STERNMITTELPUNKT (NEURALGISCHER PUNKT)

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1 Seite 1 von 5 Rechnernetze Rechnernetze DREISTUFIGER ANSATZ: - Etagenverkabelung: Sternförmig, aus Kupfer - Gebäudeverkabelung: Sternförmig, Glasfaserkabel - Zwischengebäudeverkabelung: Stern oder Punkt-zu-Punkt-Verbindung, aus Glasfaser STERNMITTELPUNKT (NEURALGISCHER PUNKT) Kann ein Hub, eine Bridge, ein Router und ein Switch sein + mit hoher Gestaltungsvielfalt bezüglich der Funktionalität - Problem, wenn er ausfällt (weitreichende Bedeutung, deswegen oft redundante Auslegung) Vorhandene Netzwerktypen LAN (LOCAL AREA NETWORK) - Dienen für die Vernetzung von Wohnungen o. Gebäuden - Es gibt eine direkte Verbindung zwischen den Netzteilnehmern - Basis aller Netzwerktypen CAN (CAMPUS AREA NETWORK) - Ein größerer Bereich wird mit einem privatem Netzwerk abgedeckt - Viele LANs, die miteinander verbunden sind MAN (METROPOLITEN AREA NETWORK) - Stadtnetze - Jede größere Stadt hat ein eig. Netzwerk und Internettraffic, Telefonie etc. abzuwickeln. - Setzt sich aus LANs und/oder CANs zusammen WAN (WIDE AREA NETWORK) - Zum Überbrücken von großen Entfernungen - Sender und Empfänger haben eine Schnittstelle, über die sie sich ans Netzwerk anschließen - Setzt sich aus LANs und/oder CANs und/oder MANs zusammen GAN (GLOBAL AREA NETWORK) - Z.B. das Internet - Setzt sich aus allen anderen Netzwerktypen zusammen Technisch wird nur zwischen LAN und WAN unterschieden Netzwerktopologien PHYSIKALISCHE TOPOLOGIE (VERKABELUNG) Bustopologie + Sehr flexibel, da einzelne sich nicht anschließende Stationen keine Probleme verursachen - Kein garantierter Zugriff pro Zeiteinheit (=> nicht echtzeitfähig) da eine Kommunikation zwischen 2 Knoten eine gleichzeitig stattfindende weitere Kommunikation zwischen anderen Knoten ausschließt Ring-Struktur/Topologie Stationen sind Teil des Netzwerkes Es gibt eine Senderichtung, um Kollisionen zu verhindern + Empfangsbestätigungen funktionieren einfacher, da der Empfänger im kreisenden Paket ein Empfangsbit setzt, was der Sender dann registriert + Stationen haben pro Zeiteinheit einen garantierten Zugriff auf das Netzwerk (=> echtzeitfähig) - Das Aufrüsten einzelner Kabel Verbindungen bringt nichts Sterntopologie (Wird am häufigsten bei LANs eingesetzt) Es gibt einen Mittelknoten, mit dem jeder Netzwerkteilnehmer verbunden ist Mittelpunkt muss besonders ausfallsicher sein und Daten schnell genug weiterleiten Hubs, Bridges, Router und Switches sind heutzutage solche Mittelpunkte + Jede Verbindung lässt sich einzeln betrachten und durch verbessern einzelner Kabel tunen + Alle anderen Strukturen lassen sich simulieren

2 Seite 2 von 5 Rechnernetze LOGISCHE TOPOLOGIE (REIHENFOLGE DES ZUGRIFFS AUF DAS MEDIUM / SENDERECHTSTEUERUNG (=> MAC)) Jeder Knoten braucht eine eindeutige MAC-Adresse, um Nachrichtenempfänger zu kennzeichnen Bustopologie Jeder kann grundsätzlich immer senden Ring-Struktur/Topologie Es kann nur der senden, der das Senderecht (Token) besitzt Sterntopologie Store-and-Forward Mittelpunkt gibt den Knoten einzeln die Sendeerlaubnis (=polling) Angeschlossene Rechner dürfen immer senden (=> Mittelpunkt muss zwischenspeichern können) - Das ISO/OSI-Modell legt nicht fest, welche Protokolle auf den einzelnen Schichten verwendet werden, wodurch zahlreiche Netzwerkarchitekturen denkbar sind (die dann aber alle auf dem selben Protokollstack verwenden müssen) - Anfänglich konkurrierten o das Ethernet (=> physikalisch und logisch: Bus) (DIX-Gruppe: DEC/Digital, Intel und Xerox, IEEE 802.3), o der Token-Bus (physikalisch: Bus logisch Ring) (General Motors, IEEE 802.4) o und der Token-Ring (=>physikalisch und logisch: Ring) (IBM, IEEE 802.5) gegeneinander. Standards: Ethernet Token-Bus Token-Ring Datenrate (anfangs) ~10 Mbit/s ~10 Mbit/s ~10 Mbit/s Kosten (anfangs) Kostengünstig Wesentlich teurer Noch teuerer Zuverlässigkeit (anfangs) Bis 30% der Viel zuverlässiger Etwas weniger als möglichen Stationen (Zugriffsrechtsteuerung) Token-Bus Echtzeitfähigkeit (anfangs) Nein Ja Ja (garantierte Datenrate) Weiterentwicklung Ja Nicht für den Markt Nicht für den Markt Der IEEE konnte sich nicht auf einen Standard einigen und standardisierte deswegen alle drei Alternativen. - Das Ethernet konnte sich schlussendlich deutlich gegen die anderen Standards durchsetzen ETHERNET - Inbandsignalisierung: Steuerinformationen werden über denselben Kanal wie die die Nutzdaten übertragen Regel (Bis incl. Fast-Ethernet) - 5 Segmente (=Einzelkabel), 4 Repeater (Zyklus wenn mehr), 3 Segmente mit angeschlossenen Endgeräten - Die 5-3=2 anderen Segmente können dazu dienen, Entfernungen zu überbrücken - Ein solches Netz heißt Collision Domain, da in ihm zwei Nachrichten kollidieren können CSMA/CD-Verfahren (Abgeleitet von Aloha-Netz) - Carrier Sense (Horchen, ob Kanal frei ist) Multiple Access (viele Stationen [<2000] können gleichzeitig am Medium angeschlossen werden) with Collision Detection - Kollisionen entstehen, wenn mehr als eine Station gleichzeitig Daten über ein Kanal sendet - Will eine Station s Daten senden, beobachtet sie zunächst den Informationsfluss auf dem Kanal. Sendet eine andere Station, wartet s, bis diese fertig ist. Ist der Kanal frei, sendet s ihre Daten und beobachtet am Kanal, ob es zu es zu einer Kollision mit anderen Stationen kam (anhand der dabei entstehenden Spannungszunahme). Wenn ja, wird ein JAM-Signal ( ) über das Netzwerk gesendet und die Backoff-Strategie angewandt (Kollisionen lassen sich nicht ganz verhindern) - Je mehr Stationen es gibt, desto wahrscheinlicher werden Kollisionen, da nach einer Kollision auch andere Stationen hinzukommen können, die zu senden versuchen. - Besitzt deswegen keine Obergrenze für die maximale Übertragungsdauer

3 Seite 3 von 5 Rechnernetze Backoff-Strategie (Wird von jeder an der Kollision beteiligten Station einzeln durchgeführt) - Jede Station, die das JAM-Signal empfängt, bildet eine Zufallszahl aus dem Intervall [0;2 ]. So viele Zeiteinheiten wartet jede sendewillige Station anschließend, bis sie erneut zu sendet versucht. - Kommt es dabei wieder zu einer Kollision, wird der Exponent der 2 um eins erhöht und erneut die Backoff-Strategie angewandt. - Ab der elften Kollision hintereinander wird Exponent nicht mehr erhöht - Ab der 17. Kollision wird der Sendeversuch abgebrochen und ein Netzwerkfehler gemeldet Zusammenhang zwischen maximaler Ausdehnung von Kollision Domains, Sendegeschwindigkeit und Mindestpaketgröße - Es ist notwendig feststellen zu können welches Paket welcher Station von einer Kollision betroffen ist, damit man es neusenden kann. - Dafür müssen diese drei Eigenschaften so gewählt werden, dass selbst dann, wenn eine Kollision am anderen Ende des Netzes stattfinden, beide sendenden Stationen das JAM-Signal noch beim Senden erhalten und dadurch wissen, dass das aktuelle Paket nicht korrekt empfangen wird. 10 BASE 5-Standard - 10 => 10 Mbit/s (Bruttoübertragung) - BASE => Basisbandübertragung / Manchestercode - 5 => 500 Meter Segmentlänge - Bus-Topologie (über Koaxialkabel) - Mindestpaketgröße: 64 Bytes - Es gibt einen Abschlusswiderstand um Echobildung zu verhindern - Bis zu 500 Geräte können so kommunizieren - Weil das Ethernet nur wenig Steuerungsdaten versenden muss, hat es bei geringer Last einen optimalen Datendurchsatz - Erreicht die Netzlast etwa 30% von 10 Mbit/s, sinkt der Netzdurchsatz sogar - Maximale Ausdehnung: 5 (Segmente) * 500m + 4 (Repeater) * 200m =3300m (Bei mehr können Kollisionen nicht mehr den sendenden Stationen zugeordnet werden) 10 BASE 2-Standard ( Cheapernet ) - 2 > 185 Meter Segmentlänge - Verwendet ein günstigeres RG-58-Kabel (Koaxialkabel) und BNC-Winchester-Verschlüsse 10 BASE T-Standard - Stern-Topologie mit Multiport-Repeatern (=Hub, mehr als 2 Ports) als Sternmittelpunkte - Jedes Kabel muss aus zwei Adernpaaren bestehen (Twistedpair): Auf dem einen Paar werden im Halbduplexverfahren die Nachrichten gesendet und auf dem an anderen das JAM-Signal - Maximal 100 Meter Kabellänge pro Kabel 100 BASE T-Standard (802.3u, Fast Ethernet) - Wegen des oben beschriebenen Zusammenhanges wurde die maximale Netzausdehnung auf 205 Meter begrenzt, um eine Kompatibilität mit den 10 BASE T-Standard zu erreichen BASE Tx-Standard: CAT-5-Variante mit zwei Adernpaaren (Vollduplex) BASE T4-Standard: CAT-3-Variante, bei der die Bits über alle 4 Adernpaare verteilt sind BASE Fx-Standard: Fiber-Variante - Es wurde auch eine Vollduplex-Variante des 100 BASE T-Standards eingeführt, bei der ein Adernpaar für die Sendung in die eine und das andere für die Sendung in die andere Richtung verwendet wird. So können im Kabel keine Kollisionen mehr auftreten (Nur im Hub) (Zur Kompatibilität wurde auch der 10 BASE T um den Vollduplex-Modus erweitert) Gigabit-Ethernet-Standard (802.3z) - Mindestpaketgröße: 640 Bytes - Maximal Kabellänge: 100 Meter (wegen der Dämpfung) - Um die Kompatibilität zu früheren/langsameren Varianten zu wahren, werden zu kleine Pakete mit Nullen aufgefüllt (Padding) bzw. mehrere Pakete an den selben Empfänger zusammengefügt - Dienen zum Verbinden von Servern in einem Cluster oder für Storage Area Networks BASE SX-Standard: Lichtwellenleiter

4 Seite 4 von 5 Rechnernetze BASE LX-Standard: Lichtwellenleiter BASE Cx-Standard: Twinaxial-Variante, die mit einem speziellen Koaxialkabel mit zwei Innenleitern arbeitet 1000 BASE T (802.3ab) - Eine Twisted-Pair Variante, die aber auch mit CAT-5 Kabeln funktioniert - Alle 4 Adernpaare werden genutzt - Es gibt nicht 2 sondern 5 Signalzustände und es wird im Vollduplex-Modus gesendet - Kollidierte Datenpakete können hierbei restauriert werden 10-Gigabit-Ethernet-Standard (802.3ae) - Benötigen Glasfaserkabel - Können Entfernungen von bis zu 45 km überbrücken (können im City und Metropolien Area Networks (CANs/MANs) eingesetzt werden) - Es gibt aber auch eine Twisted-Pair-Variante mit Leiterlängen von 15 Metern KOMPATIBILITÄT 10 Mbit/s 100 Mbit/s 1 Gbit/s 10 Gbit/s 10 Mbit/s = Voll kompatibel Nicht kompatibel N. kompatibel 100 Mbit/s Voll kompatibel = Grundsätzlich möglich N. kompatibel 1 Gbit/s Nicht kompatibel Grundsätzlich möglich = N. kompatibel 10 Gbit/s Nicht kompatibel Nicht kompatibel Nicht kompatibel = NETZWERKGERÄTE: - Geräte sind Abwärtskompatibel: Ein Router ist z.b. auch eine Bridge und ein Repeater Multiport-Repeatern (=Hub) - Schicht 1-Geräte im ISO/OSI-Modell - Signale werden nicht analysiert, sondern nur verbessert (entrauscht und verstärkt) und an alle anderen angeschlossenen Geräte weitergesendet Bridges - Schicht 2-Geräte im ISO/OSI-Modell - Dadurch, dass sie sie wissen, wie Daten aufgebaut sind, können sie anhand der weltweit eindeutigen MAC-Adresse ermitteln, an welchen Ausgang ein Paket weitergeleitet werden soll - Nach einer Lernphase erstellt sich die Bridge eine Routing-Tabelle und sendet die Daten nur noch an den tatsächlichen Empfänger - Es entstehen getrennte Collision Domains und die maximale Netzausdehnung steigt - Sicherheit: Auf Wunsch kann man ausschließlich Verbindungen zwischen bestimmten MAC- Adressen erlauben - Eine Bridge kann eine feste oder eine nicht feste Routing-Tabelle haben. Eine feste Routingtabelle ist sicherer vor Hackerangriffen, ist aber besonders in Zeiten von Laptops nicht praktikabel - Store-and-Forward-Prinzip: Wollen zwei Rechner einem einigen Rechner Daten schicken, kann die Bridge die Daten von einem Rechner zwischenspeichern und später zustellen (sonst Kollisionen) - Spanning-Tree-Algorithmus: Es wird ein eindeutiger Weg zu jedem Rechner definiert, um in Falle von Zyklen im Netz die Kollision von Paketen mit sich selbst auszuschließen Router - Schicht 3-Geräte im ISO/OSI-Modell - IP-Router: Leitet IP-Datagramme weiter und kann Sicherheit auf IP-Ebene realisieren, um z.b. Zugriffe auf bestimmte Server zu verbieten (=> IP-Firewall) - Wird benötigt, wenn mehrere (verschiedene) Netze miteinander verbunden werden müssen. (z.b. ein lokales Netzwerk mit dem Internet) - Kann Pakete von Netz A so konvertieren, damit sie über Netz B verschickt werden können Switch - Kann eine Bridge oder ein Router sein - Funktioniert mit einer Switching-Technologie, die das Schalten von Verbindungen zwischen zwei Port fast ohne Zeitverlust ermöglicht

5 Seite 5 von 5 Rechnernetze WIRELESS LAN ( STANDARD, FUNK-ETHERNET) - Für energiestarke Geräte 2 Modi von WLAN Access Point/Infrastrukturmodus Es gibt einen Netzmittelpunkt, mit dem alle kommunizieren Reichweite im Freien: 300m Adhoc Die PCs senden sich die Daten direkt zu Reichweite im Freien: 30m b-Standard: (bis zu 11 Mbit/s) Nutzt lizenzfreies ISM-Band g-Standard: (bis zu 54 Mbit/s) Nutzt lizenzfreies ISM-Band Kompatibel n-Standard: (bis zu 540 Mbit/s) Nutzt lizenzfreies ISM-Band (Noch nicht standardisiert) CSMA/CA-Verfahren - Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance - Nötig, weil Kollisionen nicht immer zuverlässig erkannt werden können - Nach dem Senden einer Nachricht wird zur Sicherheit eine Pause gemacht (Interframe Spacing) - Danach sendet jede sendewillige Station ein RTS (ready to send). Dieses enthält Informationen über den Umfang der zu sendenden Daten, so dass die anderen Teilnehmer wissen, dass sie in der dafür nötigen Zeit nichts senden dürfen - In den oben dargestellten Fällen (Ein Hindernis bzw. die Entfernung verhindert, dass der eine PC das RTS des anderen empfängt) lassen sich Kollisionen aber nicht ganz ausschließen. Deswegen erlaubt der Access Point über das CTS (clear tot send) explizit einer Station das Senden (was aber den Datendurchsatz wegen Overhead verringert) - Kollidieren zwei RTS (= kein CTS), senden die Stationen nach einer gewissen Zeit erneut ihr RTS - Nichtsdestotrotz senken die beiden oben dargestellten Konstellationen den Datendurchsatz - Kommt keine Bestätigung (acknowledgement) eines Datenpaketes, wird eine Kollision vermutet (passiert, wenn sich eine neue Station einschaltet, die das fremde CTS nicht mitkriegt) - All diese Verfahren verringern die Übertragungskapazität um ca. 30% i-Standard: Die beiden gebräuchlichen Verschlüsselungsalgorithmen WEP und WPA BLUETOOTH - Für energieschwache Geräte - Wurde durch einen Zusammenschluss von Ericsson, Nokia, IBM, Intel und Toshiba entwickelt - Ziel: Kleines, günstiges, einfaches, energiesparsames Funkmodul zur Kommunikation von Geräten wie Handys ohne direkten Sichtkontakt - Bluetooth ermöglicht Datenraten von 723 Kbit/s und überbrückt Reichweiten von bist zu 10 Metern (mit Verstärker auch bis zu 100 m). Sprachübertragungen sind so möglich. - Die Kommunikation erfolgt im lizenzfreiem ISM-Band über ein robustes Modulationsverfahren - Um die Sicherheit zu steigern und die Auswirkungen lokaler Störeinflüsse zu senken, wird FHSS eingesetzt. Dieses Frequenz Hopping Spread Spectrum wird vom Master gesteuert und sorgt dafür, dass die sendenden Stationen in regelmäßigen Abständen die Frequenz wechseln - Kommunizieren in Kleinstfunkzellen (Picozellen/-netzen), in denen bis zu acht Geräte miteinander kommunizieren können, wobei ein Gerät die Rolle das Masters übernimmt und die Kommunikation koordiniert - In einer Zelle können sich bis zu 255 Slaves aufhalten (= passive Geräte), die der Master aktivieren kann - Punkt-zu-Punkt und Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen sind so möglich. Stationen, die Mitglieder in mehreren Piconetzen sind, sind netzübergreifende Verbindungen möglich (= Scatter-Netz)