Kapitel 5. Rechnernetze

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1 Kapitel 5 Rechnernetze 1

2 Kapitel 5 Rechnernetze 1. Grundlagen der Vernetzung von Rechnern 2. Datenübertragung mit Telefonleitung 3. Netze, Netztopologie, Netze von Netzen 4. Zugriffsverfahren 5. Ethernet 6. Drahtlose Netze, WLAN 7. Verschlüsselung 2

3 1. Grundlagen Grundlagen der Vernetzung von Rechnern: Unter einem Rechnernetz versteht eine Gruppe von Rechnern, die untereinander verbunden sind und miteinander kommunizieren oder gemeinsame Ressourcen nutzen können. Häufige Vernetzungsart: Client-Server-System mit dezentraler Rechnerversorgung Anwender (engl. Clients ) sind mit einem oder mehreren Rechnern in einem Netzwerk verbunden. Die Server bieten Dienste an und die Clients nehmen diese Dienste in Anspruch. 3

4 1. Grundlagen Physikalische Rechnerverbindung: Übertragung mit elektrischen Signalen Verdrillte Kupferkabel: STP = Shielded Twisted Pair (abgeschirmt) UTP = Unshielded Twisted Pair (nicht abgeschirmt) Übertragungsraten: 150 KBit/s bis 10 MBit/s (Cat-3-Kabel, Telefonie) bzw. bis 10 GBit/s (Cat-6a-Kabel, 10 GB-Ethernet) Kupferkoaxialkabel (veraltet): Übertragungsrate: bis 100 MBit/s Übertragung mit Licht Glasfaser (Lichtwellenleiter): Übertragungsrate: bis 10 GBit/s bei weit über 10 km Übertragungslänge Drahtlose Datenübertragung: Die Übertragung erfolgt mit elektromagnetischen Wellen. Das Signal wird auf eine bestimmte Trägerfrequenz aufmoduliert (z. B. Wireless-LAN bei ca. 2,4 GHz). 4

5 Signalübertragung: 1. Grundlagen Signale sind elektrische oder optische Repräsentationen von Daten. Signale werden von einem Sender in Form eines zeitlich variierten Spannungspegels oder einer zeitlich variierten Frequenz erzeugt und von einem Empfänger gemessen. Rechteckkurve für das Bitmuster Datenübertragungsrate: Die Zahl der Pegelwechsel pro Zeit bestimmt die Datenübertragungsrate. Die Übertragungsrate wird in bps (Bits pro Sekunde) gemessen. 5

6 Kapitel 5 Rechnernetze 1. Grundlagen der Vernetzung von Rechnern 2. Datenübertragung mit Telefonleitung 3. Netze, Netztopologie, Netze von Netzen 4. Zugriffsverfahren 5. Ethernet 6. Drahtlose Netze, WLAN 7. Verschlüsselung 6

7 2. Datenübertragung mit Telefonleitung Modem (Modulation/Demodulation): Digitale Daten werden moduliert ( vertont ), analog übertragen und beim Empfänger demoduliert, d. h. wieder in Bitfolgen umgesetzt Mit einer Kompression der Daten wird die Übertragungsrate enorm gesteigert: Häufig vorkommende Zeichen werden mit kürzeren Bitsequenzen codiert als seltene Zeichen. Übertragungsraten bis ca. 56kBit/s sind durch spezielle Kodierungsund Kompressionsverfahren möglich, wenn beide Modems, die an der Verbindung beteiligt sind, diese Verfahren unterstützen. ISDN (Integrated Services Digital Network): 1989 in Deutschland eingeführtes digitales Telekommunikationsnetz. Durchgehende digitale Verbindung zwischen den Endgeräten (Nachteil: Aufwand bei den Teilnehmeranschlüssen und Telefonen) Heute sind alle Vermittlungsstellen digitalisiert, die Mehrzahl der Teilnehmeranschlüsse allerdings nach wie vor analog. 7

8 2. Datenübertragung mit Telefonleitung DSL (Digital Subscriber Line): Mit DSL sind hohe Datenübertragungsraten über die normale Telefonleitung erreichbar. Die DSL-Technologie wurde Ende der 80er Jahre in den Bell Laboratorien (USA) entwickelt. Die herkömmliche Telefonie verwendet nur Frequenzen bis ca. 120 khz. DSL nutzt die darüber liegenden höheren Bereiche. Aufgrund der höheren Frequenzen sind theoretisch Datenübertragungsraten von 10 bis 50 MBit/s mit DSL erreichbar. ADSL (Asymmetric DSL) arbeitet über die vorhandene Telefonanschlussleitung, ohne die Telefonie zu beeinträchtigen. Datenübertragungsrate bis ca. 25 MBit/s zum Teilnehmer (Downstream) und 3,5 MBit/s in Gegenrichtung (Upstream). SDSL (Symmetric DSL) ist mit seinen symmetrischen Datenübertragungsraten besonders für Geschäftskunden interessant (zum Beispiel 15 MBit/s Upstream und Downstream). 8

9 2. Datenübertragung mit Telefonleitung Anschluss von DSL 9

10 Kapitel 5 Rechnernetze 1. Grundlagen der Vernetzung von Rechnern 2. Datenübertragung mit Telefonleitung 3. Netze, Netztopologie, Netze von Netzen 4. Zugriffsverfahren 5. Ethernet 6. Drahtlose Netze, WLAN 7. Verschlüsselung 10

11 3. Netze, Netztopologie, Netze von Netzen Kategorien von Netzen: Man unterscheidet: LAN (Local Area Network): Lokales Netz in einem räumlich begrenzten Gebiet, Verbindungsleitung bis einige km MAN (Metropolitan Area Network): Weitverkehrsnetz, das sich auf ein (Teil-)Gebiet einer Stadt oder auf das Gelände einer größeren Firma beschränkt (Beispiel: Kabelfernsehen) WAN (Wide Area Network): Weitverkehrsnetz als Rechnerverbund in mehreren Ländern über öffentliche Übertragungseinrichtungen GAN (Global Area Network): Globales Netz als Verbund von Rechnern weltweit, logische Zusammenfassung verschiedener LANs und WANs (Internet) 11

12 3. Netze, Netztopologie, Netze von Netzen Netztopologie: Unterschiedliche Verbindungsstrukturen der Rechner in einem Netz: Sternförmiges Netz Ringnetz Busnetz 12

13 3. Netze, Netztopologie, Netze von Netzen Netze von Netzen: Rechnernetze werden über Vermittlungsrechner (VR) verbunden. Vermittlungsrechner sind Geräte unterschiedlicher Intelligenz : Repeater: Verbindet zwei Teilnetze, generiert die elektrischen Signale neu. Hub: Wie Repeater, aber mehr als 2 Teilnetze ( Mehrfachsteckdose ) Bridge: Verbindet zwei Teilnetze und kennt die dort befindlichen Rechner. Datenpakete werden nur ins andere Teilnetz weitergeleitet, falls dies erforderlich ist. Switch: Wie eine Bridge, aber für mehr als zwei Teilnetze 13

14 Kapitel 5 Rechnernetze 1. Grundlagen der Vernetzung von Rechnern 2. Datenübertragung mit Telefonleitung 3. Netze, Netztopologie, Netze von Netzen 4. Zugriffsverfahren 5. Ethernet 6. Drahtlose Netze, WLAN 7. Verschlüsselung 14

15 Zugriffsverfahren: 4. Zugriffsverfahren Wenn mehrere Rechner in einem Netz Nachrichten senden, bedarf es eines Kontrollsystems. Dieses regelt den Zugriff auf das Übertragungsmedium und sorgt dafür, dass jeder Teilnehmer im Netz in angemessener Zeit Nachrichten austauschen kann. Netzzugriff über Berechtigungsmarke (Token): Token (festgelegtes Bitmuster) kreist im Netz. Rechner darf erst senden, wenn er das Token empfangen hat und dieses blockiert. Nach dem Senden gibt er das Token wieder frei (vergl. Token-Ring-Netz von IBM). Wettkampfverfahren, CSMA-CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection): Rechner können jederzeit auf das Netz zugreifen (Multiple Access). Vor dem Zugriff wird geprüft, ob das Medium frei ist (Carrier Sense). Beginnen mehrere Rechner zugleich zu senden, entsteht eine Kollision. Die Sender erkennen die Kollision, stellen das Senden ein (Collision Detection) und warten, bis die Leitung wieder frei ist. Die Rechner müssen unterschiedlich lange warten (Wartezeit wird als Zufallszahl ermittelt), bis sie wieder senden dürfen. 15

16 Kapitel 5 Rechnernetze 1. Grundlagen der Vernetzung von Rechnern 2. Datenübertragung mit Telefonleitung 3. Netze, Netztopologie, Netze von Netzen 4. Zugriffsverfahren 5. Ethernet 6. Drahtlose Netze, WLAN 7. Verschlüsselung 16

17 5. Ethernet Ethernet: Ethernet ist eine Netztechnologie zum Aufbau lokaler Rechnernetze (LAN). Ethernet wurde 1982 von Xerox, Intel und DEC entwickelt und ist heute der wichtigste Standard für LAN-Vernetzungen. Busnetz (keine Zentralstation) Verkabelung: Ursprünglich Koaxialkabel oder Twisted Pair, heute auch Verbindungen per Glasfaser oder Funk Zugriffsverfahren: CSMA-CD Paketvermittelndes Datennetz (bis zu 1518 Byte pro Datenpaket) Alle am Bus angeschlossenen Stationen können mithören. Ethernet umfasst Festlegungen für Kabeltypen und Stecker, beschreibt elektrische Signalformen, legt Paketformate und Protokolle fest. Übertragungsrate: 10 MBit/s (ursprünglicher Standard) Fast Ethernet: 100 MBit/s Gigabit-Ethernet: bis zu 10 GBit/s 17

18 Kapitel 5 Rechnernetze 1. Grundlagen der Vernetzung von Rechnern 2. Datenübertragung mit Telefonleitung 3. Netze, Netztopologie, Netze von Netzen 4. Zugriffsverfahren 5. Ethernet 6. Drahtlose Netze, WLAN 7. Verschlüsselung 18

19 6. Drahtlose Netze Drahtlose Rechnernetze: Frequenzbereiche: Für die Datenübertragung mit Funk (elektromagnetischen Wellen) stehen 3 Frequenzbereiche zur Verfügung, die ohne besondere Lizenz genutzt werden können, wenn die Sendeleistung einen Grenzwert nicht überschreitet. 27 MHz: Verwendung bei drahtlosen Mäusen und Tastaturen, Fernsteuerung, Modellbau. 2,4 GHz: Klassisches Frequenzband für industrielle, wissenschaftliche, medizinische und private Anwendungen (sog. ISM-Frequenzband: Industrial, Scientific, Medical) 5,15 bis 5,35 GHz: Neu zugelassener Bereich 19

20 6. Drahtlose Netze WLAN (Wireless Local Area Network): Frequenzbereich: 2,4 GHz Reichweite: ca. 50 m (Sendeleistung von 100 mw), mit speziellen Antennen einige 100 Meter Zugriffsverfahren: CSMA/CA, Kollisionserkennung wie bei CSMA/CD nicht möglich, daher CA ( Collision Avoidance ) Die Datenrate sinkt proportional zu der Anzahl der aktiven Teilnehmer WLAN basiert auf Standards der IEEE Familie Standard b (1999): Übertragungsrate: max. 11 MBit/s Standard g (2003): Übertragungsrate: max. 54 MBit/s 20

21 6. Drahtlose Netze Aufbau eines WLAN: Die Struktur ähnelt dem Mobilfunknetz. Es gibt 2 Arten von Teilnehmern: Access Point (Zugangsknoten): Eine Basisstation übernimmt die Koordination aller anderen Netzknoten und vermittelt den Zugang auf ein lokales stationäres Netz und/oder den Internetzugang. Netzknoten: Normale Teilnehmer kommunizieren mit Access Point, aber in der Regel nicht untereinander (Ausnahme: Peer-to-Peer-Verbindung ) Identifikation im Netz: SSID: Jeder Access Point ist mit einer Netzkennung, der SSID (Service Set IDentifier), versehen, die einstellbar ist. Somit können auch mehrere sich überlappende WLANs unterschieden werden. MAC-Adresse: Jeder Client verfügt über einen Netzwerkadapter (LAN-Karte, WLAN-Adapter, etc.) mit eindeutiger Netzzugangsadresse (MAC-Adresse = Media Access Control ID) zur Identifikation. 21

22 Aufbau eines WLAN 6. Drahtlose Netze 22

23 Sicherheit von WLAN: 6. Drahtlose Netze Risiken: Die Kommunikation kann von Dritten abgehört und die SSID ausspioniert werden. Unberechtigte Personen können Zugang zu den Ressourcen des WLAN bzw. zum Internet erhalten. Dabei können Kosten entstehen. Sicherheitsmaßnahmen: SSID-Broadcast abschalten MAC-Adressen-Filterung: Berechtigte Stationen werden in Zugangskontroll-Liste des Access Point eintragen Verschlüsselung aktivieren: WEP (Wired Equivalent Privacy): Veralteter Standard (1997), kann mit geeigneter Hardware in < 1 Minute umgangen werden WPA (Wi-Fi Protected Access): Verbessertes Verfahren (2003) WPA2: Weiter verbessertes Verfahren (seit 2006 müssen alle neuen WLAN-Geräte WPA2 unterstützen) 23

24 Kapitel 5 Rechnernetze 1. Grundlagen der Vernetzung von Rechnern 2. Datenübertragung mit Telefonleitung 3. Netze, Netztopologie, Netze von Netzen 4. Zugriffsverfahren 5. Ethernet 6. Drahtlose Netze, WLAN 7. Verschlüsselung 24

25 Alice M K1 7. Verschlüsselung Bei der Kommunikation über unsichere Übertragungswege (z. B. drahtlose Funkverbindungen) ist die Absicherung der Nachrichten (Klartext) durch Verschlüsseln (Chiffrieren) wichtig! Encryption E ( M, K1 ) = C Verschlüsselung: C = E (M,K1) Der Chiffretext C entsteht aus dem Klartext M durch Anwendung einer Encryption-Funktion E; die Encryption-Funktion E ist eine Abbildung, die vom Parameter K1 (dem Schlüssel) abhängt. Entschlüsselung: M = D (C,K2) Der Klartext M entsteht aus dem Chiffretext C durch Anwendung einer Decryption-Funktion D; die Decryption-Funktion D ist eine Abbildung, die ebenfalls einen Schlüssel benötigt, hier mit K2 bezeichnet. Es muss gelten: M = D (E (M,K1),K2) C Internet C Decryption D ( C, K2 ) = M Problem: Wie erzeugt man ein Schlüsselpaar (K1, K2), zum Beispiel bei spontaner Kommunikation, das sicher zu Alice bzw. Bob gebracht wird? C C M K2 Bob 25

26 7. Verschlüsselung Für symmetrische Verfahren gilt: K1 = K2 Zum Verschlüsseln und Entschlüsseln wird derselbe Schlüssel verwendet. M K Encryption E ( M, K ) = C C Decryption D ( C, K ) = M M K Alice Bob Verschlüsselung: C = E (M,K) Entschlüsselung: M = D (C,K) Es muss gelten: M = D (E (M,K),K) Bei einem symmetrischen Verfahren muss der Schlüssel K geheim bleiben. Daraus ergeben sich Probleme - Schlüsselmanagement: - Wie wird der gemeinsame Schlüssel K ausgetauscht? - Wenn N Personen miteinander kommunizieren wollen und die Kommunikation soll stets vertraulich sein, werden viele Schlüssel benötigt. Anzahl der Schlüssel: N * (N-1) / 2 N = 10 : 45 Keys N = 100 : 4950 Keys 26

27 Vorteile von symmetrischen Verfahren: - Hohe Performance - Es gibt Spezialhardware, die sehr effizient ver- und entschlüsselt Nachteil: Schlüsseltauschproblem - Schlüsselmanagement Bekannte Verfahren: DES Data Encryption Standard - 56-Bit-Keys 1976: Von IBM und NSA (National Security Agency) entwickelt, dieses Verfahren gilt nicht mehr als sicher, weil der Schlüssel zu kurz ist 1998: EFF's DES cracker (Deep Crack) breaks a DES key in 56 hours. 1999: Together, Deep Crack and distributed net break a DES key in 22 hours and 15 minutes. 2007: The FPGA based parallel machine COPACOBANA of the University of Bochum and Kiel, Germany, breaks DES in 7.2 days at $10,000 hardware cost Triple DES Bit-Keys AES 7. Verschlüsselung Advanced Encryption Standard / 192 / 256-Bit-Keys Nachfolger des DES-Verfahrens IDEA International Data Encryption Algorithm Bit-Keys 27

28 Bei einem asymmetrischen Verfahren gilt: K1 K2 d.h. zum Verschlüsseln und zum Entschlüsseln werden unterschiedliche Schlüssel verwendet. Spezialfall der asymmetrischen Verfahren: Public Key Verfahren Jede Person erzeugt für sich 2 Schlüssel (P, S) Public Key P: Der öffentliche Schlüssel ist allgemein zugänglich und kann häufig von der Homepage geladen werden Private Key S: Der private Schlüssel muss geheim bleiben, niemand außer der Person selbst darf Zugriff zu diesem Schlüssel haben Alice M P B 7. Verschlüsselung Encryption E ( M, P B ) = C Decryption D ( C, S B ) = M Bob erzeugt die Schlüssel (P B, S B ) und Alice die Schlüssel (P A, S A ) C Alice holt sich den Public Key P B per Download von der Homepage von Bob und verschlüsselt damit die Nachricht M. Die verschlüsselte Nachricht C wird dann über einen unsicheren Kanal zu Bob geschickt. Bob entschlüsselt die Nachricht mit seinem (geheimen) privaten Schlüssel S B. Ohne die Kenntnis von S B ist es nicht möglich, die Nachricht C zu entschlüsseln. 28 M S B Bob

29 7. Verschlüsselung Vorteile von asymmetrischen Verfahren: - Einfaches Schlüsselmanagement: Kommunizieren N Personen, so werden nur 2*N Schlüssel gebraucht, wobei die geheimen Schlüssel nicht getauscht werden müssen - Public Key ist öffentlich -> spontane Kommunikation ist möglich Nachteil: Die Performance von Public Key Verfahren ist oft schlechter als bei symmetrischen Verfahren Standard für Public-Key-Verfahren: RSA-Verfahren ( Rivest Shamir Adleman, 1978) Das RSA-Verfahren basiert auf der Schwierigkeit, große Zahlen in ihre Primfaktoren zu zerlegen Performancevergleich RSA DES: Softwareimplementierungen von RSA sind ca. 100 mal langsamer als DES 29

30 Hybridverfahren kombinieren das einfache Key-Management von Public-Key- Verfahren mit der hohen Performance von symmetrischen Verfahren: - Der Sender wählt einen zufälligen Schlüssel (Sessionkey K) für ein symmetrisches Verfahren z.b. DES oder AES - Der Schlüssel K wird mit einem Public-Key-Verfahren (P B, S B ) verschlüsselt (Schlüssel P B ) und vom Empfänger mit S B entschlüsselt - Nachdem beide Kommunikationspartner den symmetrischen Key K kennen, wird die eigentliche Nachricht M über das symmetrische Verfahren verschlüsselt und ausgetauscht M 7. Verschlüsselung K DES C M K DES M Alice K RSA P B Häufig verwendetes Verfahren: PGP - Pretty-Good-Privacy zur sicheren Kommunikation per C K RSA S B K Bob 30

31 7. Verschlüsselung Philip R. Zimmermann ist der Erfinder von Pretty Good Privacy, einem Softwarepaket zur E- Mail-Verschlüsselung. Ursprünglich wurde es als Hilfsmittel für die Bewahrung der Menschenrechte entwickelt, die Erstpublikation der Gratisversion wurde im Jahr 1991 ins Internet gestellt. Dies hat Zimmermann zum Ziel einer dreijährigen Polizeiuntersuchung gemacht, weil ihm die US-Regierung die Verletzung von Exportbeschränkungen für Kryptografie-Software zur Last legte, als sich PGP weltweit zu verbreiten begann. Trotz fehlender finanzieller Mittel, totaler Abwesenheit von bezahlten Mitarbeitern und der mangelnden allgemeinen Unterstützung und gegen den Willen der amerikanischen Regierung, entwickelte sich PGP zum weltweit am weitesten verbreiteten Programm für die Verschlüsselung von s. 31