Wolfgang Riggert Rechnernetze Grundlagen Ethernet Internet 4., aktualisierte und erweiterte Auflage
Riggert Rechnernetze
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
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 http://dnb.d-nb.de abrufbar. ISBN: 978-3-446-43164-5 E-Book-ISBN: 978-3-446-43386-1 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. 2012 Carl Hanser Verlag München Internet: http://www.hanser-fachbuch.de Lektorat: Dr. Martin Feuchte Herstellung: Dipl.-Ing. Franziska Kaufmann Satz: Kösel, Krugzell Coverconcept: Marc Müller-Bremer, www.rebranding.de, München Coverrealisierung: Stephan Rönigk Druck und Bindung: Friedrich Pustet KG, Regensburg Printed in Germany
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: http://www.rechnernetze-interaktiv.de 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
Inhalt 1 Netzwerkgrundlagen und -architektur... 13 1.1 Basiselemente eines Netzes... 15 1.2 Netzwerkkategorien... 17 1.3 Netzzugang und Pakettransport... 20 1.4 ISO/OSI-Referenzmodell... 26 1.5 Zusammenfassung... 33 1.6 Wissensüberprüfung... 34 2 Übertragungsmethoden und -medien... 35 2.1 Übertragungsverfahren... 36 2.2 Strukturierte Verkabelung... 40 2.3 Glasfaserverkabelung... 43 2.3.1 Historie... 44 2.3.2 Kabelaufbau... 44 2.3.3 Arbeitsweise... 45 2.3.4 Eingesetzte Technik... 45 2.3.5 Qualitätsparameter... 47 2.3.6 Glasfaserprofile... 49 2.3.7 Glasfaserkabelarten... 51 2.3.8 Steckverbindungen... 52 2.3.9 Bewertung... 53 2.4 Twisted-Pair-Verkabelung... 54 2.4.1 Qualitätsparameter... 55 2.4.2 EIA/TIA-568-Standard... 58 2.4.3 ISO/IEC-Standard 11801 und EN 50173... 59 2.4.4 Bewertung... 62 2.5 Zusammenfassung... 63 2.6 Wissensüberprüfung... 64 3 Ethernet-Technologie... 65 3.1 Historie... 65 3.2 Paketaufbau... 69 3.3 Zugriffsverfahren: CSMA/CD... 73 3.4 Signalverlauf... 78 3.5 Standards... 80
8 Inhalt 3.6 Fehlerquellen... 86 3.7 Verfahrensbewertung... 87 3.8 Zusammenfassung... 87 3.9 Wissensüberprüfung... 88 4 Ethernet-Standards... 89 4.1 Die Gegenwart: Fast-Ethernet... 89 4.1.1 Vorteile... 90 4.1.2 Bestandteile... 91 4.1.3 Varianten... 92 4.1.4 Auto-Negotiations-Technologie... 94 4.1.5 Topologie... 95 4.1.6 Migration von Standard- zu Fast-Ethernet... 96 4.2 Der Trend: Gigabit-Ethernet... 97 4.2.1 Physikalische Grundlagen... 98 4.2.2 Varianten... 99 4.2.3 Besonderheiten... 102 4.3 Die Zukunft: 10-GbE... 103 4.3.1 Eigenschaften... 103 4.3.2 Vorteile... 106 4.4 Technologische Trends... 108 4.5 Zusammenfassung... 111 4.6 Wissensüberprüfung... 111 5 IP-Protokollfamilie... 113 5.1 IP Internet Protocol... 114 5.1.1 Fragmentierung... 119 5.1.2 Routing-Optionen... 120 5.1.3 Routing... 121 5.2 Address Resolution Protocol ARP... 123 5.3 Reverse Address Resolution Protocol RARP... 126 5.4 Internet Control Message Protocol ICMP... 127 5.5 Zusammenfassung... 130 5.6 Wissensüberprüfung... 130 6 IP-Adressierung... 131 6.1 IP-Adressstruktur... 132 6.1.1 Class-A-Adressen... 134 6.1.2 Class-B-Adressen... 134 6.1.3 Class-C-Adressen... 134 6.1.4 Adressinterpretation... 134 6.1.5 Internetadressen mit besonderer Bedeutung... 136 6.2 Subnetzbildung... 137 6.3 Variabellange Subnetzmasken VLSM... 141
Inhalt 9 6.3.1 Grenzen der Subnetzbildung... 142 6.3.2 VLSM-Voraussetzungen... 142 6.4 Private Adressvergabe oder Network Adress Translation NAT... 145 6.5 Classless-Inter-Domain-Routing CIDR... 146 6.6 Verwaltungsfunktionen auf IP-Basis... 148 6.7 Zusammenfassung... 149 6.8 Wissensüberprüfung... 150 7 TCP-Protokoll... 151 7.1 Transmission Control Protocol im Detail... 151 7.1.1 Besonderheiten... 152 7.1.2 Merkmale... 153 7.1.3 Verbindungsmanagement... 155 7.1.4 Fehlervermeidungsmechanismen... 157 7.1.5 User Datagram Protocol UDP... 159 7.2 Zusammenfassung... 161 7.3 Wissensüberprüfung... 161 8 IPv6... 162 8.1 Historie... 163 8.2 Entwurfsziele... 163 8.3 Technische Betrachtung... 165 8.4 Die wichtigsten Merkmale... 166 8.4.1 IPv6-Header... 166 8.4.2 IPv6-Headererweiterungen... 168 8.4.3 IPv6-Adressformat... 172 8.4.4 Adressmanagement... 175 8.4.5 Begleitprotokolle... 176 8.5 Migrationswege... 178 8.5.1 Tunneling... 178 8.5.2 Dual-IP-Stack... 179 8.6 Mobile IPv6... 180 8.6.1 Kommunikationsablauf... 180 8.6.2 Technischer Hintergrund... 181 8.7 Zusammenfassung... 183 8.8 Wissensüberprüfung... 185 9 Layer-2 Geräte, Protokolle und Konzepte... 186 9.1 Switches... 187 9.1.1 Eigenschaften... 187 9.1.2 Arbeitsweise... 189 9.1.3 Switchingverfahren... 190 9.1.4 Erweiterungsmöglichkeiten... 193 9.1.5 Kapazitätssteigerung... 193
10 Inhalt 9.1.6 Switch-Architekturen... 194 9.2 Spanning-Tree... 196 9.3 Virtuelle LANs... 201 9.3.1 VLAN-Typen... 202 9.3.2 Trunking... 203 9.3.3 VLAN-Management... 204 9.4 Zusammenfassung... 205 9.5 Wissensüberprüfung... 205 10 Layer 3 Geräte, Protokolle und Konzepte... 207 10.1 Router... 207 10.1.1 Bedeutung... 208 10.1.2 Routing-Ablauf... 210 10.1.3 Routing-Methoden... 212 10.1.4 Unterschiede zwischen Routern und Switches... 214 10.2 Routing... 216 10.2.1 Bedeutung... 216 10.2.2 Routingprotokolle allgemeine Klassifizierung... 217 10.3 Routingprotokolle... 221 10.3.1 Routing Information Protocol RIP... 221 10.3.2 Open Shortest Path First OSPF... 224 10.4 Routingprobleme... 226 10.5 Einsatzaspekte von Switches und Routern... 228 10.6 Zusammenfassung... 229 10.7 Wissensüberprüfung... 230 11 Verwaltung von Netzwerken... 231 11.1 Netzwerkmanagement... 232 11.1.1 Netzwerkstatistiken... 233 11.1.2 OSI-Modell... 235 11.1.3 SNMP... 237 11.1.4 MIB... 239 11.1.5 SMI-Definition... 241 11.1.6 syslogd... 242 11.2 Netzwerksicherheit... 243 11.2.1 Allgemeine Bedrohungen... 243 11.2.2 Sicherheit für Switches und Router... 245 11.3 Zusammenfassung... 248 11.4 Wissensüberprüfung... 249 12 Wireless LAN... 250 12.1 IEEE-802.11-Standards... 251 12.2 Wireless-Architekturen... 254 12.3 Kodierungsverfahren und Kanäle... 255
Inhalt 11 12.4 Zugriffsmethoden: CSMA/CA... 257 12.4.1 Besonderheiten... 259 12.4.2 Anmeldeverfahren... 260 12.5 Rahmentypen... 261 12.6 Sicherheit... 264 12.7 Bewertung... 267 12.8 Zusammenfassung... 270 12.9 Wissensüberprüfung... 270 Literatur... 271 Index... 274