Wolfgang Riggert. Rechnernetze. Grundlagen Ethernet Internet. 4., aktualisierte und erweiterte Auflage

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1 Wolfgang Riggert Rechnernetze Grundlagen Ethernet Internet 4., aktualisierte und erweiterte Auflage

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4 Wolfgang Riggert Rechnernetze Grundlagen Ethernet Internet 4., aktualisierte und erweiterte Auflage Mit 83 Bildern, 61 Beispielen und120 Fragen zur Wissensüberprüfung Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

5 Wolfgang Riggert ist Professor für Netzwerke und Informationsmanagement an der Fachhochschule Flensburg. Er ist Autor zahlreicher Beiträge zu Netzwerkthemen und Bücher. Vor seiner Lehrtätigkeit war er sechs Jahre als Softwareentwickler bei Norsk Data tätig. Alle in diesem Buch enthaltenen Programme, Verfahren und elektronischen Schaltungen wurden nach bestem Wissen erstellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund ist das im vorliegenden Buch enthaltene Programm-Material mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autor und Verlag übernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieses Programm-Materials oder Teilen davon entsteht. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN: E-Book-ISBN: Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung mit Ausnahme der in den 53, 54 URG genannten Sonderfälle, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden Carl Hanser Verlag München Internet: Lektorat: Dr. Martin Feuchte Herstellung: Dipl.-Ing. Franziska Kaufmann Satz: Kösel, Krugzell Coverconcept: Marc Müller-Bremer, München Coverrealisierung: Stephan Rönigk Druck und Bindung: Friedrich Pustet KG, Regensburg Printed in Germany

6 Vorwort Längst sind Netzwerke zu einem festen Bestandteil des täglichen Lebens geworden. Verfügbarkeit und Bandbreite bilden wichtige Standortfaktoren für die Ansiedlungspolitik von Unternehmen. Diesem Aspekt wird auch auf politischer Ebene Rechnung getragen, indem immer wieder der Ausbau der Netzinfrastruktur in Richtung Breitbandnetz gefordert wird. Neben Energienetzen reifen Datennetze für die Kommunikation damit zu einem bedeutenden versorgungstechnischen Faktor heran. Vor diesem Hintergrund wird ein Basiswissen über technologische Hintergründe und zukünftige Entwicklungen für Studierende informatikbezogener Studiengänge unerlässlich. Um die Rahmenbedingungen vieler Hochschulen oder studienbegleitender Einrichtungen entgegen zu kommen, ist das Buch in 12 Kapitel gegliedert. Diese Kapitel spiegeln Semesterwochen wider und sollen ein Grundgerüst für eine inhaltliche Strukturierung liefern. Weitere ergänzende Materialien stehen unter dem Link: bereit. Hier finden sich: Zwei Videos zu Migrationsszenarien auf neue Technologien Ein umfangreiches E-Learning-Modul zur Netzwerkthematik unter Berücksichtigung des Betriebssystems Windows 7 Die Lösungen zu den Wissensüberprüfungen des Buches Ein Glossar Eine Sammlung hilfreicher Links gegliedert nach den einzelnen Themen. Mehrere hilfreiche Hände haben die Erstellung des Buches und der Online-Präsenz er - möglicht. Besonders danken möchte ich Frau Monika Tinzmann, und den Herrn Hans- Peter Schmidt und Jörg Fischer für Korrektur und Anregungen zum Manuskript und den Bildern, sowie den Herrn Björn Gersmann und Jörn Fischer für die Realisierung des Internetauftritts. Flensburg, im Juni 2012 Wolfgang Riggert

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8 Inhalt 1 Netzwerkgrundlagen und -architektur Basiselemente eines Netzes Netzwerkkategorien Netzzugang und Pakettransport ISO/OSI-Referenzmodell Zusammenfassung Wissensüberprüfung Übertragungsmethoden und -medien Übertragungsverfahren Strukturierte Verkabelung Glasfaserverkabelung Historie Kabelaufbau Arbeitsweise Eingesetzte Technik Qualitätsparameter Glasfaserprofile Glasfaserkabelarten Steckverbindungen Bewertung Twisted-Pair-Verkabelung Qualitätsparameter EIA/TIA-568-Standard ISO/IEC-Standard und EN Bewertung Zusammenfassung Wissensüberprüfung Ethernet-Technologie Historie Paketaufbau Zugriffsverfahren: CSMA/CD Signalverlauf Standards... 80

9 8 Inhalt 3.6 Fehlerquellen Verfahrensbewertung Zusammenfassung Wissensüberprüfung Ethernet-Standards Die Gegenwart: Fast-Ethernet Vorteile Bestandteile Varianten Auto-Negotiations-Technologie Topologie Migration von Standard- zu Fast-Ethernet Der Trend: Gigabit-Ethernet Physikalische Grundlagen Varianten Besonderheiten Die Zukunft: 10-GbE Eigenschaften Vorteile Technologische Trends Zusammenfassung Wissensüberprüfung IP-Protokollfamilie IP Internet Protocol Fragmentierung Routing-Optionen Routing Address Resolution Protocol ARP Reverse Address Resolution Protocol RARP Internet Control Message Protocol ICMP Zusammenfassung Wissensüberprüfung IP-Adressierung IP-Adressstruktur Class-A-Adressen Class-B-Adressen Class-C-Adressen Adressinterpretation Internetadressen mit besonderer Bedeutung Subnetzbildung Variabellange Subnetzmasken VLSM

10 Inhalt Grenzen der Subnetzbildung VLSM-Voraussetzungen Private Adressvergabe oder Network Adress Translation NAT Classless-Inter-Domain-Routing CIDR Verwaltungsfunktionen auf IP-Basis Zusammenfassung Wissensüberprüfung TCP-Protokoll Transmission Control Protocol im Detail Besonderheiten Merkmale Verbindungsmanagement Fehlervermeidungsmechanismen User Datagram Protocol UDP Zusammenfassung Wissensüberprüfung IPv Historie Entwurfsziele Technische Betrachtung Die wichtigsten Merkmale IPv6-Header IPv6-Headererweiterungen IPv6-Adressformat Adressmanagement Begleitprotokolle Migrationswege Tunneling Dual-IP-Stack Mobile IPv Kommunikationsablauf Technischer Hintergrund Zusammenfassung Wissensüberprüfung Layer-2 Geräte, Protokolle und Konzepte Switches Eigenschaften Arbeitsweise Switchingverfahren Erweiterungsmöglichkeiten Kapazitätssteigerung

11 10 Inhalt Switch-Architekturen Spanning-Tree Virtuelle LANs VLAN-Typen Trunking VLAN-Management Zusammenfassung Wissensüberprüfung Layer 3 Geräte, Protokolle und Konzepte Router Bedeutung Routing-Ablauf Routing-Methoden Unterschiede zwischen Routern und Switches Routing Bedeutung Routingprotokolle allgemeine Klassifizierung Routingprotokolle Routing Information Protocol RIP Open Shortest Path First OSPF Routingprobleme Einsatzaspekte von Switches und Routern Zusammenfassung Wissensüberprüfung Verwaltung von Netzwerken Netzwerkmanagement Netzwerkstatistiken OSI-Modell SNMP MIB SMI-Definition syslogd Netzwerksicherheit Allgemeine Bedrohungen Sicherheit für Switches und Router Zusammenfassung Wissensüberprüfung Wireless LAN IEEE Standards Wireless-Architekturen Kodierungsverfahren und Kanäle

12 Inhalt Zugriffsmethoden: CSMA/CA Besonderheiten Anmeldeverfahren Rahmentypen Sicherheit Bewertung Zusammenfassung Wissensüberprüfung Literatur Index

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14 1 Netzwerkgrundlagen und -architektur Lernziele Nach der Beendigung dieses Kapitels sollte der Leser in der Lage sein, folgende Fragen zu beantworten: Wie sind Netzwerke hinsichtlich ihrer Topologie aufgebaut? Aus welchen Basiskomponenten bestehen Netzwerke? Wie ist der Netzzugang geregelt? Was sind die Vorteile eines Schichtenmodells? Welche Funktionalität ist auf welcher Ebene des Schichtenmodells angesiedelt? Kapiteleinführung Netzwerke schlagen ein neues Kapitel in der Informationsverarbeitung auf. In vielen Unternehmen bilden sie heute das Rückgrat der Informationsinfrastruktur. Angefangen von Netzwerken, die nur fünf Rechner verbinden, reicht das Spektrum moderner Lösungen bis zu weltweiten Verbünden, in denen viele Rechnerwelten eine integrative Einheit mit größtmöglicher Produktivität bilden. Triebfeder für die fortschreitende Vernetzung, insbesondere im Weitverkehrsbereich, ist das Internet. Als leistungsfähige Werbeplattform und Vertriebskanal für viele Arten von Produkten und Dienstleistungen überwindet es traditionelle Marktgrenzen mit Geschäftsmodellen wie dem E-Commerce. Im Gefolge dieses Booms werden leistungsfähige Netzwerke, die eine Vielzahl von Nutzern mit akzeptablen Antwortzeiten bedienen, eine notwendige Voraussetzung. Im Vordergrund für den Betrieb und den Ausbau von Netzwerken stehen drei Anforderungen: Die Geschwindigkeit muss für die Partner des Datenaustausches zufriedenstellend aus fallen, ohne dass große Schwankungen in der Antwortzeit, selbst zu Spitzen lastzeiten, auftreten. Das Management der Netzkomponenten und der Endstationen muss einfach sein. Die Kosten des Betriebes müssen in vertretbarem Rahmen liegen. Getrost der Prämisse Nichts ist so beständig wie der Wandel fällt es zunehmend schwerer, Leitlinien für eine zukunftssichere Netzplanung aufzustellen. In einer Welt, in der sich die Innovationszyklen ständig verkürzen, Produkte innerhalb eines Quartals veralten und das