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5. Rechnernetze

Fakultät Informatik Institut Systemarchitektur Professur Datenschutz und Datensicherheit

Dr.-Ing. Elke [email protected]

WS 2018/2019

5 Rechnernetze – Definition und Nutzen

RechnernetzVerteiltes System von mehreren unabhängigen, möglicherweise verschiedenen Computern, die miteinander kommunizieren können.

Gründe für die Kopplung von Rechnern sind z.B.

• RessourcenverbundGemeinsame Nutzung von Hard- und Softwarekomponenten sowie Daten

• LastverbundVerteilung der benötigten Rechenleistung, Behandlung von Ausfällen

• KommunikationsverbundNachrichtenaustausch zwischen räumlich entfernten Benutzern

Informatik I (für Verkehrsingenieure) WS 2018/2019 2

5 Rechnernetze – Arten von Netzen

Lokale und globale Netze

Lokales Netz (Local Area Network, LAN)• Begrenzte Anzahl von Rechnern und begrenzte Netzausdehnung• Meist Broadcast (Beispiel: Ethernet)

Stadtnetz (Metropolitan Area Network, MAN)• Spezielles Weitverkehrnetz, typischerweise auf (Teil-)Gebiet einer

Stadt oder Gelände einer großen Firma beschränkt

Weitverkehrsnetz (Wide Area Network, WAN)• Große geographische Ausdehnung, Verbindung von Maschinen

(Hosts), auf denen Anwenderprogramme laufen• Übertragungsleitungen und Vermittlungselemente


5 Rechnernetze – Beispielnetz: Internet

Entwicklung des InternetsSeit ca. …


1969 ARPANET (Advanced Research Projetcs Agency-Net), militärisches Netzwerk, gefördert durch US-Verteidigungs-ministerium (Department of Defense, DoD); experimentelles Netz mit Knoten an vier Universitäten

1972 Nutzung zur Verbindung von Universitäten und Forschungseinrichtungen

1973 Beginn der Entwicklung der Protokollfamilie TCP/IP1989 WWW (World Wide Web)1992 Gründung der Internet Society

In den folgenden Jahren zunehmende private und kommerzielle Nutzung, zunehmende Verbreitung von Multimedia, Leistungserhöhung …


RFC (Request for Comments)

• Begriff bereits seit 1969 verwendet• Wichtigste Funktion: schrittweise Festlegung von

Protokollen• Praktisch alle Entwicklungen im Zusammenhang mit dem

Internet sind als RFC dokumentiert• Verfügbar unter: www.rfc-editor.org

• Standardisierungsstatus (Beispiele):• „Proposed Standard“): offene Diskussion • „Draft Standard“: Analyse/Test abgeschlossen, Modifikation

noch möglich• „Full Standard“: Standard zur Nutzung freigegeben



Vergabe von Namen und Adressen• Dezember 1988: Gründung der IANA (Internet Assigned

Numbers Authority)• Heute Unterabteilung der ICANN (The Internet Corporation for

Assigned Names and Numbers)

• Hierarchie von Registraren:


IANA/ICANN

RIPE

DENIC

ARIN

AFNIC . . .. . .

international

DENIC: Deutschland

regional

lokal

. . .

Regionale Registrare

5 Rechnernetze – Dienste und Protokolle


RechnernetzdiensteDienst: Gruppe von Operationen• Von einer Schicht der darüberliegenden Schicht angeboten• Dienstschnittstelle definiert, welche Dienste angeboten werden • Diensterbringung ist transparent

NachrichtenaustauschprotokollRechner

1Rechner

2

Dienst-Schnittstelle

KommunikationsnetzDienst-Schnittstelle

Strukturierung der Netzsoftware in übereinandergestapelte Schichtenoder Ebenen, um die Komplexität zu verringern.

RechnernetzprotokolleRegeln für den Nachrichtenaustausch zwischen denselben Schichten auf verschiedenen Maschinen• Nachrichtensyntax• zulässige Nachrichtenreihenfolge• Zeitschranken• Fehlerreaktionen

5 Rechnernetze – Dienste und Protokolle

Dienstarten

Verbindungsorientierte Dienste• Verbindung wird aufgebaut, benutzt und wieder abgebaut• Reihenfolge bleibt erhalten• Analogie: Telefon

Verbindungslose Dienste• Jede Nachricht (Dateneinheit, Datengramm) trägt eine volle

Adresse und wird unabhängig von allen anderen Nachrichten durch das System geschleust

• Ankunft in geänderter Reihenfolge möglich• Analogie: Versenden von Briefen

Klassifizierung nach Dienstqualität: Zuverlässigkeit• Zuverlässige Dienste: kein Datenverlust während Übertragung• Bestätigung durch Empfänger (acknowledgment)• Nachteil: zusätzliche Lasten und Verzögerungen


5 Rechnernetze – OSI-Modell

OSI-Modell (Open Systems Interconnection)

• Normiertes Referenzmodell für Kommunikationsprotokolle in offenen Systemen

• Entwicklung begann 1977, seit 1983 von der International Telecommunication Union und seit 1984 auch von der International Organization for Standardization als Standard (ISO 7498) veröffentlicht

• Modell mit sieben Schichten (engl. layer): jede Schicht stellt gewisse Funktionalität für nächsthöhere Schicht bereit und nutzt Dienste der darunterliegenden Schicht

• Betrachtung von Signalübertragung über das physischen Kanal bis hin zu komplexen Diensten der Anwendung

• Aufgaben dieser Schichten werden beschrieben, die auf den Schichten zu benutzenden Dienste und Protokolle sind separat definiert




Schicht 7: AnwendungApplication Layer (A)

Schicht 6: DarstellungPresentation Layer (P)

Schicht 5: SitzungSession Layer (S)

Schicht 4: TransportTransport Layer (T)

Schicht 3: VermittlungNetwork Layer (N)

Schicht 2: SicherungData Link Layer (DL)

Schicht 1: BitübertragungPhysical Layer (PHY)

Anwendersystem bzw. Transport-Service-Nutzer; datenverarbeitungsorientierte Aufgaben

Transportsystem bzw. Transport-Service-Provider; kommunikationsorientierte Aufgaben


7. Anwendungsschicht: Kommunikation zwischen Anwendungen, Dienste wie z.B. DNS, FTP, E-Mail, WWW

6. Darstellungsschicht: Formatkonvertierung bei Kommunikation zwischen heterogenen Rechnern, Datenkompression, Verschlüsselung

5. Sitzungsschicht (Kommunikationssteuerung): Dialogsteuerung, Synchronisation (Sicherungspunkte, Transaktionen)

4. Transportschicht: Sichere Ende-zu-Ende Kommunikation zwischen Prozessen, Flusssteuerung zwischen Endsystemen

3. Vermittlungsschicht: Wegewahl Sender Empfänger (Routing), Kopplung heterogener Teilnetze

2. Sicherungsschicht: Sichere Übertragung von Daten zwischen benachbarten Rechnern (Übertragungsfehler, Flusssteuerung)

1. Bitübertragungsschicht: Übertragung von Bitstömen über den physischen Kommunikationskanal




Endsystem (Host) Endsystem (Host)Vermittlungssystem (Router)

Schicht 7: (A)

Schicht 6: (P)

Schicht 5: (S)

Schicht 7: (A)

Schicht 6: (P)

Schicht 5: (S)

Schicht 4: (T)

Schicht 3: (N)

Schicht 2: (DL)

Schicht 1: (PHY)

Schicht 4: (T)

Schicht 3: (N)

Schicht 2: (DL)

Schicht 1: (PHY)

Schicht 3: (N)

Schicht 2: (DL)

Schicht 1: (PHY)PHY-Prot.

DL-Prot.

PHY-Prot.

N-Prot.

DL-Prot.

N-Prot.

A-Protokoll

P-Protokoll

S-Protokoll

T-Protokoll



Schicht 7: (A)

Schicht 6: (P)

Schicht 5: (S)

Schicht 4: (T)

Schicht 3: (N)

Schicht 2: (DL)

Schicht 1: (PHY)

Daten

Daten

Daten

Daten

Daten

Daten

Bits

PH

SH

TH

NH

DH DT

H … Header (Kopffeld)T … Trailer (Schlussfeld)

• durch die Schichten den Daten hinzugefügt / wieder entfernt

• enthalten relevante Informationen für die Bearbeitung der Datenpakete, wie z.B. Adressen

AH



Schicht 7: Anwendung

Schicht 6: Darstellung

Schicht 5: Sitzung

Schicht 4: Transport

Schicht 3: Vermittlung

Schicht 2: Sicherung

Schicht 1: Bitübertragung

Anwendungsschicht

Transportschicht

Vermittlungsschicht

Sicherungs- und Bitübertragungsschicht

TCP/IP-Modell OSI-Modell

Vergleich zum TCP/IP-Referenzmodell

• TCP/IP-Modell (DoD-Modell) zugeschnitten auf Internetprotokolle• Ebenfalls Schichtenmodell, aber nur 4 Schichten

Hybrides Modell (Umsetzung der Schichten 5-7 meist gemeinsam)

5 Rechnernetze – Bitübertragungsschicht

Schicht 1: Bitübertragungsschicht

Aufgaben• Physische Übertragung eines Bitstroms über den

Kommunikationskanal • Transformation in elektrisches/optisches/elektromagnetisches

Signal• Modulation/Demodulation; Aktivieren/Deaktivieren von

Verbindungen

Standardsenthalten mechanische, elektrische, optische Festlegungen

• Vorschriften zu Kabelarten• Steckerformen• Impulsspannungen• Taktraten• Synchronisationsmechanismen


5 Rechnernetze – Sicherungsschicht

Schicht 2: Sicherungsschicht

Aufgaben• Gewährleistung einer sicheren Übertragung der Daten über die

Bitübertragungsschicht zwischen Knoten, die direkt durch ein Übertragungsmedium verbunden sind

• Aufteilen des Bitstroms in Dateneinheiten (Rahmen bzw. Frames)• Behandlung von Fehlern (Erkennung bzw. Korrektur) bei der

Datenübertragung: Prüfsumme ( Kanalkodierung)• Flusssteuerung zur Überlastvermeidung • Verwalten von Verbindungen

Dienste für die Vermittlungsschicht• Unbestätigte verbindungslose Dienste• Bestätigte verbindungslose Dienste• Verbindungsorientierte Dienste



Bitstopfen (bit stuffing) zur Kennzeichnung der Rahmen• Einfügen einer speziellen Bitfolge am Anfang sowie Ende eines

Rahmens:0 1 1 1 1 1 1 0

• Folge darf nicht in den Daten auftreten – Sender fügt automatisch eine „0“ nach fünf Einsen ein

• Empfänger entfernt die eingefügten Nullen wieder (Bitstopfen ist für Vermittlungsschicht transparent)

Beispiel (Darstellung ohne die Bitfolge am Anfang und Ende)

Originaldaten:

Übertragung:

Beim Empfänger gespeichert:


0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0

0 1 1 0 1 1 1 1 1

0 1 1 0 1 1 1 1 1

0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1

0 0

0


Sichere Übertragung der Rahmen• Empfänger schickt positive oder negative Bestätigungen

(acknowledgments) an den Sender• Ggf. erneute Übertragung eines Rahmens• Sender startet Timer, um auch bei Verlust der Bestätigungen

reagieren zu können Zuverlässiger verbindungsloser Dienst: Duplikate möglich,

Reihenfolge der Rahmen nicht garantiert Verbindungsorientierte Dienste: Rahmen erhalten Nummern, damit

Garantie der Reihenfolge und Duplikatserkennung beim Empfänger

Flusssteuerung (Flow Control)• Sender darf Rahmen nicht schneller übertragen, als der Empfänger

sie verarbeiten kann (sonst Datenverlust)• Rückmeldung vom Empfänger notwendig• Protokoll regelt, wann der Sender übertragen darf


5 Rechnernetze – Vermittlungsschicht

Schicht 3: Vermittlungsschicht

Aufgaben• Weiterleiten von Datenpaketen vom Quellrechner über

Zwischenknoten zum Zielrechner• Wegewahl (Routing)• Bereitstellen einheitlicher Netzadressen• Transportschicht von Anzahl, Art und Topologie der Teilnetze

abschirmen

• Weitervermittelte Pakete gelangen nicht in höhere Schichten, sondern werden mit neuem Zwischenziel versehen und an den nächsten Knoten geschickt

• Vermittlungsschicht ist die unterste Schicht, die mit Ende-zu-Ende-Übertragung zu tun hat



Routing• Bestimmung der Routen vom Quell- zum Zielrechner• Verbindungslos: für jedes Datengramm neu zu bestimmen,

verbindungsorientiert: nur bei Verbindungsaufbau• Algorithmen: statisch vs. adaptiv (Routingentscheidung

berücksichtigt Messungen oder Schätzungen des momentanen Verkehrs und der aktuellen Topologie)

• Beispiel aus dem Internet für Routing in autonomen Netzen: OSPF (Open Shortest Path First)

• Alle Router tauschen regelmäßig Routinginformationen aus• Grundlage: Shortest Path First (Algorithmus von Dijkstra)• „Länge des Pfades“: Anzahl der Zwischenrechner, Entfernung,

Kosten, …



Internet Protocol (IP)• Grundlage des Internets• Verbindungsloses Protokoll – Versenden von Datengrammen• IP-Pakete: 1500 Byte, bestehend aus Header und Textteil (Nutzlast)• Header enthält für die Übertragung wichtige Informationen wie z.B.

• Adresse des Quell- und Zielrechners (IP-Adressen)• Länge des Headers • Lebenszeit des Pakets (Time to Live)• Protokoll• Prüfsumme für Header

Paketbearbeitung• Fehler Nachricht an Partner-Router• korrekt Lebenszeit dekrementieren, Prüfsumme neu berechnen• Paket weiterleiten (Routing)



Internetadresse (IP-Adresse)• Eindeutige Adresse für jeden Rechner (Vergabe: IANA/ICANN)• IPv4: 32 Bit (4 Byte) 232 (= 4 294 967 296) mögliche Adressen • Notation: byteweise dezimal, durch Punkt getrennt, z.B. 141.76.46.1

• IP-Adresse besteht aus Netzadresse und Hostadresse• Historisch: Netzklassen unflexibel, heute nicht mehr verwendet


0 Netz (7 Bit) Host (24 Bit)

1 0 Netz (14 Bit) Host (16 Bit)

1 1 0 Netz (21 Bit) Host (8 Bit)

1 1 1 0 Multicast-Adresse (28 Bit)

1 1 1 1 0 reserviert

A

B

C

D

E

Klasse


Aktuell: Classless Inter-Domain Routing (CIDR)• Keine Unterteilung in Netzwerkklassen• Optimierte Adressvergabe, flexible Anzahl von Netzwerkbits• Variable Length Subnet Masking (VLSM): Unterteilung in Subnetze

Anteil der Netzwerkbits muss explizit angegeben werden• Subnetzmaske:

Bits, die mit „1“ belegt sind, gehören zu den Netzwerkbits

• Kurzschreibweise mit Suffix: <IP-Adresse>/<Anzahl der Netzwerkbits>


Netzadresse Hostadresse

Netzadresse : = IP-Adresse Subnetzmaske

Hostadresse : = IP-Adresse Subnetzmaske

bitweise logischeUND-Verknüpfung

Negation

Dezimal: Binär:

IP-Adresse 141. 76. 46. 10 10001101.01001100.00101110.00001010


Beispiel: IP-Adresse 141.76.46.10, Subnetzmaske 255.255.255.0

• Verkürzte Schreibweise mit Suffix: 141.76.46.10/24


Anzahl der Netzwerkbits = Bits, die in der Subnetzmaske „1“ sind

Dezimal: Binär:

IP-Adresse 141. 76. 46. 10 10001101.01001100.00101110.00001010

Subnetzmaske 255.255.255. 0 11111111.11111111.11111111.00000000

Dezimal: Binär:

IP-Adresse 141. 76. 46. 10 10001101.01001100.00101110.00001010

Subnetzmaske 255.255.255. 0 11111111.11111111.11111111.00000000

Netzadresse 141. 76. 46. 0 10001101.01001100.00101110.00000000

Dezimal: Binär:

IP-Adresse 141. 76. 46. 10 10001101.01001100.00101110.00001010

Subnetzmaske 255.255.255. 0 11111111.11111111.11111111.00000000

Netzadresse 141. 76. 46. 0 10001101.01001100.00101110.00000000

Hostadresse 0. 0. 0. 10 00000000.00000000.00000000.00001010


• Broadcast (Senden an alle Rechner in einem Teilnetz):

Alle Hostbits = „1“

• Am vorherigen Beispiel:

an alle Rechner im Teilnetz 141.76.46.0 senden


Dezimal: Binär:

IP-Adresse 141. 76. 46. 10 10001101.01001100.00101110.00001010

Subnetzmaske 255.255.255. 0 11111111.11111111.11111111.00000000

Broadcast 141. 76. 46.255 10001101.01001100.00101110.11111111



Internet

141.76.0.0 / 16

141.76.21.0/24

141.76.11.0/24

141.76.40.32/27

141.76.40.0/27

141.76.40.0/24

VLSM (Variable Length Subnet Masks)



Base-Net 10001101.01001100.00000000.00000000 141.76.0.0/16

Subnet 1 10001101.01001100.00101000.00000000 141.76.40.0/24

Subnet 1-1 10001101.01001100.00101000.00000000 141.76.40.0/27

Subnet 1-2 10001101.01001100.00101000.00100000 141.76.40.32/27

Host #1 10001101.01001100.00101000.00100001 141.76.40.33/27

Host #2 10001101.01001100.00101000.00100010 141.76.40.34/27

Host #3 10001101.01001100.00101000.00100011 141.76.40.35/27

… … …

Host #29 10001101.01001100.00101000.00111110 141.76.40.62/27

Broadcast 10001101.01001100.00101000.00111111 141.76.40.63/27

Subnet 1-3 10001101.01001100.00101000.01000000 141.76.40.64/27

Subnet 1-4 10001101.01001100.00101000.01100000 141.76.40.96/27

… … …

Maske


IPv6• IPv4 bietet auf Dauer nicht genügend Adressen• RFC 2460: Publikation IPv6 als Nachfolger von IPv4 (1998)

Eigenschaften (Auswahl)• 128 Bit lange Adressen 2128 (ca. 3,4∙1038) mögliche Adressen• Notation: acht Gruppen von je vier hexadezimalen Zahlen, z.B.

8000:0000:0000:0000:0123:4567:89AB:CDEF• Optimierungen wie z.B. Weglassen führender Nullen, Ersetzen von Gruppen

mit 16 Nullen zwei Doppelpunkte:8000::123:4567:89AB:CDEF

• Vereinfachung des Headers; Prüfsumme ist weggefallen• Optionen zur Verschlüsselung, Authentisierung, Prüfung der Datenintegrität• Verschiedene Adresstypen, Unterstützung von Multicasting (Senden an

mehrere Empfänger)• Möglichkeit der Notation von Quality of Service (QoS) Parametern


5 Rechnernetze – Transportschicht

Schicht 4: Transportschicht

Aufgaben• Kern der Protokollhierarchie• Zuverlässige Ende-zu-Ende Datenübertragung, auch bei

unzuverlässiger Vermittlungsschicht• Aushandlung von Dienstgüte-Eigenschaften (Quality of Service)

z.B. Durchsatz (übertragbare Bytes pro Sekunde), Übertragungszeitverzögerung oder Restfehlerrate

• Stauvermeidung (congestion avoidance)

• Bietet Schichten 5 bis 7 einheitlichen Zugriff• Niedrigste datenübertragungsorientierte Schicht (Verarbeitung von

Nachrichten und keinen Paketen)

• Transportprotokolle: UDP (verbindungslos) und TCP (verbindungsorientiert)



Adressierung bei Transportprotokollen• Kommunikation zwischen Prozessen auf Quell- und Zielrechner• Transportadressen TSAP (Transport Service Access Point): Ports

Port: 16-Bit Zahl, vordefinierte Ports z.B. 80 für HTTP• Endpunkte auf der Vermittlungsschicht: NSAP (Network Service

Access Point), z.B. IP-Adressen


Anwendungsschicht

Transportschicht

Vermittlungsschicht

Sicherungs- und Bitübertragungsschicht

Host 1 Host 2

Prozess

TSAP 254

NSAP

TSAP 125

NSAP


UDP (User Datagram Protocol)• Protokoll der Transportschicht (RFC 786)• Verbindungslos, nicht zuverlässig• Geringer Overhead, keine Verzögerung durch Verbindungsaufbau,

geringe Übertragungsverzögerungsschwankungen• Verwendung auf Anwendungen beschränkt, bei denen keine

zuverlässige Übermittlung von Nachrichten erforderlich ist • UDP-Protokoll-Dateneinheiten werden als IP-Pakete versendet



UDP Datagramm


IP-Header UDP-Header Payload

IP-Datagramm

UDP-Datagramm

Quell-Port Ziel-Port Länge Prüfsumme

16 Bit 16 Bit16 Bit16 Bit


TCP (Transmission Control Protocol)• Protokoll der Transportschicht (RFC 793)• Verbindungsorientiert, zuverlässig, aber hoher Overhead• Einteilung der zu sendenden Daten in TCP-Protokoll-Dateneinheiten

(TCP-Segmente) • TCP-Segmente werden als IP-Pakete versendet und beim

Empfänger wieder zusammengesetzt• Größe der TCP-Segmente üblicherweise bis max. 1500 Byte; 20

Byte für TCP-Header und 20 Byte für IP-Header • Nutzlast pro TCP-Paket: 1460 Byte

• Aufbau des TCP-Headers:


Quell-port

Ziel-port

16 Bit 16 Bit

Sequenz-Nr.

32 Bit

ACKNr.

32 Bit

Header-Länge

4 Bit

reser-viert

6 Bit

CTRL-Flags

6 Bit

Fenster-größe

16 Bit

Prüf-summe

16 Bit

URG-pointer

16 Bit

Optionen

variabel


• Verbindungsaufbau, Verbindungsabbau: 3-Wege-Handshake

• Erkennung von Paketverlusten• Sender startet Timer für jedes Paket, bei Ablauf erneutes Senden• Empfänger schickt Bestätigungen (Acknowledgments) für empfangene

Pakete, die korrekt sind (Prüfsumme in Ordnung)

• Flusssteuerung: Sliding Window• Problem: Puffer des Empfängers voll• Empfänger teilt Sender über das Feld „Fenstergröße“ mit, dass er keine

Daten senden soll

• Überlaststeuerung bzw. Staukontrolle: Congestion Window• Problem: Stau (congestion) im Netz, Puffer eines Routers voll• Slow start / congestion avoidance• Fast retransmit / fast recovery


5 Rechnernetze – Dienste: DNS

Domain Name System (DNS)• Verwendung von Namen beim Zugriff auf Rechner als

benutzerfreundliche Bezeichner (Namensvergabe durch ICANN)• Domain Name System (DNS): Abbildung Namen ↔ IP-Adressen


tu-dresden

deuk nlcomint net

root

dudpc

• Hierarchisches, auf Domänen basiertes Benennungsschema

• Implementierung: verteilte Datenbanken

inf

… …


DNS-Namensbereiche

• Benennung der Domänen aufwärts zur (unbenannten) Wurzel, Trennung der Komponenten durch Punkte:

dudpc.inf.tu-dresden.de


tu-dresden

deuk nlcomint net

root

dudpc

inf

… …

Domänen der obersten Ebene(Top Level Domains)

allgemein Länder

Teildomänen (Sub Domains)

Rechner (Hosts)


Nameserver• Kein einzelner Nameserver für gesamte DNS-Datenbank• Aufteilung des DNS-Namensbereichs in nicht überlappende Zonen• Pro Zone meist ein primärer Nameserver sowie einen oder mehrere

sekundäre (Zuverlässigkeit)• Anwenderrechner muss mindestens einen Nameserver kennen

• Namensauflösung • Resolver leitet Anfrage an lokalen Nameserver weiter• Falls angefragte Domain zur Zone des lokalen Nameservers gehört:

Rückgabe der IP-Adresse (autorativer Datensatz - korrekte Daten)• Sonst Weiterleitung an Nameserver der obersten Ebene der angefragten

Domäne


flits.cs.vu.nl cs.vu.nl edu.server.net yale.edu cs.yale.edu1 2 3 4

8 7 6 5

Beispiel: IP-Adresse des Hosts linda.cs.yale.edu

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5. Rechnernetze - tu-dresden.detu-dresden.de/ing/informatik/sya/ps/ressourcen/dateien/studium/materi...5 Rechnernetze – Definition und Nutzen Rechnernetz Verteiltes System von mehreren