aber niemals verkleinern, damit würden wir mit anderen Organisationen kollidieren. Merke: Der uns zugeteilte Bereich von Adressen darf nur im Hostteil verändert werden. Die initiale Subnetzmaske darf nur erweitert werden. Sie kommuniziert, wie unsere Subnetze beschaffen sind. 79