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Zusammenfassung Modul 117

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren

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Freigabe

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 2 Aufgaben der einzelnen Schichten (Layer)

modul117_zusammenfassungdocx - 3 19 -

Inhaltsverzeichnis

11 Uumlberblick OSI Layer 4 12 Uumlbersicht Datagrammbildung 4 13 ISO-OSI Protokoll-Stapel ndash Uumlbersicht 5 131 Legende 5 2 Aufgaben der einzelnen Schichten (Layer) 6 21 (1) Physical Layer (Bituumlbertragungsschicht physikalische Schicht) 6 22 (2) Data-Link-Layer (Sicherungsschicht Datenverbindungsschicht) 6 23 (3) Network Layer (Vermittlungsschicht Netzwerkschicht) 6 24 (4) Transport Layer (Transportschicht) 6 25 (5) Session Layer (Sitzungsschicht) 6 26 (6) Presentation Layer (Darstellungsschicht) 6 27 (7) Application Layer (Anwendungsschicht) 6 3 Rahmenbildung bei der vertikalen Kommunikation im OSI ndash Modell 7 4 Datenuumlbertragungsschicht 8 41 Aufgaben der Bituumlbertragungsschicht 8 42 Signalausbreitung 8 421 Uumlbertragungsrate 8 422 Bandbreite (Signal- und Kanalbandbreite) 8 43 Zeitlich und raumlumlich begrenzter Signalpuls 9 44 Kanalbandbreite 9 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung 9 51 Basisband-Uumlbertragung 9 52 Breiband-Uumlbertragung 9 53 Signal Codierung 10 54 Manchester Codierung 10 55 MLT-3 Codierung 10 56 4B5B-Leitungscode 11 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer 12 61 Aufgaben des Data Link Layers 12 62 Uumlbersicht 12 63 Aufbau des Ethernet II Frames 12 64 Aufbau der Ethernet MAC-Adressen 13 65 Arten von Ethernet MAC-Adressen 13 651 Unicast-Adressen 13 66 Broadcast-Adresse 13 661 Multicast-Adressen 13 67 Medien Zugriffsverfahren CSMACD 14 68 FLOW Control 14 7 Netzwerkgeraumlte 15 71 Switch 15 8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll 16 81 Internet Protokoll 16 82 Der IP - Header 16 83 Typen von IPv4-Adressen 16 9 Netz-Klassen nach IANA 17 91 Aufteilung des IP-Adressraumes in Netzklassen 17 92 Klassifizierung 17 10 Netztopologien 18 101 Das Client-Server-Prinzip 18 102 Peer to Peer 18 11 Glossar 19

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 2 Aufgaben der einzelnen Schichten (Layer)

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OSI-Referenzmodell

11 Uumlberblick OSI Layer

12 Uumlbersicht Datagrammbildung

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 2 Aufgaben der einzelnen Schichten (Layer)

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13 ISO-OSI Protokoll-Stapel ndash Uumlbersicht

Nr Bezeichnung

deutsch (eng-lisch)

Protokolle

TCPIP IEEE MSFT

Adressierung Ausdehnung

Funktionen Hardware

7 Anwendungs-Schicht

(Application- Layer)

Anwendungstypische Proto-kolle

http rarr tcp 80

6

Darstellungs- Schicht

(Presentation- Layer)

HTML XML

5

Sitzungs- Schicht

(Session- Layer)

Server Message Block (SMB)

Fruumlhere Bezeichnung fuumlr das Protokoll von Windows File Sharing (Heute Common In-ternet File System-CIFS)

4

Transport- Schicht

(Transport- Layer)

Transmission Control Protocol (TCP)

User Datagram Protocol (UDP)

Portnummern die vom Betriebssystem fuumlr Client - Applikationen verge-ben bzw von Ser-verapplikationen ver-langt werden

Vergl

systemroot system32trivers etcservices

(netstat)

Es sind nicht die Computer die mit-einander Daten aus-tauschen sondern SW - Prozesse

Diese Prozesse tra-gen PortNummern rarr Adressie-rung der Client- und Server - Prozesse

Firewall

3

Vermittlungs- Schicht

(Network- Layer)

Internet-Protokoll (IP)

Address Recolution Protocol (ARP)

IPv4-Adressen bestehen aus NetID und HostID

(ipconfig)

Weiterleitung der Daten-pakete durch das Internet auf-grund der NetworkID in der IP-Adresse

Die Weiterleitung wird von Routern uumlbernommen

Router (zB fuumlr den Uumlbergang des Net-workproviders in das LAN)

Firewall

2

Sicherungs- Schicht bzw

Datenverbin-dungs-

Schicht (Data- Layer)

Hardwareabhaumlngige IEEE-Protokolle zB IEEE-8023 fuumlr Eternet

Netzwerkkarten

MAC-Adressen besteht aus Katenherstellercode und eindeutige Karten-nummer

Weiterleitung der Daten im gleichen LAN aufgrund der MAC - Adresse Ge-zielte Zu-stellung wird vom Switch uumlbernommen

Auswechseln der HW-Abhaumlngigen Technologie (ADSL-Modem)

Switch

Bridge (zB fuumlr den Uumlbergang von ADSLATM zu Eter-net)

1

Bituumlbertragungs- Schicht

(Physical- Layer kurz PHY-

SICAL)

Kabeltypen Uumlbertragungsar-ten

zB 100BaseTX fuumlr 100Mbps auf Twisted Pair-Kabel mit RJ-45 Steckerb (normales LAN-Kabel)

Hub Repeater

131 Legende

Applikationsabhaumlngige Schichten Hardware - unabhaumlngige Schichten

Transportabhaumlngige Schichten Hardware - abhaumlngige Schichten

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 2 Aufgaben der einzelnen Schichten (Layer)

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2 Aufgaben der einzelnen Schichten (Layer)

21 (1) Physical Layer (Bituumlbertragungsschicht physikalische Schicht)

Uumlbertragung von Bitstroumlmen

Festlegung einer einer gemeinsamen Taktrate fuumlr die Bitsynchronisation (zB 10 100 Mbps)

Darstellung der Bits 0 und 1 als elektrische oder optische Signale (Leitungscodes)

22 (2) Data-Link-Layer (Sicherungsschicht Datenverbindungsschicht)

Aufteilung der Bitstroumlme in Bloumlcke oder Rahmen (Frames) geeigneter Laumlnge

Behandlung von Uumlbertragungsfehlern durch Fehlererkennung und Behebung (Error Detection and Recovery) Recovery (Reaktion zur Fehllerbehebung wird uumlblicherweise nur bei WAN-Technologien angewendet

Block- oder Rahmensynchronisation

Regelung des Zugriffs auf das gemeinsam genutzte Uumlbertragungsmedium

23 (3) Network Layer (Vermittlungsschicht Netzwerkschicht)

Weiterleitung (Relaying) von Daten (gegebenenfalls mit Protokollkonvertierung)

Wegsteuerung (Routing) fuumlr die Weiterleitung von Daten

Adressierung von Computer-Systemen durch Vergabe von (logischen) Netzwerkadressen

Umsetzung von Netzwerkadressen in physikalische Adressen (ARP)

Buumlndelung (Multiplexing) mehrerer Netzverbindungen uumlber einzelne Teilstrecken

24 (4) Transport Layer (Transportschicht)

Unterstuumltzung einer zuverlaumlssigen Ende-zu-Ende-Verbindung zwischen Prozessen (Transport-dienstbenutzer) auf den Endsystemen

Verbergen der Netzcharakteristika vor den Anwendungs orientierten Schichten

Formelle Aushandlung einer Verbindungsbeziehung zwischen Client und Server (TCP)

Fehlerkontrolle (sind alle Pakete einer Uumlbertragung angekommen)

Buumlndelung (Multiplexing) mehrerer Transportverbindungen uumlber eine Netzverbindung

25 (5) Session Layer (Sitzungsschicht)

Auf-Abbau und Benutzung einer Dialogverbindung Wichtigstes Beispiel Zugriff auf freigegebene Ressourcen (Ordner Dateien Drucker) bei Win32 Betriebssystemen Das verwendete Protokoll heisst SMB (Server Message Block)

Steuerung des Dialogs (wer sendet wann und wie lange)

Setzen von Synchronisationspunkten und Dialogsynchronisation

26 (6) Presentation Layer (Darstellungsschicht)

Konvertierung der ausgetauschten Daten in eine systemunabhaumlngige Form (Umsetzung der Syntax) zur Sicherstellung der wechselseitig richtigen Interpretation

Datenkompression

27 (7) Application Layer (Anwendungsschicht)

Unterstuumltzung von Benutzer-Anwendungsprozessen durch Bereitstellung geeigneter Dien- ste (zB Dateitransfer Nachrichtenuumlbermittlung Terminaldialog Transaktionsverarbeitung)

Netzwerktransparenz fuumlr Benutzer-Anwendungsprozesse

Netzwerkmanagement

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 3 Rahmenbildung bei der vertikalen Kommunikation im OSI ndash Modell

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3 Rahmenbildung bei der vertikalen Kommunikation im OSI ndash

Modell

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 4 Datenuumlbertragungsschicht

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4 Datenuumlbertragungsschicht

41 Aufgaben der Bituumlbertragungsschicht

bull Uumlbertragung von Bitstroumlmen

bull Festlegung einer Taktrate fuumlr die Bitsynchronisation

bull Darstellung der Bit-Werte bdquo0ldquo und bdquo1ldquo als elektrische

elektromagnetische oder optische Signale durch so genannte Leitungscodes

42 Signalausbreitung

421 Uumlbertragungsrate

Die Uumlbertragungsrate gibt an wie viele Bits pro Sekunde uumlbertragen werden koumlnnen Die Mass-einheit ist Bits pro Sekunde Das fuumlhrt in der Netzwerktechnik zu unpraktikabel grossen Werten daher sind heute die folgenden Mass-Einheiten gebraumluchlich kbps Mbps und Gbps

422 Bandbreite (Signal- und Kanalbandbreite)

Ein weiterer vor allem in der Nachritentechnik und Telematik wichtiger Begriff ist die Bandbreite Bei diesem Begriff muss unterschieden werden ob damit die Bandbreite des zur Verfuumlgung stehenden Nachrichtenkanals oder die Bandbreite eines Signalpulses gemeint ist

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

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43 Zeitlich und raumlumlich begrenzter Signalpuls

Information kann nur durch raumlumlich und zeitlich begrenzte Signalpulse uumlbertragen werden Diese Pulse weisen eine bestimmte Signalbandbreite auf

Dabei gilt der folgende naturgesetzliche Zusammenhang

Je mehr Information pro Sekunde uumlbertragen werden soll

desto kuumlrzer sind die Signalpulse und

desto groumlsser die Signalbandbreite

44 Kanalbandbreite

Unter der Kanalbandbreite eines Uumlbertragungsmediums versteht man jenen Frequenzbereich auf dem in die-sem Medium wirklich Signale uumlbertragen werden koumlnnen

Ausserhalb dieses Frequenzbereiches kann das Uumlbertragungsmedium aus materialbedingten physikalischen Gruumlnden nicht mehr zu Schwingungen angeregt werden und kann demnach dann auch keine Signalpulse mit zu grossen Signalbandbreiten mehr uumlbertragen

5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

51 Basisband-Uumlbertragung

Wenn die gesamte Kanalbreite eines Uumlbertragungsmediums fuumlr eine einzige bitserielle Uumlbertragung eingesetzt wird spricht man von Basisband-Uumlbertragung

Die Ethernet-LAN-Technologie IEEE 8023 ist eine typische Basisband-Uumlbertragungs-Technik

52 Breiband-Uumlbertragung

Obwohl aus der Bezeichnung nicht gerade darauf schliessen wuumlrde bedeutet Breitband-Uumlbertragung folgen-des

Die verfuumlgbare Kanalbandbreite wird auf mehrere separate bitserielle Datenstroumlme aufgeteilt Ein einzelner Da-tenstrom kann nur einen Teil der verfuumlgbaren Kanalbandbreite uumlbernehmen

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

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53 Signal Codierung

54 Manchester Codierung

Die Manchester-Codierung von Bitstroumlmen zur Leitungsuumlbertragung ist so ausgelegt dass die empfangende Netzwerkkarte den Systemtakt der sendenden Karte zuruumlckgewinnen kann

Wie die Manchester-Codierung eines Bitstromes erfolgt wird aus der folgenden Graphik ersichtlich

Die Manchester-Codierung wird oder besser gesagt wurde bei Ethernet-LANs auf Koaxialkabeln eingesetzt

Die Manchester-Codierung ist so angelegt dass

0 Bit durch eine fallende Signalflanke

1 Bit durch eine steigende Signalflanke

55 MLT-3 Codierung

Beim heute verbreitet verwendeten Ethernet-Standard 100BaseTX wird die sogenannte MLT-3 Codierung ver-wendet

MLT-3 Verfahren dargestellt an einem Bitstrom

Datenstrom 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0

Spannungspegel 0 0 + 0 - - 0 0 0 0 0 + + + + + + 0 0 - 0 + +

Noch deutlicher wird die Funktionsweise von MLT-3 anhand eines Diagramms

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

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56 4B5B-Leitungscode

Bei diesem Code werden lange 0- oder 1-Folgen vermieden die die Taktruumlckgewinnung erschweren koumlnn-ten Dazu werden jeweils 4 Daten-Bit in 5 Signal-Bit codiert Dabei darf es nicht mehr als eine fuumlhrende 0 und nicht mehr als 2 abschlieszligende 0 geben

Die Umwandlung von 4-Bit langen Bloumlcken in 5-Bit lange Bloumlcke wird anhand einer standardisierten Umwand-lungstabelle die in den Netzwerkkarten einprogrammiert ist vorgenommen

Codierungsstabelle 4B5B-Code

Rohdaten (4-Bit Nibble) Codierte Daten (5-Bit)

0000 11110

0001 01001

0010 10100

0011 10101

0100 01010

0101 01011

0110 01110

0111 01111

1000 10010

1001 10011

1010 10110

1011 10111

1100 11010

1101 11011

1110 11100

1111 11101

Der Tabelle kann man entnehmen dass nach der 4B5B-Codierung maximal noch zwei 0-Bit-Werte in Folge uumlbertragen werden muumlssen

Damit ergibt sich fuumlr die Uumlbertragung in 100BaseTX-Ethernet-LANs der folgende Ablauf

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

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Logical Link Control Sublayer (LLC)

Media Acces Control Sublayer (MAC) MAC-Adresse

CSMACD

Bildung Empfang und Versand von Ethernet-Frames

Fluss-Kontrolle

2b

2a

6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

61 Aufgaben des Data Link Layers

Versand und Empfang von Ethernet - Frames

Versand und Empfang von Ethernet-Frames zu und von Hosts aus dem gleiche IP-Teilnetz (dh alle uumlber den Layer z adressierten Hosts liegen auf der gleichen Seite eines Routers)

Einpacken der IP-Datagramme des aus dem Layer 3 in Ethernet-Frames

Adressieren der Ethernet-Frames mit MAC-Adressen fuumlr den Zielhost und Absender-Host

Regelung des Zugriffs auf das gemeinsam genutzte Uumlbertragungsmedium

Dazu wird ein Verfahren angewendet das unter der Bezeichnung CSMACD bekannt ist

Flusskontrolle

Soll Uumlberlauf des internen Empfangspuffers von Netzwerkkarten und Switches verhindern

Reaktion auf Uumlbertragunsfehler

Bit - Uumlbertragunsfehler werden erkannt

62 Uumlbersicht

63 Aufbau des Ethernet II Frames

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

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64 Aufbau der Ethernet MAC-Adressen

Ethernet MAC-Adressen sind 48 Bit (= 6 Bytes) lang

Die interne Struktur der MAC-Adresse ist wie folgt definiert

65 Arten von Ethernet MAC-Adressen

651 Unicast-Adressen

Unter eine Unicast-MAC Adresse versteht man eine MAC-Adresse

die nur fuumlr eine bestimmte Netzwerkkarte zutrifft

Ein Unicast-adressiertes Frame wird nur von der betreffenden

Netzwerkkarte verarbeitet (vergl Bemerkung am Ende dieses Abschnittes)

66 Broadcast-Adresse

Ein Broadcast-adressiertes Frame wird von jeder Netzwerkkarte die das Broadcast-adressierte Frame bdquosiehtldquo verarbeitet Etwas bildlich ausgedruumlckt hat die Broadcast-Adresse die Wirkung von bdquoMeldung an alleldquo

Die MAC-Broadcast-Adresse bei Ethernet lautet FF FF FF FF FF FF

661 Multicast-Adressen

Multicast-Adressen dienen zur Adressierung einer bestimmten Gruppe von Hosts (zB die Ports aller Ethernet-Switches) Unicast-adressirte Frames weden fuumlr die Switch to Switch Kommunikation verwendet Unicast-MAC-Adressen besitzen kein so typisches Byte-Muster wie die MAC-Broadcast-Adresse

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

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67 Medien Zugriffsverfahren CSMACD

Das CSMACD (Carrier Sense Multiple Access Collision Detection) ist ein Standardzugriffsverfahren bei Ethernet-Netzwerken Erst nachdem ein Datenpacket mehrfach erfolglos uumlbertragen wurde wird eine Fehler-meldung ausgegeben

Ablauf des Zugriffsverfahren CSMACD (Carrier Sende Multiple Access Collision Detection)

68 FLOW Control

Wenn von einer Netzwerkkate ein Bitstrom eingelesen und zu einem Ethernet-Frame assembliert wird bemerkt der Betriebssytem-Kern natuumlrlich nichts davon Insbesondere werden die empfangenen Daten nicht einfach bdquoon the flyldquo an die daruumlber liegende IP-Schicht weitergeleitet

Durch rechtzeitiges Versenden von PAUSE-Signalen wird insbesondere in sehr schnellen Netzen verhindert dass Frames ausgesendet werden die gar nicht verar-beitet werden koumlnnen Dadurch sinkt die Last auf den Switchen bzw die verfuumlgbare Uumlbertragungsleistung kann sinnvoller eingesetzt werden

Unterbrechungs-Signal

IP Internet-Protocol

Netzwerkkarte (Data Link Layer)

Daten-Eingangspuffer

BIOS

Betriebssystem-Kern

Netzwerkkarten- Treiber

Bitstrom

Nutzdaten

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 7 Netzwerkgeraumlte

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7 Netzwerkgeraumlte

71 Switch

Der Switch ist eigentlich eine Multiport Bridge und wurde als Ersatz fuumlr den Layer 1 Hub konzipiert Ein Switch besitzt die gleichen technischen Merkmale wie eine Bridge Die Weiterleitung von Ethernet-Frames erfolgt gezielt aufgrund der Ziel-MAC-Adresse

Wichtige Vorteile des Switch gegenuumlber dem Hub sind

In einem geswitchten LAN beschraumlnken sich die Kollisionsdomaumlnen auf die Microsegmente

In einem geschwitchten LAN ist koumlnnen die Netzwerkkarten im Voll-Duplex Modus ar-beiten

In einem geswitchten LAN koumlnnen die Netzwerkkarten mit Flusskontrolle arbeiten

In einem geswitchten LAN werden die optimalen Uumlbertragungsparameter per Autonegotiation dyna-misch pro Verbindung ausgehandelt

In einem geschwitchten LAN sind redundante Topologien moumlglich weil die Switches mit Hilfe des Span-ning Tree Protocols durch gezielte Port-Abschaltungen Schleifenbildung verhindern koumlnnen

Weil Switches uumlber einen Data-Link Layer verfuumlgen kann daruumlber auch der vollstaumlndige TCPIP-Stack implementiert werden um die Administration uumlber http oder Telnet zu ermoumlglichen

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

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8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

81 Internet Protokoll

Die wichtigsten Aufgaben des IPrsquos sind

Adressierung von IP - Teilnetzen und den darin enthaltenen Hosts

Die im Internet direkt erreichbaren Hosts

muumlssen weltweit eindeutig adressiert werden koumlnnen

Die IP - Adressierung muss Hardware - unabhaumlngig sein

Die IP - Adressierung muss eine effiziente Weiterleitung

von IP - Datagrammen durch das Internet hindurch ermoumlglichen

Es muss fuumlr jeden Layer 2 - Hardware - Technologie ein Verfahren geben die Abbildung der Hardware - unabhaumlngigen IP - Adressen auf die entsprechenden Layer 2 Hardwareabhaumlngigen Adressen durch-fuumlhrt (bei der Kombination IP und Ethernet ist dies das Protokoll ARP)

82 Der IP - Header

Die IP - Nutzlast eines Ethernet - II - Frames wird als IP - Datagramm bezeichnet Das IP - Datagramm besteht seinerseits wieder aus einem Header und der zugehoumlrigen Nutzlast

Version IHL TOS Total length

Identification Flags Fragment offset

TTL Protocol Header checksum

Source IP address

Destination IP address

Options and padding

83 Typen von IPv4-Adressen

Genau gleich wie dies auch bei den MAC - Adressen der Fall ist sind drei Typen von IPv4-Adressen zu unter-scheiden

Unicast IP - Adressen Zuordnung zu einer einzelnen Netzwerkschnittstelle die sich in einem bestimmten IP - Teilnetz befindet Unicast - IP - Adressen werden fuumlr die 11 - Kommunikation eingesetzt

Multicast IP - Adressen Zuordnung zu einer oder mehreren Netzwerkschnittstellen die sich zudem in verschiedenen IP - Teilnetzen befinden koumlnnen Multicast - IP - Adressen werden fuumlr die 1n - Kommunikation verwendet

In IPv4 Netzwerken spielt die Multicast - Zustellung von IP - Datagrammen kaum eine Rolle Neu findet man in LANs Datagrammen fuumlr die Multicast - IP - Zieladresse 239255255250

Diese Multicast - Adresse wird von UPnP - faumlhigen Clients zB zur Ankuumlndigung ihrer Dienste im LAN verwen-det (UPnP = Universal Plug and Play)

Broadcast IP-Adresse Zuordnung zu allen Netzwerkschnittstellen die sich in einem IP-Teilnetz befinden Die Broadcast-IP-Adressierung wird fuumlr die 1alle-Kommunikation im IP-Teilnetz verwendet

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 2 Aufgaben der einzelnen Schichten (Layer)

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Inhaltsverzeichnis

11 Uumlberblick OSI Layer 4 12 Uumlbersicht Datagrammbildung 4 13 ISO-OSI Protokoll-Stapel ndash Uumlbersicht 5 131 Legende 5 2 Aufgaben der einzelnen Schichten (Layer) 6 21 (1) Physical Layer (Bituumlbertragungsschicht physikalische Schicht) 6 22 (2) Data-Link-Layer (Sicherungsschicht Datenverbindungsschicht) 6 23 (3) Network Layer (Vermittlungsschicht Netzwerkschicht) 6 24 (4) Transport Layer (Transportschicht) 6 25 (5) Session Layer (Sitzungsschicht) 6 26 (6) Presentation Layer (Darstellungsschicht) 6 27 (7) Application Layer (Anwendungsschicht) 6 3 Rahmenbildung bei der vertikalen Kommunikation im OSI ndash Modell 7 4 Datenuumlbertragungsschicht 8 41 Aufgaben der Bituumlbertragungsschicht 8 42 Signalausbreitung 8 421 Uumlbertragungsrate 8 422 Bandbreite (Signal- und Kanalbandbreite) 8 43 Zeitlich und raumlumlich begrenzter Signalpuls 9 44 Kanalbandbreite 9 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung 9 51 Basisband-Uumlbertragung 9 52 Breiband-Uumlbertragung 9 53 Signal Codierung 10 54 Manchester Codierung 10 55 MLT-3 Codierung 10 56 4B5B-Leitungscode 11 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer 12 61 Aufgaben des Data Link Layers 12 62 Uumlbersicht 12 63 Aufbau des Ethernet II Frames 12 64 Aufbau der Ethernet MAC-Adressen 13 65 Arten von Ethernet MAC-Adressen 13 651 Unicast-Adressen 13 66 Broadcast-Adresse 13 661 Multicast-Adressen 13 67 Medien Zugriffsverfahren CSMACD 14 68 FLOW Control 14 7 Netzwerkgeraumlte 15 71 Switch 15 8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll 16 81 Internet Protokoll 16 82 Der IP - Header 16 83 Typen von IPv4-Adressen 16 9 Netz-Klassen nach IANA 17 91 Aufteilung des IP-Adressraumes in Netzklassen 17 92 Klassifizierung 17 10 Netztopologien 18 101 Das Client-Server-Prinzip 18 102 Peer to Peer 18 11 Glossar 19

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 2 Aufgaben der einzelnen Schichten (Layer)

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OSI-Referenzmodell

11 Uumlberblick OSI Layer

12 Uumlbersicht Datagrammbildung

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 2 Aufgaben der einzelnen Schichten (Layer)

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13 ISO-OSI Protokoll-Stapel ndash Uumlbersicht

Nr Bezeichnung

deutsch (eng-lisch)

Protokolle

TCPIP IEEE MSFT

Adressierung Ausdehnung

Funktionen Hardware

7 Anwendungs-Schicht

(Application- Layer)

Anwendungstypische Proto-kolle

http rarr tcp 80

6

Darstellungs- Schicht

(Presentation- Layer)

HTML XML

5

Sitzungs- Schicht

(Session- Layer)

Server Message Block (SMB)

Fruumlhere Bezeichnung fuumlr das Protokoll von Windows File Sharing (Heute Common In-ternet File System-CIFS)

4

Transport- Schicht

(Transport- Layer)

Transmission Control Protocol (TCP)

User Datagram Protocol (UDP)

Portnummern die vom Betriebssystem fuumlr Client - Applikationen verge-ben bzw von Ser-verapplikationen ver-langt werden

Vergl

systemroot system32trivers etcservices

(netstat)

Es sind nicht die Computer die mit-einander Daten aus-tauschen sondern SW - Prozesse

Diese Prozesse tra-gen PortNummern rarr Adressie-rung der Client- und Server - Prozesse

Firewall

3

Vermittlungs- Schicht

(Network- Layer)

Internet-Protokoll (IP)

Address Recolution Protocol (ARP)

IPv4-Adressen bestehen aus NetID und HostID

(ipconfig)

Weiterleitung der Daten-pakete durch das Internet auf-grund der NetworkID in der IP-Adresse

Die Weiterleitung wird von Routern uumlbernommen

Router (zB fuumlr den Uumlbergang des Net-workproviders in das LAN)

Firewall

2

Sicherungs- Schicht bzw

Datenverbin-dungs-

Schicht (Data- Layer)

Hardwareabhaumlngige IEEE-Protokolle zB IEEE-8023 fuumlr Eternet

Netzwerkkarten

MAC-Adressen besteht aus Katenherstellercode und eindeutige Karten-nummer

Weiterleitung der Daten im gleichen LAN aufgrund der MAC - Adresse Ge-zielte Zu-stellung wird vom Switch uumlbernommen

Auswechseln der HW-Abhaumlngigen Technologie (ADSL-Modem)

Switch

Bridge (zB fuumlr den Uumlbergang von ADSLATM zu Eter-net)

1

Bituumlbertragungs- Schicht

(Physical- Layer kurz PHY-

SICAL)

Kabeltypen Uumlbertragungsar-ten

zB 100BaseTX fuumlr 100Mbps auf Twisted Pair-Kabel mit RJ-45 Steckerb (normales LAN-Kabel)

Hub Repeater

131 Legende

Applikationsabhaumlngige Schichten Hardware - unabhaumlngige Schichten

Transportabhaumlngige Schichten Hardware - abhaumlngige Schichten

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 2 Aufgaben der einzelnen Schichten (Layer)

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2 Aufgaben der einzelnen Schichten (Layer)

21 (1) Physical Layer (Bituumlbertragungsschicht physikalische Schicht)

Uumlbertragung von Bitstroumlmen

Festlegung einer einer gemeinsamen Taktrate fuumlr die Bitsynchronisation (zB 10 100 Mbps)

Darstellung der Bits 0 und 1 als elektrische oder optische Signale (Leitungscodes)

22 (2) Data-Link-Layer (Sicherungsschicht Datenverbindungsschicht)

Aufteilung der Bitstroumlme in Bloumlcke oder Rahmen (Frames) geeigneter Laumlnge

Behandlung von Uumlbertragungsfehlern durch Fehlererkennung und Behebung (Error Detection and Recovery) Recovery (Reaktion zur Fehllerbehebung wird uumlblicherweise nur bei WAN-Technologien angewendet

Block- oder Rahmensynchronisation

Regelung des Zugriffs auf das gemeinsam genutzte Uumlbertragungsmedium

23 (3) Network Layer (Vermittlungsschicht Netzwerkschicht)

Weiterleitung (Relaying) von Daten (gegebenenfalls mit Protokollkonvertierung)

Wegsteuerung (Routing) fuumlr die Weiterleitung von Daten

Adressierung von Computer-Systemen durch Vergabe von (logischen) Netzwerkadressen

Umsetzung von Netzwerkadressen in physikalische Adressen (ARP)

Buumlndelung (Multiplexing) mehrerer Netzverbindungen uumlber einzelne Teilstrecken

24 (4) Transport Layer (Transportschicht)

Unterstuumltzung einer zuverlaumlssigen Ende-zu-Ende-Verbindung zwischen Prozessen (Transport-dienstbenutzer) auf den Endsystemen

Verbergen der Netzcharakteristika vor den Anwendungs orientierten Schichten

Formelle Aushandlung einer Verbindungsbeziehung zwischen Client und Server (TCP)

Fehlerkontrolle (sind alle Pakete einer Uumlbertragung angekommen)

Buumlndelung (Multiplexing) mehrerer Transportverbindungen uumlber eine Netzverbindung

25 (5) Session Layer (Sitzungsschicht)

Auf-Abbau und Benutzung einer Dialogverbindung Wichtigstes Beispiel Zugriff auf freigegebene Ressourcen (Ordner Dateien Drucker) bei Win32 Betriebssystemen Das verwendete Protokoll heisst SMB (Server Message Block)

Steuerung des Dialogs (wer sendet wann und wie lange)

Setzen von Synchronisationspunkten und Dialogsynchronisation

26 (6) Presentation Layer (Darstellungsschicht)

Konvertierung der ausgetauschten Daten in eine systemunabhaumlngige Form (Umsetzung der Syntax) zur Sicherstellung der wechselseitig richtigen Interpretation

Datenkompression

27 (7) Application Layer (Anwendungsschicht)

Unterstuumltzung von Benutzer-Anwendungsprozessen durch Bereitstellung geeigneter Dien- ste (zB Dateitransfer Nachrichtenuumlbermittlung Terminaldialog Transaktionsverarbeitung)

Netzwerktransparenz fuumlr Benutzer-Anwendungsprozesse

Netzwerkmanagement

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 3 Rahmenbildung bei der vertikalen Kommunikation im OSI ndash Modell

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3 Rahmenbildung bei der vertikalen Kommunikation im OSI ndash

Modell

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 4 Datenuumlbertragungsschicht

modul117_zusammenfassungdocx - 8 19 -

4 Datenuumlbertragungsschicht

41 Aufgaben der Bituumlbertragungsschicht

bull Uumlbertragung von Bitstroumlmen

bull Festlegung einer Taktrate fuumlr die Bitsynchronisation

bull Darstellung der Bit-Werte bdquo0ldquo und bdquo1ldquo als elektrische

elektromagnetische oder optische Signale durch so genannte Leitungscodes

42 Signalausbreitung

421 Uumlbertragungsrate

Die Uumlbertragungsrate gibt an wie viele Bits pro Sekunde uumlbertragen werden koumlnnen Die Mass-einheit ist Bits pro Sekunde Das fuumlhrt in der Netzwerktechnik zu unpraktikabel grossen Werten daher sind heute die folgenden Mass-Einheiten gebraumluchlich kbps Mbps und Gbps

422 Bandbreite (Signal- und Kanalbandbreite)

Ein weiterer vor allem in der Nachritentechnik und Telematik wichtiger Begriff ist die Bandbreite Bei diesem Begriff muss unterschieden werden ob damit die Bandbreite des zur Verfuumlgung stehenden Nachrichtenkanals oder die Bandbreite eines Signalpulses gemeint ist

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

modul117_zusammenfassungdocx - 9 19 -

43 Zeitlich und raumlumlich begrenzter Signalpuls

Information kann nur durch raumlumlich und zeitlich begrenzte Signalpulse uumlbertragen werden Diese Pulse weisen eine bestimmte Signalbandbreite auf

Dabei gilt der folgende naturgesetzliche Zusammenhang

Je mehr Information pro Sekunde uumlbertragen werden soll

desto kuumlrzer sind die Signalpulse und

desto groumlsser die Signalbandbreite

44 Kanalbandbreite

Unter der Kanalbandbreite eines Uumlbertragungsmediums versteht man jenen Frequenzbereich auf dem in die-sem Medium wirklich Signale uumlbertragen werden koumlnnen

Ausserhalb dieses Frequenzbereiches kann das Uumlbertragungsmedium aus materialbedingten physikalischen Gruumlnden nicht mehr zu Schwingungen angeregt werden und kann demnach dann auch keine Signalpulse mit zu grossen Signalbandbreiten mehr uumlbertragen

5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

51 Basisband-Uumlbertragung

Wenn die gesamte Kanalbreite eines Uumlbertragungsmediums fuumlr eine einzige bitserielle Uumlbertragung eingesetzt wird spricht man von Basisband-Uumlbertragung

Die Ethernet-LAN-Technologie IEEE 8023 ist eine typische Basisband-Uumlbertragungs-Technik

52 Breiband-Uumlbertragung

Obwohl aus der Bezeichnung nicht gerade darauf schliessen wuumlrde bedeutet Breitband-Uumlbertragung folgen-des

Die verfuumlgbare Kanalbandbreite wird auf mehrere separate bitserielle Datenstroumlme aufgeteilt Ein einzelner Da-tenstrom kann nur einen Teil der verfuumlgbaren Kanalbandbreite uumlbernehmen

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

modul117_zusammenfassungdocx - 10 19 -

53 Signal Codierung

54 Manchester Codierung

Die Manchester-Codierung von Bitstroumlmen zur Leitungsuumlbertragung ist so ausgelegt dass die empfangende Netzwerkkarte den Systemtakt der sendenden Karte zuruumlckgewinnen kann

Wie die Manchester-Codierung eines Bitstromes erfolgt wird aus der folgenden Graphik ersichtlich

Die Manchester-Codierung wird oder besser gesagt wurde bei Ethernet-LANs auf Koaxialkabeln eingesetzt

Die Manchester-Codierung ist so angelegt dass

0 Bit durch eine fallende Signalflanke

1 Bit durch eine steigende Signalflanke

55 MLT-3 Codierung

Beim heute verbreitet verwendeten Ethernet-Standard 100BaseTX wird die sogenannte MLT-3 Codierung ver-wendet

MLT-3 Verfahren dargestellt an einem Bitstrom

Datenstrom 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0

Spannungspegel 0 0 + 0 - - 0 0 0 0 0 + + + + + + 0 0 - 0 + +

Noch deutlicher wird die Funktionsweise von MLT-3 anhand eines Diagramms

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

modul117_zusammenfassungdocx - 11 19 -

56 4B5B-Leitungscode

Bei diesem Code werden lange 0- oder 1-Folgen vermieden die die Taktruumlckgewinnung erschweren koumlnn-ten Dazu werden jeweils 4 Daten-Bit in 5 Signal-Bit codiert Dabei darf es nicht mehr als eine fuumlhrende 0 und nicht mehr als 2 abschlieszligende 0 geben

Die Umwandlung von 4-Bit langen Bloumlcken in 5-Bit lange Bloumlcke wird anhand einer standardisierten Umwand-lungstabelle die in den Netzwerkkarten einprogrammiert ist vorgenommen

Codierungsstabelle 4B5B-Code

Rohdaten (4-Bit Nibble) Codierte Daten (5-Bit)

0000 11110

0001 01001

0010 10100

0011 10101

0100 01010

0101 01011

0110 01110

0111 01111

1000 10010

1001 10011

1010 10110

1011 10111

1100 11010

1101 11011

1110 11100

1111 11101

Der Tabelle kann man entnehmen dass nach der 4B5B-Codierung maximal noch zwei 0-Bit-Werte in Folge uumlbertragen werden muumlssen

Damit ergibt sich fuumlr die Uumlbertragung in 100BaseTX-Ethernet-LANs der folgende Ablauf

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

modul117_zusammenfassungdocx - 12 19 -

Logical Link Control Sublayer (LLC)

Media Acces Control Sublayer (MAC) MAC-Adresse

CSMACD

Bildung Empfang und Versand von Ethernet-Frames

Fluss-Kontrolle

2b

2a

6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

61 Aufgaben des Data Link Layers

Versand und Empfang von Ethernet - Frames

Versand und Empfang von Ethernet-Frames zu und von Hosts aus dem gleiche IP-Teilnetz (dh alle uumlber den Layer z adressierten Hosts liegen auf der gleichen Seite eines Routers)

Einpacken der IP-Datagramme des aus dem Layer 3 in Ethernet-Frames

Adressieren der Ethernet-Frames mit MAC-Adressen fuumlr den Zielhost und Absender-Host

Regelung des Zugriffs auf das gemeinsam genutzte Uumlbertragungsmedium

Dazu wird ein Verfahren angewendet das unter der Bezeichnung CSMACD bekannt ist

Flusskontrolle

Soll Uumlberlauf des internen Empfangspuffers von Netzwerkkarten und Switches verhindern

Reaktion auf Uumlbertragunsfehler

Bit - Uumlbertragunsfehler werden erkannt

62 Uumlbersicht

63 Aufbau des Ethernet II Frames

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

modul117_zusammenfassungdocx - 13 19 -

64 Aufbau der Ethernet MAC-Adressen

Ethernet MAC-Adressen sind 48 Bit (= 6 Bytes) lang

Die interne Struktur der MAC-Adresse ist wie folgt definiert

65 Arten von Ethernet MAC-Adressen

651 Unicast-Adressen

Unter eine Unicast-MAC Adresse versteht man eine MAC-Adresse

die nur fuumlr eine bestimmte Netzwerkkarte zutrifft

Ein Unicast-adressiertes Frame wird nur von der betreffenden

Netzwerkkarte verarbeitet (vergl Bemerkung am Ende dieses Abschnittes)

66 Broadcast-Adresse

Ein Broadcast-adressiertes Frame wird von jeder Netzwerkkarte die das Broadcast-adressierte Frame bdquosiehtldquo verarbeitet Etwas bildlich ausgedruumlckt hat die Broadcast-Adresse die Wirkung von bdquoMeldung an alleldquo

Die MAC-Broadcast-Adresse bei Ethernet lautet FF FF FF FF FF FF

661 Multicast-Adressen

Multicast-Adressen dienen zur Adressierung einer bestimmten Gruppe von Hosts (zB die Ports aller Ethernet-Switches) Unicast-adressirte Frames weden fuumlr die Switch to Switch Kommunikation verwendet Unicast-MAC-Adressen besitzen kein so typisches Byte-Muster wie die MAC-Broadcast-Adresse

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

modul117_zusammenfassungdocx - 14 19 -

67 Medien Zugriffsverfahren CSMACD

Das CSMACD (Carrier Sense Multiple Access Collision Detection) ist ein Standardzugriffsverfahren bei Ethernet-Netzwerken Erst nachdem ein Datenpacket mehrfach erfolglos uumlbertragen wurde wird eine Fehler-meldung ausgegeben

Ablauf des Zugriffsverfahren CSMACD (Carrier Sende Multiple Access Collision Detection)

68 FLOW Control

Wenn von einer Netzwerkkate ein Bitstrom eingelesen und zu einem Ethernet-Frame assembliert wird bemerkt der Betriebssytem-Kern natuumlrlich nichts davon Insbesondere werden die empfangenen Daten nicht einfach bdquoon the flyldquo an die daruumlber liegende IP-Schicht weitergeleitet

Durch rechtzeitiges Versenden von PAUSE-Signalen wird insbesondere in sehr schnellen Netzen verhindert dass Frames ausgesendet werden die gar nicht verar-beitet werden koumlnnen Dadurch sinkt die Last auf den Switchen bzw die verfuumlgbare Uumlbertragungsleistung kann sinnvoller eingesetzt werden

Unterbrechungs-Signal

IP Internet-Protocol

Netzwerkkarte (Data Link Layer)

Daten-Eingangspuffer

BIOS

Betriebssystem-Kern

Netzwerkkarten- Treiber

Bitstrom

Nutzdaten

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 7 Netzwerkgeraumlte

modul117_zusammenfassungdocx - 15 19 -

7 Netzwerkgeraumlte

71 Switch

Der Switch ist eigentlich eine Multiport Bridge und wurde als Ersatz fuumlr den Layer 1 Hub konzipiert Ein Switch besitzt die gleichen technischen Merkmale wie eine Bridge Die Weiterleitung von Ethernet-Frames erfolgt gezielt aufgrund der Ziel-MAC-Adresse

Wichtige Vorteile des Switch gegenuumlber dem Hub sind

In einem geswitchten LAN beschraumlnken sich die Kollisionsdomaumlnen auf die Microsegmente

In einem geschwitchten LAN ist koumlnnen die Netzwerkkarten im Voll-Duplex Modus ar-beiten

In einem geswitchten LAN koumlnnen die Netzwerkkarten mit Flusskontrolle arbeiten

In einem geswitchten LAN werden die optimalen Uumlbertragungsparameter per Autonegotiation dyna-misch pro Verbindung ausgehandelt

In einem geschwitchten LAN sind redundante Topologien moumlglich weil die Switches mit Hilfe des Span-ning Tree Protocols durch gezielte Port-Abschaltungen Schleifenbildung verhindern koumlnnen

Weil Switches uumlber einen Data-Link Layer verfuumlgen kann daruumlber auch der vollstaumlndige TCPIP-Stack implementiert werden um die Administration uumlber http oder Telnet zu ermoumlglichen

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

modul117_zusammenfassungdocx - 16 19 -

8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

81 Internet Protokoll

Die wichtigsten Aufgaben des IPrsquos sind

Adressierung von IP - Teilnetzen und den darin enthaltenen Hosts

Die im Internet direkt erreichbaren Hosts

muumlssen weltweit eindeutig adressiert werden koumlnnen

Die IP - Adressierung muss Hardware - unabhaumlngig sein

Die IP - Adressierung muss eine effiziente Weiterleitung

von IP - Datagrammen durch das Internet hindurch ermoumlglichen

Es muss fuumlr jeden Layer 2 - Hardware - Technologie ein Verfahren geben die Abbildung der Hardware - unabhaumlngigen IP - Adressen auf die entsprechenden Layer 2 Hardwareabhaumlngigen Adressen durch-fuumlhrt (bei der Kombination IP und Ethernet ist dies das Protokoll ARP)

82 Der IP - Header

Die IP - Nutzlast eines Ethernet - II - Frames wird als IP - Datagramm bezeichnet Das IP - Datagramm besteht seinerseits wieder aus einem Header und der zugehoumlrigen Nutzlast

Version IHL TOS Total length

Identification Flags Fragment offset

TTL Protocol Header checksum

Source IP address

Destination IP address

Options and padding

83 Typen von IPv4-Adressen

Genau gleich wie dies auch bei den MAC - Adressen der Fall ist sind drei Typen von IPv4-Adressen zu unter-scheiden

Unicast IP - Adressen Zuordnung zu einer einzelnen Netzwerkschnittstelle die sich in einem bestimmten IP - Teilnetz befindet Unicast - IP - Adressen werden fuumlr die 11 - Kommunikation eingesetzt

Multicast IP - Adressen Zuordnung zu einer oder mehreren Netzwerkschnittstellen die sich zudem in verschiedenen IP - Teilnetzen befinden koumlnnen Multicast - IP - Adressen werden fuumlr die 1n - Kommunikation verwendet

In IPv4 Netzwerken spielt die Multicast - Zustellung von IP - Datagrammen kaum eine Rolle Neu findet man in LANs Datagrammen fuumlr die Multicast - IP - Zieladresse 239255255250

Diese Multicast - Adresse wird von UPnP - faumlhigen Clients zB zur Ankuumlndigung ihrer Dienste im LAN verwen-det (UPnP = Universal Plug and Play)

Broadcast IP-Adresse Zuordnung zu allen Netzwerkschnittstellen die sich in einem IP-Teilnetz befinden Die Broadcast-IP-Adressierung wird fuumlr die 1alle-Kommunikation im IP-Teilnetz verwendet

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 2 Aufgaben der einzelnen Schichten (Layer)

modul117_zusammenfassungdocx - 4 19 -

OSI-Referenzmodell

11 Uumlberblick OSI Layer

12 Uumlbersicht Datagrammbildung

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 2 Aufgaben der einzelnen Schichten (Layer)

modul117_zusammenfassungdocx - 5 19 -

13 ISO-OSI Protokoll-Stapel ndash Uumlbersicht

Nr Bezeichnung

deutsch (eng-lisch)

Protokolle

TCPIP IEEE MSFT

Adressierung Ausdehnung

Funktionen Hardware

7 Anwendungs-Schicht

(Application- Layer)

Anwendungstypische Proto-kolle

http rarr tcp 80

6

Darstellungs- Schicht

(Presentation- Layer)

HTML XML

5

Sitzungs- Schicht

(Session- Layer)

Server Message Block (SMB)

Fruumlhere Bezeichnung fuumlr das Protokoll von Windows File Sharing (Heute Common In-ternet File System-CIFS)

4

Transport- Schicht

(Transport- Layer)

Transmission Control Protocol (TCP)

User Datagram Protocol (UDP)

Portnummern die vom Betriebssystem fuumlr Client - Applikationen verge-ben bzw von Ser-verapplikationen ver-langt werden

Vergl

systemroot system32trivers etcservices

(netstat)

Es sind nicht die Computer die mit-einander Daten aus-tauschen sondern SW - Prozesse

Diese Prozesse tra-gen PortNummern rarr Adressie-rung der Client- und Server - Prozesse

Firewall

3

Vermittlungs- Schicht

(Network- Layer)

Internet-Protokoll (IP)

Address Recolution Protocol (ARP)

IPv4-Adressen bestehen aus NetID und HostID

(ipconfig)

Weiterleitung der Daten-pakete durch das Internet auf-grund der NetworkID in der IP-Adresse

Die Weiterleitung wird von Routern uumlbernommen

Router (zB fuumlr den Uumlbergang des Net-workproviders in das LAN)

Firewall

2

Sicherungs- Schicht bzw

Datenverbin-dungs-

Schicht (Data- Layer)

Hardwareabhaumlngige IEEE-Protokolle zB IEEE-8023 fuumlr Eternet

Netzwerkkarten

MAC-Adressen besteht aus Katenherstellercode und eindeutige Karten-nummer

Weiterleitung der Daten im gleichen LAN aufgrund der MAC - Adresse Ge-zielte Zu-stellung wird vom Switch uumlbernommen

Auswechseln der HW-Abhaumlngigen Technologie (ADSL-Modem)

Switch

Bridge (zB fuumlr den Uumlbergang von ADSLATM zu Eter-net)

1

Bituumlbertragungs- Schicht

(Physical- Layer kurz PHY-

SICAL)

Kabeltypen Uumlbertragungsar-ten

zB 100BaseTX fuumlr 100Mbps auf Twisted Pair-Kabel mit RJ-45 Steckerb (normales LAN-Kabel)

Hub Repeater

131 Legende

Applikationsabhaumlngige Schichten Hardware - unabhaumlngige Schichten

Transportabhaumlngige Schichten Hardware - abhaumlngige Schichten

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 2 Aufgaben der einzelnen Schichten (Layer)

modul117_zusammenfassungdocx - 6 19 -

2 Aufgaben der einzelnen Schichten (Layer)

21 (1) Physical Layer (Bituumlbertragungsschicht physikalische Schicht)

Uumlbertragung von Bitstroumlmen

Festlegung einer einer gemeinsamen Taktrate fuumlr die Bitsynchronisation (zB 10 100 Mbps)

Darstellung der Bits 0 und 1 als elektrische oder optische Signale (Leitungscodes)

22 (2) Data-Link-Layer (Sicherungsschicht Datenverbindungsschicht)

Aufteilung der Bitstroumlme in Bloumlcke oder Rahmen (Frames) geeigneter Laumlnge

Behandlung von Uumlbertragungsfehlern durch Fehlererkennung und Behebung (Error Detection and Recovery) Recovery (Reaktion zur Fehllerbehebung wird uumlblicherweise nur bei WAN-Technologien angewendet

Block- oder Rahmensynchronisation

Regelung des Zugriffs auf das gemeinsam genutzte Uumlbertragungsmedium

23 (3) Network Layer (Vermittlungsschicht Netzwerkschicht)

Weiterleitung (Relaying) von Daten (gegebenenfalls mit Protokollkonvertierung)

Wegsteuerung (Routing) fuumlr die Weiterleitung von Daten

Adressierung von Computer-Systemen durch Vergabe von (logischen) Netzwerkadressen

Umsetzung von Netzwerkadressen in physikalische Adressen (ARP)

Buumlndelung (Multiplexing) mehrerer Netzverbindungen uumlber einzelne Teilstrecken

24 (4) Transport Layer (Transportschicht)

Unterstuumltzung einer zuverlaumlssigen Ende-zu-Ende-Verbindung zwischen Prozessen (Transport-dienstbenutzer) auf den Endsystemen

Verbergen der Netzcharakteristika vor den Anwendungs orientierten Schichten

Formelle Aushandlung einer Verbindungsbeziehung zwischen Client und Server (TCP)

Fehlerkontrolle (sind alle Pakete einer Uumlbertragung angekommen)

Buumlndelung (Multiplexing) mehrerer Transportverbindungen uumlber eine Netzverbindung

25 (5) Session Layer (Sitzungsschicht)

Auf-Abbau und Benutzung einer Dialogverbindung Wichtigstes Beispiel Zugriff auf freigegebene Ressourcen (Ordner Dateien Drucker) bei Win32 Betriebssystemen Das verwendete Protokoll heisst SMB (Server Message Block)

Steuerung des Dialogs (wer sendet wann und wie lange)

Setzen von Synchronisationspunkten und Dialogsynchronisation

26 (6) Presentation Layer (Darstellungsschicht)

Konvertierung der ausgetauschten Daten in eine systemunabhaumlngige Form (Umsetzung der Syntax) zur Sicherstellung der wechselseitig richtigen Interpretation

Datenkompression

27 (7) Application Layer (Anwendungsschicht)

Unterstuumltzung von Benutzer-Anwendungsprozessen durch Bereitstellung geeigneter Dien- ste (zB Dateitransfer Nachrichtenuumlbermittlung Terminaldialog Transaktionsverarbeitung)

Netzwerktransparenz fuumlr Benutzer-Anwendungsprozesse

Netzwerkmanagement

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 3 Rahmenbildung bei der vertikalen Kommunikation im OSI ndash Modell

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3 Rahmenbildung bei der vertikalen Kommunikation im OSI ndash

Modell

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 4 Datenuumlbertragungsschicht

modul117_zusammenfassungdocx - 8 19 -

4 Datenuumlbertragungsschicht

41 Aufgaben der Bituumlbertragungsschicht

bull Uumlbertragung von Bitstroumlmen

bull Festlegung einer Taktrate fuumlr die Bitsynchronisation

bull Darstellung der Bit-Werte bdquo0ldquo und bdquo1ldquo als elektrische

elektromagnetische oder optische Signale durch so genannte Leitungscodes

42 Signalausbreitung

421 Uumlbertragungsrate

Die Uumlbertragungsrate gibt an wie viele Bits pro Sekunde uumlbertragen werden koumlnnen Die Mass-einheit ist Bits pro Sekunde Das fuumlhrt in der Netzwerktechnik zu unpraktikabel grossen Werten daher sind heute die folgenden Mass-Einheiten gebraumluchlich kbps Mbps und Gbps

422 Bandbreite (Signal- und Kanalbandbreite)

Ein weiterer vor allem in der Nachritentechnik und Telematik wichtiger Begriff ist die Bandbreite Bei diesem Begriff muss unterschieden werden ob damit die Bandbreite des zur Verfuumlgung stehenden Nachrichtenkanals oder die Bandbreite eines Signalpulses gemeint ist

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

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43 Zeitlich und raumlumlich begrenzter Signalpuls

Information kann nur durch raumlumlich und zeitlich begrenzte Signalpulse uumlbertragen werden Diese Pulse weisen eine bestimmte Signalbandbreite auf

Dabei gilt der folgende naturgesetzliche Zusammenhang

Je mehr Information pro Sekunde uumlbertragen werden soll

desto kuumlrzer sind die Signalpulse und

desto groumlsser die Signalbandbreite

44 Kanalbandbreite

Unter der Kanalbandbreite eines Uumlbertragungsmediums versteht man jenen Frequenzbereich auf dem in die-sem Medium wirklich Signale uumlbertragen werden koumlnnen

Ausserhalb dieses Frequenzbereiches kann das Uumlbertragungsmedium aus materialbedingten physikalischen Gruumlnden nicht mehr zu Schwingungen angeregt werden und kann demnach dann auch keine Signalpulse mit zu grossen Signalbandbreiten mehr uumlbertragen

5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

51 Basisband-Uumlbertragung

Wenn die gesamte Kanalbreite eines Uumlbertragungsmediums fuumlr eine einzige bitserielle Uumlbertragung eingesetzt wird spricht man von Basisband-Uumlbertragung

Die Ethernet-LAN-Technologie IEEE 8023 ist eine typische Basisband-Uumlbertragungs-Technik

52 Breiband-Uumlbertragung

Obwohl aus der Bezeichnung nicht gerade darauf schliessen wuumlrde bedeutet Breitband-Uumlbertragung folgen-des

Die verfuumlgbare Kanalbandbreite wird auf mehrere separate bitserielle Datenstroumlme aufgeteilt Ein einzelner Da-tenstrom kann nur einen Teil der verfuumlgbaren Kanalbandbreite uumlbernehmen

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53 Signal Codierung

54 Manchester Codierung

Die Manchester-Codierung von Bitstroumlmen zur Leitungsuumlbertragung ist so ausgelegt dass die empfangende Netzwerkkarte den Systemtakt der sendenden Karte zuruumlckgewinnen kann

Wie die Manchester-Codierung eines Bitstromes erfolgt wird aus der folgenden Graphik ersichtlich

Die Manchester-Codierung wird oder besser gesagt wurde bei Ethernet-LANs auf Koaxialkabeln eingesetzt

Die Manchester-Codierung ist so angelegt dass

0 Bit durch eine fallende Signalflanke

1 Bit durch eine steigende Signalflanke

55 MLT-3 Codierung

Beim heute verbreitet verwendeten Ethernet-Standard 100BaseTX wird die sogenannte MLT-3 Codierung ver-wendet

MLT-3 Verfahren dargestellt an einem Bitstrom

Datenstrom 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0

Spannungspegel 0 0 + 0 - - 0 0 0 0 0 + + + + + + 0 0 - 0 + +

Noch deutlicher wird die Funktionsweise von MLT-3 anhand eines Diagramms

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56 4B5B-Leitungscode

Bei diesem Code werden lange 0- oder 1-Folgen vermieden die die Taktruumlckgewinnung erschweren koumlnn-ten Dazu werden jeweils 4 Daten-Bit in 5 Signal-Bit codiert Dabei darf es nicht mehr als eine fuumlhrende 0 und nicht mehr als 2 abschlieszligende 0 geben

Die Umwandlung von 4-Bit langen Bloumlcken in 5-Bit lange Bloumlcke wird anhand einer standardisierten Umwand-lungstabelle die in den Netzwerkkarten einprogrammiert ist vorgenommen

Codierungsstabelle 4B5B-Code

Rohdaten (4-Bit Nibble) Codierte Daten (5-Bit)

0000 11110

0001 01001

0010 10100

0011 10101

0100 01010

0101 01011

0110 01110

0111 01111

1000 10010

1001 10011

1010 10110

1011 10111

1100 11010

1101 11011

1110 11100

1111 11101

Der Tabelle kann man entnehmen dass nach der 4B5B-Codierung maximal noch zwei 0-Bit-Werte in Folge uumlbertragen werden muumlssen

Damit ergibt sich fuumlr die Uumlbertragung in 100BaseTX-Ethernet-LANs der folgende Ablauf

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

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Logical Link Control Sublayer (LLC)

Media Acces Control Sublayer (MAC) MAC-Adresse

CSMACD

Bildung Empfang und Versand von Ethernet-Frames

Fluss-Kontrolle

2b

2a

6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

61 Aufgaben des Data Link Layers

Versand und Empfang von Ethernet - Frames

Versand und Empfang von Ethernet-Frames zu und von Hosts aus dem gleiche IP-Teilnetz (dh alle uumlber den Layer z adressierten Hosts liegen auf der gleichen Seite eines Routers)

Einpacken der IP-Datagramme des aus dem Layer 3 in Ethernet-Frames

Adressieren der Ethernet-Frames mit MAC-Adressen fuumlr den Zielhost und Absender-Host

Regelung des Zugriffs auf das gemeinsam genutzte Uumlbertragungsmedium

Dazu wird ein Verfahren angewendet das unter der Bezeichnung CSMACD bekannt ist

Flusskontrolle

Soll Uumlberlauf des internen Empfangspuffers von Netzwerkkarten und Switches verhindern

Reaktion auf Uumlbertragunsfehler

Bit - Uumlbertragunsfehler werden erkannt

62 Uumlbersicht

63 Aufbau des Ethernet II Frames

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64 Aufbau der Ethernet MAC-Adressen

Ethernet MAC-Adressen sind 48 Bit (= 6 Bytes) lang

Die interne Struktur der MAC-Adresse ist wie folgt definiert

65 Arten von Ethernet MAC-Adressen

651 Unicast-Adressen

Unter eine Unicast-MAC Adresse versteht man eine MAC-Adresse

die nur fuumlr eine bestimmte Netzwerkkarte zutrifft

Ein Unicast-adressiertes Frame wird nur von der betreffenden

Netzwerkkarte verarbeitet (vergl Bemerkung am Ende dieses Abschnittes)

66 Broadcast-Adresse

Ein Broadcast-adressiertes Frame wird von jeder Netzwerkkarte die das Broadcast-adressierte Frame bdquosiehtldquo verarbeitet Etwas bildlich ausgedruumlckt hat die Broadcast-Adresse die Wirkung von bdquoMeldung an alleldquo

Die MAC-Broadcast-Adresse bei Ethernet lautet FF FF FF FF FF FF

661 Multicast-Adressen

Multicast-Adressen dienen zur Adressierung einer bestimmten Gruppe von Hosts (zB die Ports aller Ethernet-Switches) Unicast-adressirte Frames weden fuumlr die Switch to Switch Kommunikation verwendet Unicast-MAC-Adressen besitzen kein so typisches Byte-Muster wie die MAC-Broadcast-Adresse

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

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67 Medien Zugriffsverfahren CSMACD

Das CSMACD (Carrier Sense Multiple Access Collision Detection) ist ein Standardzugriffsverfahren bei Ethernet-Netzwerken Erst nachdem ein Datenpacket mehrfach erfolglos uumlbertragen wurde wird eine Fehler-meldung ausgegeben

Ablauf des Zugriffsverfahren CSMACD (Carrier Sende Multiple Access Collision Detection)

68 FLOW Control

Wenn von einer Netzwerkkate ein Bitstrom eingelesen und zu einem Ethernet-Frame assembliert wird bemerkt der Betriebssytem-Kern natuumlrlich nichts davon Insbesondere werden die empfangenen Daten nicht einfach bdquoon the flyldquo an die daruumlber liegende IP-Schicht weitergeleitet

Durch rechtzeitiges Versenden von PAUSE-Signalen wird insbesondere in sehr schnellen Netzen verhindert dass Frames ausgesendet werden die gar nicht verar-beitet werden koumlnnen Dadurch sinkt die Last auf den Switchen bzw die verfuumlgbare Uumlbertragungsleistung kann sinnvoller eingesetzt werden

Unterbrechungs-Signal

IP Internet-Protocol

Netzwerkkarte (Data Link Layer)

Daten-Eingangspuffer

BIOS

Betriebssystem-Kern

Netzwerkkarten- Treiber

Bitstrom

Nutzdaten

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 7 Netzwerkgeraumlte

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7 Netzwerkgeraumlte

71 Switch

Der Switch ist eigentlich eine Multiport Bridge und wurde als Ersatz fuumlr den Layer 1 Hub konzipiert Ein Switch besitzt die gleichen technischen Merkmale wie eine Bridge Die Weiterleitung von Ethernet-Frames erfolgt gezielt aufgrund der Ziel-MAC-Adresse

Wichtige Vorteile des Switch gegenuumlber dem Hub sind

In einem geswitchten LAN beschraumlnken sich die Kollisionsdomaumlnen auf die Microsegmente

In einem geschwitchten LAN ist koumlnnen die Netzwerkkarten im Voll-Duplex Modus ar-beiten

In einem geswitchten LAN koumlnnen die Netzwerkkarten mit Flusskontrolle arbeiten

In einem geswitchten LAN werden die optimalen Uumlbertragungsparameter per Autonegotiation dyna-misch pro Verbindung ausgehandelt

In einem geschwitchten LAN sind redundante Topologien moumlglich weil die Switches mit Hilfe des Span-ning Tree Protocols durch gezielte Port-Abschaltungen Schleifenbildung verhindern koumlnnen

Weil Switches uumlber einen Data-Link Layer verfuumlgen kann daruumlber auch der vollstaumlndige TCPIP-Stack implementiert werden um die Administration uumlber http oder Telnet zu ermoumlglichen

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

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8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

81 Internet Protokoll

Die wichtigsten Aufgaben des IPrsquos sind

Adressierung von IP - Teilnetzen und den darin enthaltenen Hosts

Die im Internet direkt erreichbaren Hosts

muumlssen weltweit eindeutig adressiert werden koumlnnen

Die IP - Adressierung muss Hardware - unabhaumlngig sein

Die IP - Adressierung muss eine effiziente Weiterleitung

von IP - Datagrammen durch das Internet hindurch ermoumlglichen

Es muss fuumlr jeden Layer 2 - Hardware - Technologie ein Verfahren geben die Abbildung der Hardware - unabhaumlngigen IP - Adressen auf die entsprechenden Layer 2 Hardwareabhaumlngigen Adressen durch-fuumlhrt (bei der Kombination IP und Ethernet ist dies das Protokoll ARP)

82 Der IP - Header

Die IP - Nutzlast eines Ethernet - II - Frames wird als IP - Datagramm bezeichnet Das IP - Datagramm besteht seinerseits wieder aus einem Header und der zugehoumlrigen Nutzlast

Version IHL TOS Total length

Identification Flags Fragment offset

TTL Protocol Header checksum

Source IP address

Destination IP address

Options and padding

83 Typen von IPv4-Adressen

Genau gleich wie dies auch bei den MAC - Adressen der Fall ist sind drei Typen von IPv4-Adressen zu unter-scheiden

Unicast IP - Adressen Zuordnung zu einer einzelnen Netzwerkschnittstelle die sich in einem bestimmten IP - Teilnetz befindet Unicast - IP - Adressen werden fuumlr die 11 - Kommunikation eingesetzt

Multicast IP - Adressen Zuordnung zu einer oder mehreren Netzwerkschnittstellen die sich zudem in verschiedenen IP - Teilnetzen befinden koumlnnen Multicast - IP - Adressen werden fuumlr die 1n - Kommunikation verwendet

In IPv4 Netzwerken spielt die Multicast - Zustellung von IP - Datagrammen kaum eine Rolle Neu findet man in LANs Datagrammen fuumlr die Multicast - IP - Zieladresse 239255255250

Diese Multicast - Adresse wird von UPnP - faumlhigen Clients zB zur Ankuumlndigung ihrer Dienste im LAN verwen-det (UPnP = Universal Plug and Play)

Broadcast IP-Adresse Zuordnung zu allen Netzwerkschnittstellen die sich in einem IP-Teilnetz befinden Die Broadcast-IP-Adressierung wird fuumlr die 1alle-Kommunikation im IP-Teilnetz verwendet

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 2 Aufgaben der einzelnen Schichten (Layer)

modul117_zusammenfassungdocx - 5 19 -

13 ISO-OSI Protokoll-Stapel ndash Uumlbersicht

Nr Bezeichnung

deutsch (eng-lisch)

Protokolle

TCPIP IEEE MSFT

Adressierung Ausdehnung

Funktionen Hardware

7 Anwendungs-Schicht

(Application- Layer)

Anwendungstypische Proto-kolle

http rarr tcp 80

6

Darstellungs- Schicht

(Presentation- Layer)

HTML XML

5

Sitzungs- Schicht

(Session- Layer)

Server Message Block (SMB)

Fruumlhere Bezeichnung fuumlr das Protokoll von Windows File Sharing (Heute Common In-ternet File System-CIFS)

4

Transport- Schicht

(Transport- Layer)

Transmission Control Protocol (TCP)

User Datagram Protocol (UDP)

Portnummern die vom Betriebssystem fuumlr Client - Applikationen verge-ben bzw von Ser-verapplikationen ver-langt werden

Vergl

systemroot system32trivers etcservices

(netstat)

Es sind nicht die Computer die mit-einander Daten aus-tauschen sondern SW - Prozesse

Diese Prozesse tra-gen PortNummern rarr Adressie-rung der Client- und Server - Prozesse

Firewall

3

Vermittlungs- Schicht

(Network- Layer)

Internet-Protokoll (IP)

Address Recolution Protocol (ARP)

IPv4-Adressen bestehen aus NetID und HostID

(ipconfig)

Weiterleitung der Daten-pakete durch das Internet auf-grund der NetworkID in der IP-Adresse

Die Weiterleitung wird von Routern uumlbernommen

Router (zB fuumlr den Uumlbergang des Net-workproviders in das LAN)

Firewall

2

Sicherungs- Schicht bzw

Datenverbin-dungs-

Schicht (Data- Layer)

Hardwareabhaumlngige IEEE-Protokolle zB IEEE-8023 fuumlr Eternet

Netzwerkkarten

MAC-Adressen besteht aus Katenherstellercode und eindeutige Karten-nummer

Weiterleitung der Daten im gleichen LAN aufgrund der MAC - Adresse Ge-zielte Zu-stellung wird vom Switch uumlbernommen

Auswechseln der HW-Abhaumlngigen Technologie (ADSL-Modem)

Switch

Bridge (zB fuumlr den Uumlbergang von ADSLATM zu Eter-net)

1

Bituumlbertragungs- Schicht

(Physical- Layer kurz PHY-

SICAL)

Kabeltypen Uumlbertragungsar-ten

zB 100BaseTX fuumlr 100Mbps auf Twisted Pair-Kabel mit RJ-45 Steckerb (normales LAN-Kabel)

Hub Repeater

131 Legende

Applikationsabhaumlngige Schichten Hardware - unabhaumlngige Schichten

Transportabhaumlngige Schichten Hardware - abhaumlngige Schichten

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 2 Aufgaben der einzelnen Schichten (Layer)

modul117_zusammenfassungdocx - 6 19 -

2 Aufgaben der einzelnen Schichten (Layer)

21 (1) Physical Layer (Bituumlbertragungsschicht physikalische Schicht)

Uumlbertragung von Bitstroumlmen

Festlegung einer einer gemeinsamen Taktrate fuumlr die Bitsynchronisation (zB 10 100 Mbps)

Darstellung der Bits 0 und 1 als elektrische oder optische Signale (Leitungscodes)

22 (2) Data-Link-Layer (Sicherungsschicht Datenverbindungsschicht)

Aufteilung der Bitstroumlme in Bloumlcke oder Rahmen (Frames) geeigneter Laumlnge

Behandlung von Uumlbertragungsfehlern durch Fehlererkennung und Behebung (Error Detection and Recovery) Recovery (Reaktion zur Fehllerbehebung wird uumlblicherweise nur bei WAN-Technologien angewendet

Block- oder Rahmensynchronisation

Regelung des Zugriffs auf das gemeinsam genutzte Uumlbertragungsmedium

23 (3) Network Layer (Vermittlungsschicht Netzwerkschicht)

Weiterleitung (Relaying) von Daten (gegebenenfalls mit Protokollkonvertierung)

Wegsteuerung (Routing) fuumlr die Weiterleitung von Daten

Adressierung von Computer-Systemen durch Vergabe von (logischen) Netzwerkadressen

Umsetzung von Netzwerkadressen in physikalische Adressen (ARP)

Buumlndelung (Multiplexing) mehrerer Netzverbindungen uumlber einzelne Teilstrecken

24 (4) Transport Layer (Transportschicht)

Unterstuumltzung einer zuverlaumlssigen Ende-zu-Ende-Verbindung zwischen Prozessen (Transport-dienstbenutzer) auf den Endsystemen

Verbergen der Netzcharakteristika vor den Anwendungs orientierten Schichten

Formelle Aushandlung einer Verbindungsbeziehung zwischen Client und Server (TCP)

Fehlerkontrolle (sind alle Pakete einer Uumlbertragung angekommen)

Buumlndelung (Multiplexing) mehrerer Transportverbindungen uumlber eine Netzverbindung

25 (5) Session Layer (Sitzungsschicht)

Auf-Abbau und Benutzung einer Dialogverbindung Wichtigstes Beispiel Zugriff auf freigegebene Ressourcen (Ordner Dateien Drucker) bei Win32 Betriebssystemen Das verwendete Protokoll heisst SMB (Server Message Block)

Steuerung des Dialogs (wer sendet wann und wie lange)

Setzen von Synchronisationspunkten und Dialogsynchronisation

26 (6) Presentation Layer (Darstellungsschicht)

Konvertierung der ausgetauschten Daten in eine systemunabhaumlngige Form (Umsetzung der Syntax) zur Sicherstellung der wechselseitig richtigen Interpretation

Datenkompression

27 (7) Application Layer (Anwendungsschicht)

Unterstuumltzung von Benutzer-Anwendungsprozessen durch Bereitstellung geeigneter Dien- ste (zB Dateitransfer Nachrichtenuumlbermittlung Terminaldialog Transaktionsverarbeitung)

Netzwerktransparenz fuumlr Benutzer-Anwendungsprozesse

Netzwerkmanagement

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 3 Rahmenbildung bei der vertikalen Kommunikation im OSI ndash Modell

modul117_zusammenfassungdocx - 7 19 -

3 Rahmenbildung bei der vertikalen Kommunikation im OSI ndash

Modell

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 4 Datenuumlbertragungsschicht

modul117_zusammenfassungdocx - 8 19 -

4 Datenuumlbertragungsschicht

41 Aufgaben der Bituumlbertragungsschicht

bull Uumlbertragung von Bitstroumlmen

bull Festlegung einer Taktrate fuumlr die Bitsynchronisation

bull Darstellung der Bit-Werte bdquo0ldquo und bdquo1ldquo als elektrische

elektromagnetische oder optische Signale durch so genannte Leitungscodes

42 Signalausbreitung

421 Uumlbertragungsrate

Die Uumlbertragungsrate gibt an wie viele Bits pro Sekunde uumlbertragen werden koumlnnen Die Mass-einheit ist Bits pro Sekunde Das fuumlhrt in der Netzwerktechnik zu unpraktikabel grossen Werten daher sind heute die folgenden Mass-Einheiten gebraumluchlich kbps Mbps und Gbps

422 Bandbreite (Signal- und Kanalbandbreite)

Ein weiterer vor allem in der Nachritentechnik und Telematik wichtiger Begriff ist die Bandbreite Bei diesem Begriff muss unterschieden werden ob damit die Bandbreite des zur Verfuumlgung stehenden Nachrichtenkanals oder die Bandbreite eines Signalpulses gemeint ist

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

modul117_zusammenfassungdocx - 9 19 -

43 Zeitlich und raumlumlich begrenzter Signalpuls

Information kann nur durch raumlumlich und zeitlich begrenzte Signalpulse uumlbertragen werden Diese Pulse weisen eine bestimmte Signalbandbreite auf

Dabei gilt der folgende naturgesetzliche Zusammenhang

Je mehr Information pro Sekunde uumlbertragen werden soll

desto kuumlrzer sind die Signalpulse und

desto groumlsser die Signalbandbreite

44 Kanalbandbreite

Unter der Kanalbandbreite eines Uumlbertragungsmediums versteht man jenen Frequenzbereich auf dem in die-sem Medium wirklich Signale uumlbertragen werden koumlnnen

Ausserhalb dieses Frequenzbereiches kann das Uumlbertragungsmedium aus materialbedingten physikalischen Gruumlnden nicht mehr zu Schwingungen angeregt werden und kann demnach dann auch keine Signalpulse mit zu grossen Signalbandbreiten mehr uumlbertragen

5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

51 Basisband-Uumlbertragung

Wenn die gesamte Kanalbreite eines Uumlbertragungsmediums fuumlr eine einzige bitserielle Uumlbertragung eingesetzt wird spricht man von Basisband-Uumlbertragung

Die Ethernet-LAN-Technologie IEEE 8023 ist eine typische Basisband-Uumlbertragungs-Technik

52 Breiband-Uumlbertragung

Obwohl aus der Bezeichnung nicht gerade darauf schliessen wuumlrde bedeutet Breitband-Uumlbertragung folgen-des

Die verfuumlgbare Kanalbandbreite wird auf mehrere separate bitserielle Datenstroumlme aufgeteilt Ein einzelner Da-tenstrom kann nur einen Teil der verfuumlgbaren Kanalbandbreite uumlbernehmen

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

modul117_zusammenfassungdocx - 10 19 -

53 Signal Codierung

54 Manchester Codierung

Die Manchester-Codierung von Bitstroumlmen zur Leitungsuumlbertragung ist so ausgelegt dass die empfangende Netzwerkkarte den Systemtakt der sendenden Karte zuruumlckgewinnen kann

Wie die Manchester-Codierung eines Bitstromes erfolgt wird aus der folgenden Graphik ersichtlich

Die Manchester-Codierung wird oder besser gesagt wurde bei Ethernet-LANs auf Koaxialkabeln eingesetzt

Die Manchester-Codierung ist so angelegt dass

0 Bit durch eine fallende Signalflanke

1 Bit durch eine steigende Signalflanke

55 MLT-3 Codierung

Beim heute verbreitet verwendeten Ethernet-Standard 100BaseTX wird die sogenannte MLT-3 Codierung ver-wendet

MLT-3 Verfahren dargestellt an einem Bitstrom

Datenstrom 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0

Spannungspegel 0 0 + 0 - - 0 0 0 0 0 + + + + + + 0 0 - 0 + +

Noch deutlicher wird die Funktionsweise von MLT-3 anhand eines Diagramms

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

modul117_zusammenfassungdocx - 11 19 -

56 4B5B-Leitungscode

Bei diesem Code werden lange 0- oder 1-Folgen vermieden die die Taktruumlckgewinnung erschweren koumlnn-ten Dazu werden jeweils 4 Daten-Bit in 5 Signal-Bit codiert Dabei darf es nicht mehr als eine fuumlhrende 0 und nicht mehr als 2 abschlieszligende 0 geben

Die Umwandlung von 4-Bit langen Bloumlcken in 5-Bit lange Bloumlcke wird anhand einer standardisierten Umwand-lungstabelle die in den Netzwerkkarten einprogrammiert ist vorgenommen

Codierungsstabelle 4B5B-Code

Rohdaten (4-Bit Nibble) Codierte Daten (5-Bit)

0000 11110

0001 01001

0010 10100

0011 10101

0100 01010

0101 01011

0110 01110

0111 01111

1000 10010

1001 10011

1010 10110

1011 10111

1100 11010

1101 11011

1110 11100

1111 11101

Der Tabelle kann man entnehmen dass nach der 4B5B-Codierung maximal noch zwei 0-Bit-Werte in Folge uumlbertragen werden muumlssen

Damit ergibt sich fuumlr die Uumlbertragung in 100BaseTX-Ethernet-LANs der folgende Ablauf

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

modul117_zusammenfassungdocx - 12 19 -

Logical Link Control Sublayer (LLC)

Media Acces Control Sublayer (MAC) MAC-Adresse

CSMACD

Bildung Empfang und Versand von Ethernet-Frames

Fluss-Kontrolle

2b

2a

6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

61 Aufgaben des Data Link Layers

Versand und Empfang von Ethernet - Frames

Versand und Empfang von Ethernet-Frames zu und von Hosts aus dem gleiche IP-Teilnetz (dh alle uumlber den Layer z adressierten Hosts liegen auf der gleichen Seite eines Routers)

Einpacken der IP-Datagramme des aus dem Layer 3 in Ethernet-Frames

Adressieren der Ethernet-Frames mit MAC-Adressen fuumlr den Zielhost und Absender-Host

Regelung des Zugriffs auf das gemeinsam genutzte Uumlbertragungsmedium

Dazu wird ein Verfahren angewendet das unter der Bezeichnung CSMACD bekannt ist

Flusskontrolle

Soll Uumlberlauf des internen Empfangspuffers von Netzwerkkarten und Switches verhindern

Reaktion auf Uumlbertragunsfehler

Bit - Uumlbertragunsfehler werden erkannt

62 Uumlbersicht

63 Aufbau des Ethernet II Frames

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

modul117_zusammenfassungdocx - 13 19 -

64 Aufbau der Ethernet MAC-Adressen

Ethernet MAC-Adressen sind 48 Bit (= 6 Bytes) lang

Die interne Struktur der MAC-Adresse ist wie folgt definiert

65 Arten von Ethernet MAC-Adressen

651 Unicast-Adressen

Unter eine Unicast-MAC Adresse versteht man eine MAC-Adresse

die nur fuumlr eine bestimmte Netzwerkkarte zutrifft

Ein Unicast-adressiertes Frame wird nur von der betreffenden

Netzwerkkarte verarbeitet (vergl Bemerkung am Ende dieses Abschnittes)

66 Broadcast-Adresse

Ein Broadcast-adressiertes Frame wird von jeder Netzwerkkarte die das Broadcast-adressierte Frame bdquosiehtldquo verarbeitet Etwas bildlich ausgedruumlckt hat die Broadcast-Adresse die Wirkung von bdquoMeldung an alleldquo

Die MAC-Broadcast-Adresse bei Ethernet lautet FF FF FF FF FF FF

661 Multicast-Adressen

Multicast-Adressen dienen zur Adressierung einer bestimmten Gruppe von Hosts (zB die Ports aller Ethernet-Switches) Unicast-adressirte Frames weden fuumlr die Switch to Switch Kommunikation verwendet Unicast-MAC-Adressen besitzen kein so typisches Byte-Muster wie die MAC-Broadcast-Adresse

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

modul117_zusammenfassungdocx - 14 19 -

67 Medien Zugriffsverfahren CSMACD

Das CSMACD (Carrier Sense Multiple Access Collision Detection) ist ein Standardzugriffsverfahren bei Ethernet-Netzwerken Erst nachdem ein Datenpacket mehrfach erfolglos uumlbertragen wurde wird eine Fehler-meldung ausgegeben

Ablauf des Zugriffsverfahren CSMACD (Carrier Sende Multiple Access Collision Detection)

68 FLOW Control

Wenn von einer Netzwerkkate ein Bitstrom eingelesen und zu einem Ethernet-Frame assembliert wird bemerkt der Betriebssytem-Kern natuumlrlich nichts davon Insbesondere werden die empfangenen Daten nicht einfach bdquoon the flyldquo an die daruumlber liegende IP-Schicht weitergeleitet

Durch rechtzeitiges Versenden von PAUSE-Signalen wird insbesondere in sehr schnellen Netzen verhindert dass Frames ausgesendet werden die gar nicht verar-beitet werden koumlnnen Dadurch sinkt die Last auf den Switchen bzw die verfuumlgbare Uumlbertragungsleistung kann sinnvoller eingesetzt werden

Unterbrechungs-Signal

IP Internet-Protocol

Netzwerkkarte (Data Link Layer)

Daten-Eingangspuffer

BIOS

Betriebssystem-Kern

Netzwerkkarten- Treiber

Bitstrom

Nutzdaten

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 7 Netzwerkgeraumlte

modul117_zusammenfassungdocx - 15 19 -

7 Netzwerkgeraumlte

71 Switch

Der Switch ist eigentlich eine Multiport Bridge und wurde als Ersatz fuumlr den Layer 1 Hub konzipiert Ein Switch besitzt die gleichen technischen Merkmale wie eine Bridge Die Weiterleitung von Ethernet-Frames erfolgt gezielt aufgrund der Ziel-MAC-Adresse

Wichtige Vorteile des Switch gegenuumlber dem Hub sind

In einem geswitchten LAN beschraumlnken sich die Kollisionsdomaumlnen auf die Microsegmente

In einem geschwitchten LAN ist koumlnnen die Netzwerkkarten im Voll-Duplex Modus ar-beiten

In einem geswitchten LAN koumlnnen die Netzwerkkarten mit Flusskontrolle arbeiten

In einem geswitchten LAN werden die optimalen Uumlbertragungsparameter per Autonegotiation dyna-misch pro Verbindung ausgehandelt

In einem geschwitchten LAN sind redundante Topologien moumlglich weil die Switches mit Hilfe des Span-ning Tree Protocols durch gezielte Port-Abschaltungen Schleifenbildung verhindern koumlnnen

Weil Switches uumlber einen Data-Link Layer verfuumlgen kann daruumlber auch der vollstaumlndige TCPIP-Stack implementiert werden um die Administration uumlber http oder Telnet zu ermoumlglichen

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

modul117_zusammenfassungdocx - 16 19 -

8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

81 Internet Protokoll

Die wichtigsten Aufgaben des IPrsquos sind

Adressierung von IP - Teilnetzen und den darin enthaltenen Hosts

Die im Internet direkt erreichbaren Hosts

muumlssen weltweit eindeutig adressiert werden koumlnnen

Die IP - Adressierung muss Hardware - unabhaumlngig sein

Die IP - Adressierung muss eine effiziente Weiterleitung

von IP - Datagrammen durch das Internet hindurch ermoumlglichen

Es muss fuumlr jeden Layer 2 - Hardware - Technologie ein Verfahren geben die Abbildung der Hardware - unabhaumlngigen IP - Adressen auf die entsprechenden Layer 2 Hardwareabhaumlngigen Adressen durch-fuumlhrt (bei der Kombination IP und Ethernet ist dies das Protokoll ARP)

82 Der IP - Header

Die IP - Nutzlast eines Ethernet - II - Frames wird als IP - Datagramm bezeichnet Das IP - Datagramm besteht seinerseits wieder aus einem Header und der zugehoumlrigen Nutzlast

Version IHL TOS Total length

Identification Flags Fragment offset

TTL Protocol Header checksum

Source IP address

Destination IP address

Options and padding

83 Typen von IPv4-Adressen

Genau gleich wie dies auch bei den MAC - Adressen der Fall ist sind drei Typen von IPv4-Adressen zu unter-scheiden

Unicast IP - Adressen Zuordnung zu einer einzelnen Netzwerkschnittstelle die sich in einem bestimmten IP - Teilnetz befindet Unicast - IP - Adressen werden fuumlr die 11 - Kommunikation eingesetzt

Multicast IP - Adressen Zuordnung zu einer oder mehreren Netzwerkschnittstellen die sich zudem in verschiedenen IP - Teilnetzen befinden koumlnnen Multicast - IP - Adressen werden fuumlr die 1n - Kommunikation verwendet

In IPv4 Netzwerken spielt die Multicast - Zustellung von IP - Datagrammen kaum eine Rolle Neu findet man in LANs Datagrammen fuumlr die Multicast - IP - Zieladresse 239255255250

Diese Multicast - Adresse wird von UPnP - faumlhigen Clients zB zur Ankuumlndigung ihrer Dienste im LAN verwen-det (UPnP = Universal Plug and Play)

Broadcast IP-Adresse Zuordnung zu allen Netzwerkschnittstellen die sich in einem IP-Teilnetz befinden Die Broadcast-IP-Adressierung wird fuumlr die 1alle-Kommunikation im IP-Teilnetz verwendet

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 2 Aufgaben der einzelnen Schichten (Layer)

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2 Aufgaben der einzelnen Schichten (Layer)

21 (1) Physical Layer (Bituumlbertragungsschicht physikalische Schicht)

Uumlbertragung von Bitstroumlmen

Festlegung einer einer gemeinsamen Taktrate fuumlr die Bitsynchronisation (zB 10 100 Mbps)

Darstellung der Bits 0 und 1 als elektrische oder optische Signale (Leitungscodes)

22 (2) Data-Link-Layer (Sicherungsschicht Datenverbindungsschicht)

Aufteilung der Bitstroumlme in Bloumlcke oder Rahmen (Frames) geeigneter Laumlnge

Behandlung von Uumlbertragungsfehlern durch Fehlererkennung und Behebung (Error Detection and Recovery) Recovery (Reaktion zur Fehllerbehebung wird uumlblicherweise nur bei WAN-Technologien angewendet

Block- oder Rahmensynchronisation

Regelung des Zugriffs auf das gemeinsam genutzte Uumlbertragungsmedium

23 (3) Network Layer (Vermittlungsschicht Netzwerkschicht)

Weiterleitung (Relaying) von Daten (gegebenenfalls mit Protokollkonvertierung)

Wegsteuerung (Routing) fuumlr die Weiterleitung von Daten

Adressierung von Computer-Systemen durch Vergabe von (logischen) Netzwerkadressen

Umsetzung von Netzwerkadressen in physikalische Adressen (ARP)

Buumlndelung (Multiplexing) mehrerer Netzverbindungen uumlber einzelne Teilstrecken

24 (4) Transport Layer (Transportschicht)

Unterstuumltzung einer zuverlaumlssigen Ende-zu-Ende-Verbindung zwischen Prozessen (Transport-dienstbenutzer) auf den Endsystemen

Verbergen der Netzcharakteristika vor den Anwendungs orientierten Schichten

Formelle Aushandlung einer Verbindungsbeziehung zwischen Client und Server (TCP)

Fehlerkontrolle (sind alle Pakete einer Uumlbertragung angekommen)

Buumlndelung (Multiplexing) mehrerer Transportverbindungen uumlber eine Netzverbindung

25 (5) Session Layer (Sitzungsschicht)

Auf-Abbau und Benutzung einer Dialogverbindung Wichtigstes Beispiel Zugriff auf freigegebene Ressourcen (Ordner Dateien Drucker) bei Win32 Betriebssystemen Das verwendete Protokoll heisst SMB (Server Message Block)

Steuerung des Dialogs (wer sendet wann und wie lange)

Setzen von Synchronisationspunkten und Dialogsynchronisation

26 (6) Presentation Layer (Darstellungsschicht)

Konvertierung der ausgetauschten Daten in eine systemunabhaumlngige Form (Umsetzung der Syntax) zur Sicherstellung der wechselseitig richtigen Interpretation

Datenkompression

27 (7) Application Layer (Anwendungsschicht)

Unterstuumltzung von Benutzer-Anwendungsprozessen durch Bereitstellung geeigneter Dien- ste (zB Dateitransfer Nachrichtenuumlbermittlung Terminaldialog Transaktionsverarbeitung)

Netzwerktransparenz fuumlr Benutzer-Anwendungsprozesse

Netzwerkmanagement

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 3 Rahmenbildung bei der vertikalen Kommunikation im OSI ndash Modell

modul117_zusammenfassungdocx - 7 19 -

3 Rahmenbildung bei der vertikalen Kommunikation im OSI ndash

Modell

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4 Datenuumlbertragungsschicht

41 Aufgaben der Bituumlbertragungsschicht

bull Uumlbertragung von Bitstroumlmen

bull Festlegung einer Taktrate fuumlr die Bitsynchronisation

bull Darstellung der Bit-Werte bdquo0ldquo und bdquo1ldquo als elektrische

elektromagnetische oder optische Signale durch so genannte Leitungscodes

42 Signalausbreitung

421 Uumlbertragungsrate

Die Uumlbertragungsrate gibt an wie viele Bits pro Sekunde uumlbertragen werden koumlnnen Die Mass-einheit ist Bits pro Sekunde Das fuumlhrt in der Netzwerktechnik zu unpraktikabel grossen Werten daher sind heute die folgenden Mass-Einheiten gebraumluchlich kbps Mbps und Gbps

422 Bandbreite (Signal- und Kanalbandbreite)

Ein weiterer vor allem in der Nachritentechnik und Telematik wichtiger Begriff ist die Bandbreite Bei diesem Begriff muss unterschieden werden ob damit die Bandbreite des zur Verfuumlgung stehenden Nachrichtenkanals oder die Bandbreite eines Signalpulses gemeint ist

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

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43 Zeitlich und raumlumlich begrenzter Signalpuls

Information kann nur durch raumlumlich und zeitlich begrenzte Signalpulse uumlbertragen werden Diese Pulse weisen eine bestimmte Signalbandbreite auf

Dabei gilt der folgende naturgesetzliche Zusammenhang

Je mehr Information pro Sekunde uumlbertragen werden soll

desto kuumlrzer sind die Signalpulse und

desto groumlsser die Signalbandbreite

44 Kanalbandbreite

Unter der Kanalbandbreite eines Uumlbertragungsmediums versteht man jenen Frequenzbereich auf dem in die-sem Medium wirklich Signale uumlbertragen werden koumlnnen

Ausserhalb dieses Frequenzbereiches kann das Uumlbertragungsmedium aus materialbedingten physikalischen Gruumlnden nicht mehr zu Schwingungen angeregt werden und kann demnach dann auch keine Signalpulse mit zu grossen Signalbandbreiten mehr uumlbertragen

5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

51 Basisband-Uumlbertragung

Wenn die gesamte Kanalbreite eines Uumlbertragungsmediums fuumlr eine einzige bitserielle Uumlbertragung eingesetzt wird spricht man von Basisband-Uumlbertragung

Die Ethernet-LAN-Technologie IEEE 8023 ist eine typische Basisband-Uumlbertragungs-Technik

52 Breiband-Uumlbertragung

Obwohl aus der Bezeichnung nicht gerade darauf schliessen wuumlrde bedeutet Breitband-Uumlbertragung folgen-des

Die verfuumlgbare Kanalbandbreite wird auf mehrere separate bitserielle Datenstroumlme aufgeteilt Ein einzelner Da-tenstrom kann nur einen Teil der verfuumlgbaren Kanalbandbreite uumlbernehmen

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

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53 Signal Codierung

54 Manchester Codierung

Die Manchester-Codierung von Bitstroumlmen zur Leitungsuumlbertragung ist so ausgelegt dass die empfangende Netzwerkkarte den Systemtakt der sendenden Karte zuruumlckgewinnen kann

Wie die Manchester-Codierung eines Bitstromes erfolgt wird aus der folgenden Graphik ersichtlich

Die Manchester-Codierung wird oder besser gesagt wurde bei Ethernet-LANs auf Koaxialkabeln eingesetzt

Die Manchester-Codierung ist so angelegt dass

0 Bit durch eine fallende Signalflanke

1 Bit durch eine steigende Signalflanke

55 MLT-3 Codierung

Beim heute verbreitet verwendeten Ethernet-Standard 100BaseTX wird die sogenannte MLT-3 Codierung ver-wendet

MLT-3 Verfahren dargestellt an einem Bitstrom

Datenstrom 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0

Spannungspegel 0 0 + 0 - - 0 0 0 0 0 + + + + + + 0 0 - 0 + +

Noch deutlicher wird die Funktionsweise von MLT-3 anhand eines Diagramms

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

modul117_zusammenfassungdocx - 11 19 -

56 4B5B-Leitungscode

Bei diesem Code werden lange 0- oder 1-Folgen vermieden die die Taktruumlckgewinnung erschweren koumlnn-ten Dazu werden jeweils 4 Daten-Bit in 5 Signal-Bit codiert Dabei darf es nicht mehr als eine fuumlhrende 0 und nicht mehr als 2 abschlieszligende 0 geben

Die Umwandlung von 4-Bit langen Bloumlcken in 5-Bit lange Bloumlcke wird anhand einer standardisierten Umwand-lungstabelle die in den Netzwerkkarten einprogrammiert ist vorgenommen

Codierungsstabelle 4B5B-Code

Rohdaten (4-Bit Nibble) Codierte Daten (5-Bit)

0000 11110

0001 01001

0010 10100

0011 10101

0100 01010

0101 01011

0110 01110

0111 01111

1000 10010

1001 10011

1010 10110

1011 10111

1100 11010

1101 11011

1110 11100

1111 11101

Der Tabelle kann man entnehmen dass nach der 4B5B-Codierung maximal noch zwei 0-Bit-Werte in Folge uumlbertragen werden muumlssen

Damit ergibt sich fuumlr die Uumlbertragung in 100BaseTX-Ethernet-LANs der folgende Ablauf

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Logical Link Control Sublayer (LLC)

Media Acces Control Sublayer (MAC) MAC-Adresse

CSMACD

Bildung Empfang und Versand von Ethernet-Frames

Fluss-Kontrolle

2b

2a

6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

61 Aufgaben des Data Link Layers

Versand und Empfang von Ethernet - Frames

Versand und Empfang von Ethernet-Frames zu und von Hosts aus dem gleiche IP-Teilnetz (dh alle uumlber den Layer z adressierten Hosts liegen auf der gleichen Seite eines Routers)

Einpacken der IP-Datagramme des aus dem Layer 3 in Ethernet-Frames

Adressieren der Ethernet-Frames mit MAC-Adressen fuumlr den Zielhost und Absender-Host

Regelung des Zugriffs auf das gemeinsam genutzte Uumlbertragungsmedium

Dazu wird ein Verfahren angewendet das unter der Bezeichnung CSMACD bekannt ist

Flusskontrolle

Soll Uumlberlauf des internen Empfangspuffers von Netzwerkkarten und Switches verhindern

Reaktion auf Uumlbertragunsfehler

Bit - Uumlbertragunsfehler werden erkannt

62 Uumlbersicht

63 Aufbau des Ethernet II Frames

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

modul117_zusammenfassungdocx - 13 19 -

64 Aufbau der Ethernet MAC-Adressen

Ethernet MAC-Adressen sind 48 Bit (= 6 Bytes) lang

Die interne Struktur der MAC-Adresse ist wie folgt definiert

65 Arten von Ethernet MAC-Adressen

651 Unicast-Adressen

Unter eine Unicast-MAC Adresse versteht man eine MAC-Adresse

die nur fuumlr eine bestimmte Netzwerkkarte zutrifft

Ein Unicast-adressiertes Frame wird nur von der betreffenden

Netzwerkkarte verarbeitet (vergl Bemerkung am Ende dieses Abschnittes)

66 Broadcast-Adresse

Ein Broadcast-adressiertes Frame wird von jeder Netzwerkkarte die das Broadcast-adressierte Frame bdquosiehtldquo verarbeitet Etwas bildlich ausgedruumlckt hat die Broadcast-Adresse die Wirkung von bdquoMeldung an alleldquo

Die MAC-Broadcast-Adresse bei Ethernet lautet FF FF FF FF FF FF

661 Multicast-Adressen

Multicast-Adressen dienen zur Adressierung einer bestimmten Gruppe von Hosts (zB die Ports aller Ethernet-Switches) Unicast-adressirte Frames weden fuumlr die Switch to Switch Kommunikation verwendet Unicast-MAC-Adressen besitzen kein so typisches Byte-Muster wie die MAC-Broadcast-Adresse

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

modul117_zusammenfassungdocx - 14 19 -

67 Medien Zugriffsverfahren CSMACD

Das CSMACD (Carrier Sense Multiple Access Collision Detection) ist ein Standardzugriffsverfahren bei Ethernet-Netzwerken Erst nachdem ein Datenpacket mehrfach erfolglos uumlbertragen wurde wird eine Fehler-meldung ausgegeben

Ablauf des Zugriffsverfahren CSMACD (Carrier Sende Multiple Access Collision Detection)

68 FLOW Control

Wenn von einer Netzwerkkate ein Bitstrom eingelesen und zu einem Ethernet-Frame assembliert wird bemerkt der Betriebssytem-Kern natuumlrlich nichts davon Insbesondere werden die empfangenen Daten nicht einfach bdquoon the flyldquo an die daruumlber liegende IP-Schicht weitergeleitet

Durch rechtzeitiges Versenden von PAUSE-Signalen wird insbesondere in sehr schnellen Netzen verhindert dass Frames ausgesendet werden die gar nicht verar-beitet werden koumlnnen Dadurch sinkt die Last auf den Switchen bzw die verfuumlgbare Uumlbertragungsleistung kann sinnvoller eingesetzt werden

Unterbrechungs-Signal

IP Internet-Protocol

Netzwerkkarte (Data Link Layer)

Daten-Eingangspuffer

BIOS

Betriebssystem-Kern

Netzwerkkarten- Treiber

Bitstrom

Nutzdaten

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 7 Netzwerkgeraumlte

modul117_zusammenfassungdocx - 15 19 -

7 Netzwerkgeraumlte

71 Switch

Der Switch ist eigentlich eine Multiport Bridge und wurde als Ersatz fuumlr den Layer 1 Hub konzipiert Ein Switch besitzt die gleichen technischen Merkmale wie eine Bridge Die Weiterleitung von Ethernet-Frames erfolgt gezielt aufgrund der Ziel-MAC-Adresse

Wichtige Vorteile des Switch gegenuumlber dem Hub sind

In einem geswitchten LAN beschraumlnken sich die Kollisionsdomaumlnen auf die Microsegmente

In einem geschwitchten LAN ist koumlnnen die Netzwerkkarten im Voll-Duplex Modus ar-beiten

In einem geswitchten LAN koumlnnen die Netzwerkkarten mit Flusskontrolle arbeiten

In einem geswitchten LAN werden die optimalen Uumlbertragungsparameter per Autonegotiation dyna-misch pro Verbindung ausgehandelt

In einem geschwitchten LAN sind redundante Topologien moumlglich weil die Switches mit Hilfe des Span-ning Tree Protocols durch gezielte Port-Abschaltungen Schleifenbildung verhindern koumlnnen

Weil Switches uumlber einen Data-Link Layer verfuumlgen kann daruumlber auch der vollstaumlndige TCPIP-Stack implementiert werden um die Administration uumlber http oder Telnet zu ermoumlglichen

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

modul117_zusammenfassungdocx - 16 19 -

8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

81 Internet Protokoll

Die wichtigsten Aufgaben des IPrsquos sind

Adressierung von IP - Teilnetzen und den darin enthaltenen Hosts

Die im Internet direkt erreichbaren Hosts

muumlssen weltweit eindeutig adressiert werden koumlnnen

Die IP - Adressierung muss Hardware - unabhaumlngig sein

Die IP - Adressierung muss eine effiziente Weiterleitung

von IP - Datagrammen durch das Internet hindurch ermoumlglichen

Es muss fuumlr jeden Layer 2 - Hardware - Technologie ein Verfahren geben die Abbildung der Hardware - unabhaumlngigen IP - Adressen auf die entsprechenden Layer 2 Hardwareabhaumlngigen Adressen durch-fuumlhrt (bei der Kombination IP und Ethernet ist dies das Protokoll ARP)

82 Der IP - Header

Die IP - Nutzlast eines Ethernet - II - Frames wird als IP - Datagramm bezeichnet Das IP - Datagramm besteht seinerseits wieder aus einem Header und der zugehoumlrigen Nutzlast

Version IHL TOS Total length

Identification Flags Fragment offset

TTL Protocol Header checksum

Source IP address

Destination IP address

Options and padding

83 Typen von IPv4-Adressen

Genau gleich wie dies auch bei den MAC - Adressen der Fall ist sind drei Typen von IPv4-Adressen zu unter-scheiden

Unicast IP - Adressen Zuordnung zu einer einzelnen Netzwerkschnittstelle die sich in einem bestimmten IP - Teilnetz befindet Unicast - IP - Adressen werden fuumlr die 11 - Kommunikation eingesetzt

Multicast IP - Adressen Zuordnung zu einer oder mehreren Netzwerkschnittstellen die sich zudem in verschiedenen IP - Teilnetzen befinden koumlnnen Multicast - IP - Adressen werden fuumlr die 1n - Kommunikation verwendet

In IPv4 Netzwerken spielt die Multicast - Zustellung von IP - Datagrammen kaum eine Rolle Neu findet man in LANs Datagrammen fuumlr die Multicast - IP - Zieladresse 239255255250

Diese Multicast - Adresse wird von UPnP - faumlhigen Clients zB zur Ankuumlndigung ihrer Dienste im LAN verwen-det (UPnP = Universal Plug and Play)

Broadcast IP-Adresse Zuordnung zu allen Netzwerkschnittstellen die sich in einem IP-Teilnetz befinden Die Broadcast-IP-Adressierung wird fuumlr die 1alle-Kommunikation im IP-Teilnetz verwendet

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 3 Rahmenbildung bei der vertikalen Kommunikation im OSI ndash Modell

modul117_zusammenfassungdocx - 7 19 -

3 Rahmenbildung bei der vertikalen Kommunikation im OSI ndash

Modell

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 4 Datenuumlbertragungsschicht

modul117_zusammenfassungdocx - 8 19 -

4 Datenuumlbertragungsschicht

41 Aufgaben der Bituumlbertragungsschicht

bull Uumlbertragung von Bitstroumlmen

bull Festlegung einer Taktrate fuumlr die Bitsynchronisation

bull Darstellung der Bit-Werte bdquo0ldquo und bdquo1ldquo als elektrische

elektromagnetische oder optische Signale durch so genannte Leitungscodes

42 Signalausbreitung

421 Uumlbertragungsrate

Die Uumlbertragungsrate gibt an wie viele Bits pro Sekunde uumlbertragen werden koumlnnen Die Mass-einheit ist Bits pro Sekunde Das fuumlhrt in der Netzwerktechnik zu unpraktikabel grossen Werten daher sind heute die folgenden Mass-Einheiten gebraumluchlich kbps Mbps und Gbps

422 Bandbreite (Signal- und Kanalbandbreite)

Ein weiterer vor allem in der Nachritentechnik und Telematik wichtiger Begriff ist die Bandbreite Bei diesem Begriff muss unterschieden werden ob damit die Bandbreite des zur Verfuumlgung stehenden Nachrichtenkanals oder die Bandbreite eines Signalpulses gemeint ist

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

modul117_zusammenfassungdocx - 9 19 -

43 Zeitlich und raumlumlich begrenzter Signalpuls

Information kann nur durch raumlumlich und zeitlich begrenzte Signalpulse uumlbertragen werden Diese Pulse weisen eine bestimmte Signalbandbreite auf

Dabei gilt der folgende naturgesetzliche Zusammenhang

Je mehr Information pro Sekunde uumlbertragen werden soll

desto kuumlrzer sind die Signalpulse und

desto groumlsser die Signalbandbreite

44 Kanalbandbreite

Unter der Kanalbandbreite eines Uumlbertragungsmediums versteht man jenen Frequenzbereich auf dem in die-sem Medium wirklich Signale uumlbertragen werden koumlnnen

Ausserhalb dieses Frequenzbereiches kann das Uumlbertragungsmedium aus materialbedingten physikalischen Gruumlnden nicht mehr zu Schwingungen angeregt werden und kann demnach dann auch keine Signalpulse mit zu grossen Signalbandbreiten mehr uumlbertragen

5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

51 Basisband-Uumlbertragung

Wenn die gesamte Kanalbreite eines Uumlbertragungsmediums fuumlr eine einzige bitserielle Uumlbertragung eingesetzt wird spricht man von Basisband-Uumlbertragung

Die Ethernet-LAN-Technologie IEEE 8023 ist eine typische Basisband-Uumlbertragungs-Technik

52 Breiband-Uumlbertragung

Obwohl aus der Bezeichnung nicht gerade darauf schliessen wuumlrde bedeutet Breitband-Uumlbertragung folgen-des

Die verfuumlgbare Kanalbandbreite wird auf mehrere separate bitserielle Datenstroumlme aufgeteilt Ein einzelner Da-tenstrom kann nur einen Teil der verfuumlgbaren Kanalbandbreite uumlbernehmen

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

modul117_zusammenfassungdocx - 10 19 -

53 Signal Codierung

54 Manchester Codierung

Die Manchester-Codierung von Bitstroumlmen zur Leitungsuumlbertragung ist so ausgelegt dass die empfangende Netzwerkkarte den Systemtakt der sendenden Karte zuruumlckgewinnen kann

Wie die Manchester-Codierung eines Bitstromes erfolgt wird aus der folgenden Graphik ersichtlich

Die Manchester-Codierung wird oder besser gesagt wurde bei Ethernet-LANs auf Koaxialkabeln eingesetzt

Die Manchester-Codierung ist so angelegt dass

0 Bit durch eine fallende Signalflanke

1 Bit durch eine steigende Signalflanke

55 MLT-3 Codierung

Beim heute verbreitet verwendeten Ethernet-Standard 100BaseTX wird die sogenannte MLT-3 Codierung ver-wendet

MLT-3 Verfahren dargestellt an einem Bitstrom

Datenstrom 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0

Spannungspegel 0 0 + 0 - - 0 0 0 0 0 + + + + + + 0 0 - 0 + +

Noch deutlicher wird die Funktionsweise von MLT-3 anhand eines Diagramms

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

modul117_zusammenfassungdocx - 11 19 -

56 4B5B-Leitungscode

Bei diesem Code werden lange 0- oder 1-Folgen vermieden die die Taktruumlckgewinnung erschweren koumlnn-ten Dazu werden jeweils 4 Daten-Bit in 5 Signal-Bit codiert Dabei darf es nicht mehr als eine fuumlhrende 0 und nicht mehr als 2 abschlieszligende 0 geben

Die Umwandlung von 4-Bit langen Bloumlcken in 5-Bit lange Bloumlcke wird anhand einer standardisierten Umwand-lungstabelle die in den Netzwerkkarten einprogrammiert ist vorgenommen

Codierungsstabelle 4B5B-Code

Rohdaten (4-Bit Nibble) Codierte Daten (5-Bit)

0000 11110

0001 01001

0010 10100

0011 10101

0100 01010

0101 01011

0110 01110

0111 01111

1000 10010

1001 10011

1010 10110

1011 10111

1100 11010

1101 11011

1110 11100

1111 11101

Der Tabelle kann man entnehmen dass nach der 4B5B-Codierung maximal noch zwei 0-Bit-Werte in Folge uumlbertragen werden muumlssen

Damit ergibt sich fuumlr die Uumlbertragung in 100BaseTX-Ethernet-LANs der folgende Ablauf

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

modul117_zusammenfassungdocx - 12 19 -

Logical Link Control Sublayer (LLC)

Media Acces Control Sublayer (MAC) MAC-Adresse

CSMACD

Bildung Empfang und Versand von Ethernet-Frames

Fluss-Kontrolle

2b

2a

6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

61 Aufgaben des Data Link Layers

Versand und Empfang von Ethernet - Frames

Versand und Empfang von Ethernet-Frames zu und von Hosts aus dem gleiche IP-Teilnetz (dh alle uumlber den Layer z adressierten Hosts liegen auf der gleichen Seite eines Routers)

Einpacken der IP-Datagramme des aus dem Layer 3 in Ethernet-Frames

Adressieren der Ethernet-Frames mit MAC-Adressen fuumlr den Zielhost und Absender-Host

Regelung des Zugriffs auf das gemeinsam genutzte Uumlbertragungsmedium

Dazu wird ein Verfahren angewendet das unter der Bezeichnung CSMACD bekannt ist

Flusskontrolle

Soll Uumlberlauf des internen Empfangspuffers von Netzwerkkarten und Switches verhindern

Reaktion auf Uumlbertragunsfehler

Bit - Uumlbertragunsfehler werden erkannt

62 Uumlbersicht

63 Aufbau des Ethernet II Frames

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

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64 Aufbau der Ethernet MAC-Adressen

Ethernet MAC-Adressen sind 48 Bit (= 6 Bytes) lang

Die interne Struktur der MAC-Adresse ist wie folgt definiert

65 Arten von Ethernet MAC-Adressen

651 Unicast-Adressen

Unter eine Unicast-MAC Adresse versteht man eine MAC-Adresse

die nur fuumlr eine bestimmte Netzwerkkarte zutrifft

Ein Unicast-adressiertes Frame wird nur von der betreffenden

Netzwerkkarte verarbeitet (vergl Bemerkung am Ende dieses Abschnittes)

66 Broadcast-Adresse

Ein Broadcast-adressiertes Frame wird von jeder Netzwerkkarte die das Broadcast-adressierte Frame bdquosiehtldquo verarbeitet Etwas bildlich ausgedruumlckt hat die Broadcast-Adresse die Wirkung von bdquoMeldung an alleldquo

Die MAC-Broadcast-Adresse bei Ethernet lautet FF FF FF FF FF FF

661 Multicast-Adressen

Multicast-Adressen dienen zur Adressierung einer bestimmten Gruppe von Hosts (zB die Ports aller Ethernet-Switches) Unicast-adressirte Frames weden fuumlr die Switch to Switch Kommunikation verwendet Unicast-MAC-Adressen besitzen kein so typisches Byte-Muster wie die MAC-Broadcast-Adresse

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

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67 Medien Zugriffsverfahren CSMACD

Das CSMACD (Carrier Sense Multiple Access Collision Detection) ist ein Standardzugriffsverfahren bei Ethernet-Netzwerken Erst nachdem ein Datenpacket mehrfach erfolglos uumlbertragen wurde wird eine Fehler-meldung ausgegeben

Ablauf des Zugriffsverfahren CSMACD (Carrier Sende Multiple Access Collision Detection)

68 FLOW Control

Wenn von einer Netzwerkkate ein Bitstrom eingelesen und zu einem Ethernet-Frame assembliert wird bemerkt der Betriebssytem-Kern natuumlrlich nichts davon Insbesondere werden die empfangenen Daten nicht einfach bdquoon the flyldquo an die daruumlber liegende IP-Schicht weitergeleitet

Durch rechtzeitiges Versenden von PAUSE-Signalen wird insbesondere in sehr schnellen Netzen verhindert dass Frames ausgesendet werden die gar nicht verar-beitet werden koumlnnen Dadurch sinkt die Last auf den Switchen bzw die verfuumlgbare Uumlbertragungsleistung kann sinnvoller eingesetzt werden

Unterbrechungs-Signal

IP Internet-Protocol

Netzwerkkarte (Data Link Layer)

Daten-Eingangspuffer

BIOS

Betriebssystem-Kern

Netzwerkkarten- Treiber

Bitstrom

Nutzdaten

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 7 Netzwerkgeraumlte

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7 Netzwerkgeraumlte

71 Switch

Der Switch ist eigentlich eine Multiport Bridge und wurde als Ersatz fuumlr den Layer 1 Hub konzipiert Ein Switch besitzt die gleichen technischen Merkmale wie eine Bridge Die Weiterleitung von Ethernet-Frames erfolgt gezielt aufgrund der Ziel-MAC-Adresse

Wichtige Vorteile des Switch gegenuumlber dem Hub sind

In einem geswitchten LAN beschraumlnken sich die Kollisionsdomaumlnen auf die Microsegmente

In einem geschwitchten LAN ist koumlnnen die Netzwerkkarten im Voll-Duplex Modus ar-beiten

In einem geswitchten LAN koumlnnen die Netzwerkkarten mit Flusskontrolle arbeiten

In einem geswitchten LAN werden die optimalen Uumlbertragungsparameter per Autonegotiation dyna-misch pro Verbindung ausgehandelt

In einem geschwitchten LAN sind redundante Topologien moumlglich weil die Switches mit Hilfe des Span-ning Tree Protocols durch gezielte Port-Abschaltungen Schleifenbildung verhindern koumlnnen

Weil Switches uumlber einen Data-Link Layer verfuumlgen kann daruumlber auch der vollstaumlndige TCPIP-Stack implementiert werden um die Administration uumlber http oder Telnet zu ermoumlglichen

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

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8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

81 Internet Protokoll

Die wichtigsten Aufgaben des IPrsquos sind

Adressierung von IP - Teilnetzen und den darin enthaltenen Hosts

Die im Internet direkt erreichbaren Hosts

muumlssen weltweit eindeutig adressiert werden koumlnnen

Die IP - Adressierung muss Hardware - unabhaumlngig sein

Die IP - Adressierung muss eine effiziente Weiterleitung

von IP - Datagrammen durch das Internet hindurch ermoumlglichen

Es muss fuumlr jeden Layer 2 - Hardware - Technologie ein Verfahren geben die Abbildung der Hardware - unabhaumlngigen IP - Adressen auf die entsprechenden Layer 2 Hardwareabhaumlngigen Adressen durch-fuumlhrt (bei der Kombination IP und Ethernet ist dies das Protokoll ARP)

82 Der IP - Header

Die IP - Nutzlast eines Ethernet - II - Frames wird als IP - Datagramm bezeichnet Das IP - Datagramm besteht seinerseits wieder aus einem Header und der zugehoumlrigen Nutzlast

Version IHL TOS Total length

Identification Flags Fragment offset

TTL Protocol Header checksum

Source IP address

Destination IP address

Options and padding

83 Typen von IPv4-Adressen

Genau gleich wie dies auch bei den MAC - Adressen der Fall ist sind drei Typen von IPv4-Adressen zu unter-scheiden

Unicast IP - Adressen Zuordnung zu einer einzelnen Netzwerkschnittstelle die sich in einem bestimmten IP - Teilnetz befindet Unicast - IP - Adressen werden fuumlr die 11 - Kommunikation eingesetzt

Multicast IP - Adressen Zuordnung zu einer oder mehreren Netzwerkschnittstellen die sich zudem in verschiedenen IP - Teilnetzen befinden koumlnnen Multicast - IP - Adressen werden fuumlr die 1n - Kommunikation verwendet

In IPv4 Netzwerken spielt die Multicast - Zustellung von IP - Datagrammen kaum eine Rolle Neu findet man in LANs Datagrammen fuumlr die Multicast - IP - Zieladresse 239255255250

Diese Multicast - Adresse wird von UPnP - faumlhigen Clients zB zur Ankuumlndigung ihrer Dienste im LAN verwen-det (UPnP = Universal Plug and Play)

Broadcast IP-Adresse Zuordnung zu allen Netzwerkschnittstellen die sich in einem IP-Teilnetz befinden Die Broadcast-IP-Adressierung wird fuumlr die 1alle-Kommunikation im IP-Teilnetz verwendet

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 4 Datenuumlbertragungsschicht

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4 Datenuumlbertragungsschicht

41 Aufgaben der Bituumlbertragungsschicht

bull Uumlbertragung von Bitstroumlmen

bull Festlegung einer Taktrate fuumlr die Bitsynchronisation

bull Darstellung der Bit-Werte bdquo0ldquo und bdquo1ldquo als elektrische

elektromagnetische oder optische Signale durch so genannte Leitungscodes

42 Signalausbreitung

421 Uumlbertragungsrate

Die Uumlbertragungsrate gibt an wie viele Bits pro Sekunde uumlbertragen werden koumlnnen Die Mass-einheit ist Bits pro Sekunde Das fuumlhrt in der Netzwerktechnik zu unpraktikabel grossen Werten daher sind heute die folgenden Mass-Einheiten gebraumluchlich kbps Mbps und Gbps

422 Bandbreite (Signal- und Kanalbandbreite)

Ein weiterer vor allem in der Nachritentechnik und Telematik wichtiger Begriff ist die Bandbreite Bei diesem Begriff muss unterschieden werden ob damit die Bandbreite des zur Verfuumlgung stehenden Nachrichtenkanals oder die Bandbreite eines Signalpulses gemeint ist

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

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43 Zeitlich und raumlumlich begrenzter Signalpuls

Information kann nur durch raumlumlich und zeitlich begrenzte Signalpulse uumlbertragen werden Diese Pulse weisen eine bestimmte Signalbandbreite auf

Dabei gilt der folgende naturgesetzliche Zusammenhang

Je mehr Information pro Sekunde uumlbertragen werden soll

desto kuumlrzer sind die Signalpulse und

desto groumlsser die Signalbandbreite

44 Kanalbandbreite

Unter der Kanalbandbreite eines Uumlbertragungsmediums versteht man jenen Frequenzbereich auf dem in die-sem Medium wirklich Signale uumlbertragen werden koumlnnen

Ausserhalb dieses Frequenzbereiches kann das Uumlbertragungsmedium aus materialbedingten physikalischen Gruumlnden nicht mehr zu Schwingungen angeregt werden und kann demnach dann auch keine Signalpulse mit zu grossen Signalbandbreiten mehr uumlbertragen

5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

51 Basisband-Uumlbertragung

Wenn die gesamte Kanalbreite eines Uumlbertragungsmediums fuumlr eine einzige bitserielle Uumlbertragung eingesetzt wird spricht man von Basisband-Uumlbertragung

Die Ethernet-LAN-Technologie IEEE 8023 ist eine typische Basisband-Uumlbertragungs-Technik

52 Breiband-Uumlbertragung

Obwohl aus der Bezeichnung nicht gerade darauf schliessen wuumlrde bedeutet Breitband-Uumlbertragung folgen-des

Die verfuumlgbare Kanalbandbreite wird auf mehrere separate bitserielle Datenstroumlme aufgeteilt Ein einzelner Da-tenstrom kann nur einen Teil der verfuumlgbaren Kanalbandbreite uumlbernehmen

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

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53 Signal Codierung

54 Manchester Codierung

Die Manchester-Codierung von Bitstroumlmen zur Leitungsuumlbertragung ist so ausgelegt dass die empfangende Netzwerkkarte den Systemtakt der sendenden Karte zuruumlckgewinnen kann

Wie die Manchester-Codierung eines Bitstromes erfolgt wird aus der folgenden Graphik ersichtlich

Die Manchester-Codierung wird oder besser gesagt wurde bei Ethernet-LANs auf Koaxialkabeln eingesetzt

Die Manchester-Codierung ist so angelegt dass

0 Bit durch eine fallende Signalflanke

1 Bit durch eine steigende Signalflanke

55 MLT-3 Codierung

Beim heute verbreitet verwendeten Ethernet-Standard 100BaseTX wird die sogenannte MLT-3 Codierung ver-wendet

MLT-3 Verfahren dargestellt an einem Bitstrom

Datenstrom 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0

Spannungspegel 0 0 + 0 - - 0 0 0 0 0 + + + + + + 0 0 - 0 + +

Noch deutlicher wird die Funktionsweise von MLT-3 anhand eines Diagramms

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56 4B5B-Leitungscode

Bei diesem Code werden lange 0- oder 1-Folgen vermieden die die Taktruumlckgewinnung erschweren koumlnn-ten Dazu werden jeweils 4 Daten-Bit in 5 Signal-Bit codiert Dabei darf es nicht mehr als eine fuumlhrende 0 und nicht mehr als 2 abschlieszligende 0 geben

Die Umwandlung von 4-Bit langen Bloumlcken in 5-Bit lange Bloumlcke wird anhand einer standardisierten Umwand-lungstabelle die in den Netzwerkkarten einprogrammiert ist vorgenommen

Codierungsstabelle 4B5B-Code

Rohdaten (4-Bit Nibble) Codierte Daten (5-Bit)

0000 11110

0001 01001

0010 10100

0011 10101

0100 01010

0101 01011

0110 01110

0111 01111

1000 10010

1001 10011

1010 10110

1011 10111

1100 11010

1101 11011

1110 11100

1111 11101

Der Tabelle kann man entnehmen dass nach der 4B5B-Codierung maximal noch zwei 0-Bit-Werte in Folge uumlbertragen werden muumlssen

Damit ergibt sich fuumlr die Uumlbertragung in 100BaseTX-Ethernet-LANs der folgende Ablauf

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

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Logical Link Control Sublayer (LLC)

Media Acces Control Sublayer (MAC) MAC-Adresse

CSMACD

Bildung Empfang und Versand von Ethernet-Frames

Fluss-Kontrolle

2b

2a

6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

61 Aufgaben des Data Link Layers

Versand und Empfang von Ethernet - Frames

Versand und Empfang von Ethernet-Frames zu und von Hosts aus dem gleiche IP-Teilnetz (dh alle uumlber den Layer z adressierten Hosts liegen auf der gleichen Seite eines Routers)

Einpacken der IP-Datagramme des aus dem Layer 3 in Ethernet-Frames

Adressieren der Ethernet-Frames mit MAC-Adressen fuumlr den Zielhost und Absender-Host

Regelung des Zugriffs auf das gemeinsam genutzte Uumlbertragungsmedium

Dazu wird ein Verfahren angewendet das unter der Bezeichnung CSMACD bekannt ist

Flusskontrolle

Soll Uumlberlauf des internen Empfangspuffers von Netzwerkkarten und Switches verhindern

Reaktion auf Uumlbertragunsfehler

Bit - Uumlbertragunsfehler werden erkannt

62 Uumlbersicht

63 Aufbau des Ethernet II Frames

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

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64 Aufbau der Ethernet MAC-Adressen

Ethernet MAC-Adressen sind 48 Bit (= 6 Bytes) lang

Die interne Struktur der MAC-Adresse ist wie folgt definiert

65 Arten von Ethernet MAC-Adressen

651 Unicast-Adressen

Unter eine Unicast-MAC Adresse versteht man eine MAC-Adresse

die nur fuumlr eine bestimmte Netzwerkkarte zutrifft

Ein Unicast-adressiertes Frame wird nur von der betreffenden

Netzwerkkarte verarbeitet (vergl Bemerkung am Ende dieses Abschnittes)

66 Broadcast-Adresse

Ein Broadcast-adressiertes Frame wird von jeder Netzwerkkarte die das Broadcast-adressierte Frame bdquosiehtldquo verarbeitet Etwas bildlich ausgedruumlckt hat die Broadcast-Adresse die Wirkung von bdquoMeldung an alleldquo

Die MAC-Broadcast-Adresse bei Ethernet lautet FF FF FF FF FF FF

661 Multicast-Adressen

Multicast-Adressen dienen zur Adressierung einer bestimmten Gruppe von Hosts (zB die Ports aller Ethernet-Switches) Unicast-adressirte Frames weden fuumlr die Switch to Switch Kommunikation verwendet Unicast-MAC-Adressen besitzen kein so typisches Byte-Muster wie die MAC-Broadcast-Adresse

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

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67 Medien Zugriffsverfahren CSMACD

Das CSMACD (Carrier Sense Multiple Access Collision Detection) ist ein Standardzugriffsverfahren bei Ethernet-Netzwerken Erst nachdem ein Datenpacket mehrfach erfolglos uumlbertragen wurde wird eine Fehler-meldung ausgegeben

Ablauf des Zugriffsverfahren CSMACD (Carrier Sende Multiple Access Collision Detection)

68 FLOW Control

Wenn von einer Netzwerkkate ein Bitstrom eingelesen und zu einem Ethernet-Frame assembliert wird bemerkt der Betriebssytem-Kern natuumlrlich nichts davon Insbesondere werden die empfangenen Daten nicht einfach bdquoon the flyldquo an die daruumlber liegende IP-Schicht weitergeleitet

Durch rechtzeitiges Versenden von PAUSE-Signalen wird insbesondere in sehr schnellen Netzen verhindert dass Frames ausgesendet werden die gar nicht verar-beitet werden koumlnnen Dadurch sinkt die Last auf den Switchen bzw die verfuumlgbare Uumlbertragungsleistung kann sinnvoller eingesetzt werden

Unterbrechungs-Signal

IP Internet-Protocol

Netzwerkkarte (Data Link Layer)

Daten-Eingangspuffer

BIOS

Betriebssystem-Kern

Netzwerkkarten- Treiber

Bitstrom

Nutzdaten

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 7 Netzwerkgeraumlte

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7 Netzwerkgeraumlte

71 Switch

Der Switch ist eigentlich eine Multiport Bridge und wurde als Ersatz fuumlr den Layer 1 Hub konzipiert Ein Switch besitzt die gleichen technischen Merkmale wie eine Bridge Die Weiterleitung von Ethernet-Frames erfolgt gezielt aufgrund der Ziel-MAC-Adresse

Wichtige Vorteile des Switch gegenuumlber dem Hub sind

In einem geswitchten LAN beschraumlnken sich die Kollisionsdomaumlnen auf die Microsegmente

In einem geschwitchten LAN ist koumlnnen die Netzwerkkarten im Voll-Duplex Modus ar-beiten

In einem geswitchten LAN koumlnnen die Netzwerkkarten mit Flusskontrolle arbeiten

In einem geswitchten LAN werden die optimalen Uumlbertragungsparameter per Autonegotiation dyna-misch pro Verbindung ausgehandelt

In einem geschwitchten LAN sind redundante Topologien moumlglich weil die Switches mit Hilfe des Span-ning Tree Protocols durch gezielte Port-Abschaltungen Schleifenbildung verhindern koumlnnen

Weil Switches uumlber einen Data-Link Layer verfuumlgen kann daruumlber auch der vollstaumlndige TCPIP-Stack implementiert werden um die Administration uumlber http oder Telnet zu ermoumlglichen

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

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8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

81 Internet Protokoll

Die wichtigsten Aufgaben des IPrsquos sind

Adressierung von IP - Teilnetzen und den darin enthaltenen Hosts

Die im Internet direkt erreichbaren Hosts

muumlssen weltweit eindeutig adressiert werden koumlnnen

Die IP - Adressierung muss Hardware - unabhaumlngig sein

Die IP - Adressierung muss eine effiziente Weiterleitung

von IP - Datagrammen durch das Internet hindurch ermoumlglichen

Es muss fuumlr jeden Layer 2 - Hardware - Technologie ein Verfahren geben die Abbildung der Hardware - unabhaumlngigen IP - Adressen auf die entsprechenden Layer 2 Hardwareabhaumlngigen Adressen durch-fuumlhrt (bei der Kombination IP und Ethernet ist dies das Protokoll ARP)

82 Der IP - Header

Die IP - Nutzlast eines Ethernet - II - Frames wird als IP - Datagramm bezeichnet Das IP - Datagramm besteht seinerseits wieder aus einem Header und der zugehoumlrigen Nutzlast

Version IHL TOS Total length

Identification Flags Fragment offset

TTL Protocol Header checksum

Source IP address

Destination IP address

Options and padding

83 Typen von IPv4-Adressen

Genau gleich wie dies auch bei den MAC - Adressen der Fall ist sind drei Typen von IPv4-Adressen zu unter-scheiden

Unicast IP - Adressen Zuordnung zu einer einzelnen Netzwerkschnittstelle die sich in einem bestimmten IP - Teilnetz befindet Unicast - IP - Adressen werden fuumlr die 11 - Kommunikation eingesetzt

Multicast IP - Adressen Zuordnung zu einer oder mehreren Netzwerkschnittstellen die sich zudem in verschiedenen IP - Teilnetzen befinden koumlnnen Multicast - IP - Adressen werden fuumlr die 1n - Kommunikation verwendet

In IPv4 Netzwerken spielt die Multicast - Zustellung von IP - Datagrammen kaum eine Rolle Neu findet man in LANs Datagrammen fuumlr die Multicast - IP - Zieladresse 239255255250

Diese Multicast - Adresse wird von UPnP - faumlhigen Clients zB zur Ankuumlndigung ihrer Dienste im LAN verwen-det (UPnP = Universal Plug and Play)

Broadcast IP-Adresse Zuordnung zu allen Netzwerkschnittstellen die sich in einem IP-Teilnetz befinden Die Broadcast-IP-Adressierung wird fuumlr die 1alle-Kommunikation im IP-Teilnetz verwendet

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

modul117_zusammenfassungdocx - 9 19 -

43 Zeitlich und raumlumlich begrenzter Signalpuls

Information kann nur durch raumlumlich und zeitlich begrenzte Signalpulse uumlbertragen werden Diese Pulse weisen eine bestimmte Signalbandbreite auf

Dabei gilt der folgende naturgesetzliche Zusammenhang

Je mehr Information pro Sekunde uumlbertragen werden soll

desto kuumlrzer sind die Signalpulse und

desto groumlsser die Signalbandbreite

44 Kanalbandbreite

Unter der Kanalbandbreite eines Uumlbertragungsmediums versteht man jenen Frequenzbereich auf dem in die-sem Medium wirklich Signale uumlbertragen werden koumlnnen

Ausserhalb dieses Frequenzbereiches kann das Uumlbertragungsmedium aus materialbedingten physikalischen Gruumlnden nicht mehr zu Schwingungen angeregt werden und kann demnach dann auch keine Signalpulse mit zu grossen Signalbandbreiten mehr uumlbertragen

5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

51 Basisband-Uumlbertragung

Wenn die gesamte Kanalbreite eines Uumlbertragungsmediums fuumlr eine einzige bitserielle Uumlbertragung eingesetzt wird spricht man von Basisband-Uumlbertragung

Die Ethernet-LAN-Technologie IEEE 8023 ist eine typische Basisband-Uumlbertragungs-Technik

52 Breiband-Uumlbertragung

Obwohl aus der Bezeichnung nicht gerade darauf schliessen wuumlrde bedeutet Breitband-Uumlbertragung folgen-des

Die verfuumlgbare Kanalbandbreite wird auf mehrere separate bitserielle Datenstroumlme aufgeteilt Ein einzelner Da-tenstrom kann nur einen Teil der verfuumlgbaren Kanalbandbreite uumlbernehmen

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

modul117_zusammenfassungdocx - 10 19 -

53 Signal Codierung

54 Manchester Codierung

Die Manchester-Codierung von Bitstroumlmen zur Leitungsuumlbertragung ist so ausgelegt dass die empfangende Netzwerkkarte den Systemtakt der sendenden Karte zuruumlckgewinnen kann

Wie die Manchester-Codierung eines Bitstromes erfolgt wird aus der folgenden Graphik ersichtlich

Die Manchester-Codierung wird oder besser gesagt wurde bei Ethernet-LANs auf Koaxialkabeln eingesetzt

Die Manchester-Codierung ist so angelegt dass

0 Bit durch eine fallende Signalflanke

1 Bit durch eine steigende Signalflanke

55 MLT-3 Codierung

Beim heute verbreitet verwendeten Ethernet-Standard 100BaseTX wird die sogenannte MLT-3 Codierung ver-wendet

MLT-3 Verfahren dargestellt an einem Bitstrom

Datenstrom 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0

Spannungspegel 0 0 + 0 - - 0 0 0 0 0 + + + + + + 0 0 - 0 + +

Noch deutlicher wird die Funktionsweise von MLT-3 anhand eines Diagramms

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

modul117_zusammenfassungdocx - 11 19 -

56 4B5B-Leitungscode

Bei diesem Code werden lange 0- oder 1-Folgen vermieden die die Taktruumlckgewinnung erschweren koumlnn-ten Dazu werden jeweils 4 Daten-Bit in 5 Signal-Bit codiert Dabei darf es nicht mehr als eine fuumlhrende 0 und nicht mehr als 2 abschlieszligende 0 geben

Die Umwandlung von 4-Bit langen Bloumlcken in 5-Bit lange Bloumlcke wird anhand einer standardisierten Umwand-lungstabelle die in den Netzwerkkarten einprogrammiert ist vorgenommen

Codierungsstabelle 4B5B-Code

Rohdaten (4-Bit Nibble) Codierte Daten (5-Bit)

0000 11110

0001 01001

0010 10100

0011 10101

0100 01010

0101 01011

0110 01110

0111 01111

1000 10010

1001 10011

1010 10110

1011 10111

1100 11010

1101 11011

1110 11100

1111 11101

Der Tabelle kann man entnehmen dass nach der 4B5B-Codierung maximal noch zwei 0-Bit-Werte in Folge uumlbertragen werden muumlssen

Damit ergibt sich fuumlr die Uumlbertragung in 100BaseTX-Ethernet-LANs der folgende Ablauf

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

modul117_zusammenfassungdocx - 12 19 -

Logical Link Control Sublayer (LLC)

Media Acces Control Sublayer (MAC) MAC-Adresse

CSMACD

Bildung Empfang und Versand von Ethernet-Frames

Fluss-Kontrolle

2b

2a

6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

61 Aufgaben des Data Link Layers

Versand und Empfang von Ethernet - Frames

Versand und Empfang von Ethernet-Frames zu und von Hosts aus dem gleiche IP-Teilnetz (dh alle uumlber den Layer z adressierten Hosts liegen auf der gleichen Seite eines Routers)

Einpacken der IP-Datagramme des aus dem Layer 3 in Ethernet-Frames

Adressieren der Ethernet-Frames mit MAC-Adressen fuumlr den Zielhost und Absender-Host

Regelung des Zugriffs auf das gemeinsam genutzte Uumlbertragungsmedium

Dazu wird ein Verfahren angewendet das unter der Bezeichnung CSMACD bekannt ist

Flusskontrolle

Soll Uumlberlauf des internen Empfangspuffers von Netzwerkkarten und Switches verhindern

Reaktion auf Uumlbertragunsfehler

Bit - Uumlbertragunsfehler werden erkannt

62 Uumlbersicht

63 Aufbau des Ethernet II Frames

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

modul117_zusammenfassungdocx - 13 19 -

64 Aufbau der Ethernet MAC-Adressen

Ethernet MAC-Adressen sind 48 Bit (= 6 Bytes) lang

Die interne Struktur der MAC-Adresse ist wie folgt definiert

65 Arten von Ethernet MAC-Adressen

651 Unicast-Adressen

Unter eine Unicast-MAC Adresse versteht man eine MAC-Adresse

die nur fuumlr eine bestimmte Netzwerkkarte zutrifft

Ein Unicast-adressiertes Frame wird nur von der betreffenden

Netzwerkkarte verarbeitet (vergl Bemerkung am Ende dieses Abschnittes)

66 Broadcast-Adresse

Ein Broadcast-adressiertes Frame wird von jeder Netzwerkkarte die das Broadcast-adressierte Frame bdquosiehtldquo verarbeitet Etwas bildlich ausgedruumlckt hat die Broadcast-Adresse die Wirkung von bdquoMeldung an alleldquo

Die MAC-Broadcast-Adresse bei Ethernet lautet FF FF FF FF FF FF

661 Multicast-Adressen

Multicast-Adressen dienen zur Adressierung einer bestimmten Gruppe von Hosts (zB die Ports aller Ethernet-Switches) Unicast-adressirte Frames weden fuumlr die Switch to Switch Kommunikation verwendet Unicast-MAC-Adressen besitzen kein so typisches Byte-Muster wie die MAC-Broadcast-Adresse

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

modul117_zusammenfassungdocx - 14 19 -

67 Medien Zugriffsverfahren CSMACD

Das CSMACD (Carrier Sense Multiple Access Collision Detection) ist ein Standardzugriffsverfahren bei Ethernet-Netzwerken Erst nachdem ein Datenpacket mehrfach erfolglos uumlbertragen wurde wird eine Fehler-meldung ausgegeben

Ablauf des Zugriffsverfahren CSMACD (Carrier Sende Multiple Access Collision Detection)

68 FLOW Control

Wenn von einer Netzwerkkate ein Bitstrom eingelesen und zu einem Ethernet-Frame assembliert wird bemerkt der Betriebssytem-Kern natuumlrlich nichts davon Insbesondere werden die empfangenen Daten nicht einfach bdquoon the flyldquo an die daruumlber liegende IP-Schicht weitergeleitet

Durch rechtzeitiges Versenden von PAUSE-Signalen wird insbesondere in sehr schnellen Netzen verhindert dass Frames ausgesendet werden die gar nicht verar-beitet werden koumlnnen Dadurch sinkt die Last auf den Switchen bzw die verfuumlgbare Uumlbertragungsleistung kann sinnvoller eingesetzt werden

Unterbrechungs-Signal

IP Internet-Protocol

Netzwerkkarte (Data Link Layer)

Daten-Eingangspuffer

BIOS

Betriebssystem-Kern

Netzwerkkarten- Treiber

Bitstrom

Nutzdaten

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 7 Netzwerkgeraumlte

modul117_zusammenfassungdocx - 15 19 -

7 Netzwerkgeraumlte

71 Switch

Der Switch ist eigentlich eine Multiport Bridge und wurde als Ersatz fuumlr den Layer 1 Hub konzipiert Ein Switch besitzt die gleichen technischen Merkmale wie eine Bridge Die Weiterleitung von Ethernet-Frames erfolgt gezielt aufgrund der Ziel-MAC-Adresse

Wichtige Vorteile des Switch gegenuumlber dem Hub sind

In einem geswitchten LAN beschraumlnken sich die Kollisionsdomaumlnen auf die Microsegmente

In einem geschwitchten LAN ist koumlnnen die Netzwerkkarten im Voll-Duplex Modus ar-beiten

In einem geswitchten LAN koumlnnen die Netzwerkkarten mit Flusskontrolle arbeiten

In einem geswitchten LAN werden die optimalen Uumlbertragungsparameter per Autonegotiation dyna-misch pro Verbindung ausgehandelt

In einem geschwitchten LAN sind redundante Topologien moumlglich weil die Switches mit Hilfe des Span-ning Tree Protocols durch gezielte Port-Abschaltungen Schleifenbildung verhindern koumlnnen

Weil Switches uumlber einen Data-Link Layer verfuumlgen kann daruumlber auch der vollstaumlndige TCPIP-Stack implementiert werden um die Administration uumlber http oder Telnet zu ermoumlglichen

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

modul117_zusammenfassungdocx - 16 19 -

8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

81 Internet Protokoll

Die wichtigsten Aufgaben des IPrsquos sind

Adressierung von IP - Teilnetzen und den darin enthaltenen Hosts

Die im Internet direkt erreichbaren Hosts

muumlssen weltweit eindeutig adressiert werden koumlnnen

Die IP - Adressierung muss Hardware - unabhaumlngig sein

Die IP - Adressierung muss eine effiziente Weiterleitung

von IP - Datagrammen durch das Internet hindurch ermoumlglichen

Es muss fuumlr jeden Layer 2 - Hardware - Technologie ein Verfahren geben die Abbildung der Hardware - unabhaumlngigen IP - Adressen auf die entsprechenden Layer 2 Hardwareabhaumlngigen Adressen durch-fuumlhrt (bei der Kombination IP und Ethernet ist dies das Protokoll ARP)

82 Der IP - Header

Die IP - Nutzlast eines Ethernet - II - Frames wird als IP - Datagramm bezeichnet Das IP - Datagramm besteht seinerseits wieder aus einem Header und der zugehoumlrigen Nutzlast

Version IHL TOS Total length

Identification Flags Fragment offset

TTL Protocol Header checksum

Source IP address

Destination IP address

Options and padding

83 Typen von IPv4-Adressen

Genau gleich wie dies auch bei den MAC - Adressen der Fall ist sind drei Typen von IPv4-Adressen zu unter-scheiden

Unicast IP - Adressen Zuordnung zu einer einzelnen Netzwerkschnittstelle die sich in einem bestimmten IP - Teilnetz befindet Unicast - IP - Adressen werden fuumlr die 11 - Kommunikation eingesetzt

Multicast IP - Adressen Zuordnung zu einer oder mehreren Netzwerkschnittstellen die sich zudem in verschiedenen IP - Teilnetzen befinden koumlnnen Multicast - IP - Adressen werden fuumlr die 1n - Kommunikation verwendet

In IPv4 Netzwerken spielt die Multicast - Zustellung von IP - Datagrammen kaum eine Rolle Neu findet man in LANs Datagrammen fuumlr die Multicast - IP - Zieladresse 239255255250

Diese Multicast - Adresse wird von UPnP - faumlhigen Clients zB zur Ankuumlndigung ihrer Dienste im LAN verwen-det (UPnP = Universal Plug and Play)

Broadcast IP-Adresse Zuordnung zu allen Netzwerkschnittstellen die sich in einem IP-Teilnetz befinden Die Broadcast-IP-Adressierung wird fuumlr die 1alle-Kommunikation im IP-Teilnetz verwendet

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

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53 Signal Codierung

54 Manchester Codierung

Die Manchester-Codierung von Bitstroumlmen zur Leitungsuumlbertragung ist so ausgelegt dass die empfangende Netzwerkkarte den Systemtakt der sendenden Karte zuruumlckgewinnen kann

Wie die Manchester-Codierung eines Bitstromes erfolgt wird aus der folgenden Graphik ersichtlich

Die Manchester-Codierung wird oder besser gesagt wurde bei Ethernet-LANs auf Koaxialkabeln eingesetzt

Die Manchester-Codierung ist so angelegt dass

0 Bit durch eine fallende Signalflanke

1 Bit durch eine steigende Signalflanke

55 MLT-3 Codierung

Beim heute verbreitet verwendeten Ethernet-Standard 100BaseTX wird die sogenannte MLT-3 Codierung ver-wendet

MLT-3 Verfahren dargestellt an einem Bitstrom

Datenstrom 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0

Spannungspegel 0 0 + 0 - - 0 0 0 0 0 + + + + + + 0 0 - 0 + +

Noch deutlicher wird die Funktionsweise von MLT-3 anhand eines Diagramms

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

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56 4B5B-Leitungscode

Bei diesem Code werden lange 0- oder 1-Folgen vermieden die die Taktruumlckgewinnung erschweren koumlnn-ten Dazu werden jeweils 4 Daten-Bit in 5 Signal-Bit codiert Dabei darf es nicht mehr als eine fuumlhrende 0 und nicht mehr als 2 abschlieszligende 0 geben

Die Umwandlung von 4-Bit langen Bloumlcken in 5-Bit lange Bloumlcke wird anhand einer standardisierten Umwand-lungstabelle die in den Netzwerkkarten einprogrammiert ist vorgenommen

Codierungsstabelle 4B5B-Code

Rohdaten (4-Bit Nibble) Codierte Daten (5-Bit)

0000 11110

0001 01001

0010 10100

0011 10101

0100 01010

0101 01011

0110 01110

0111 01111

1000 10010

1001 10011

1010 10110

1011 10111

1100 11010

1101 11011

1110 11100

1111 11101

Der Tabelle kann man entnehmen dass nach der 4B5B-Codierung maximal noch zwei 0-Bit-Werte in Folge uumlbertragen werden muumlssen

Damit ergibt sich fuumlr die Uumlbertragung in 100BaseTX-Ethernet-LANs der folgende Ablauf

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

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Logical Link Control Sublayer (LLC)

Media Acces Control Sublayer (MAC) MAC-Adresse

CSMACD

Bildung Empfang und Versand von Ethernet-Frames

Fluss-Kontrolle

2b

2a

6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

61 Aufgaben des Data Link Layers

Versand und Empfang von Ethernet - Frames

Versand und Empfang von Ethernet-Frames zu und von Hosts aus dem gleiche IP-Teilnetz (dh alle uumlber den Layer z adressierten Hosts liegen auf der gleichen Seite eines Routers)

Einpacken der IP-Datagramme des aus dem Layer 3 in Ethernet-Frames

Adressieren der Ethernet-Frames mit MAC-Adressen fuumlr den Zielhost und Absender-Host

Regelung des Zugriffs auf das gemeinsam genutzte Uumlbertragungsmedium

Dazu wird ein Verfahren angewendet das unter der Bezeichnung CSMACD bekannt ist

Flusskontrolle

Soll Uumlberlauf des internen Empfangspuffers von Netzwerkkarten und Switches verhindern

Reaktion auf Uumlbertragunsfehler

Bit - Uumlbertragunsfehler werden erkannt

62 Uumlbersicht

63 Aufbau des Ethernet II Frames

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

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64 Aufbau der Ethernet MAC-Adressen

Ethernet MAC-Adressen sind 48 Bit (= 6 Bytes) lang

Die interne Struktur der MAC-Adresse ist wie folgt definiert

65 Arten von Ethernet MAC-Adressen

651 Unicast-Adressen

Unter eine Unicast-MAC Adresse versteht man eine MAC-Adresse

die nur fuumlr eine bestimmte Netzwerkkarte zutrifft

Ein Unicast-adressiertes Frame wird nur von der betreffenden

Netzwerkkarte verarbeitet (vergl Bemerkung am Ende dieses Abschnittes)

66 Broadcast-Adresse

Ein Broadcast-adressiertes Frame wird von jeder Netzwerkkarte die das Broadcast-adressierte Frame bdquosiehtldquo verarbeitet Etwas bildlich ausgedruumlckt hat die Broadcast-Adresse die Wirkung von bdquoMeldung an alleldquo

Die MAC-Broadcast-Adresse bei Ethernet lautet FF FF FF FF FF FF

661 Multicast-Adressen

Multicast-Adressen dienen zur Adressierung einer bestimmten Gruppe von Hosts (zB die Ports aller Ethernet-Switches) Unicast-adressirte Frames weden fuumlr die Switch to Switch Kommunikation verwendet Unicast-MAC-Adressen besitzen kein so typisches Byte-Muster wie die MAC-Broadcast-Adresse

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

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67 Medien Zugriffsverfahren CSMACD

Das CSMACD (Carrier Sense Multiple Access Collision Detection) ist ein Standardzugriffsverfahren bei Ethernet-Netzwerken Erst nachdem ein Datenpacket mehrfach erfolglos uumlbertragen wurde wird eine Fehler-meldung ausgegeben

Ablauf des Zugriffsverfahren CSMACD (Carrier Sende Multiple Access Collision Detection)

68 FLOW Control

Wenn von einer Netzwerkkate ein Bitstrom eingelesen und zu einem Ethernet-Frame assembliert wird bemerkt der Betriebssytem-Kern natuumlrlich nichts davon Insbesondere werden die empfangenen Daten nicht einfach bdquoon the flyldquo an die daruumlber liegende IP-Schicht weitergeleitet

Durch rechtzeitiges Versenden von PAUSE-Signalen wird insbesondere in sehr schnellen Netzen verhindert dass Frames ausgesendet werden die gar nicht verar-beitet werden koumlnnen Dadurch sinkt die Last auf den Switchen bzw die verfuumlgbare Uumlbertragungsleistung kann sinnvoller eingesetzt werden

Unterbrechungs-Signal

IP Internet-Protocol

Netzwerkkarte (Data Link Layer)

Daten-Eingangspuffer

BIOS

Betriebssystem-Kern

Netzwerkkarten- Treiber

Bitstrom

Nutzdaten

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 7 Netzwerkgeraumlte

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7 Netzwerkgeraumlte

71 Switch

Der Switch ist eigentlich eine Multiport Bridge und wurde als Ersatz fuumlr den Layer 1 Hub konzipiert Ein Switch besitzt die gleichen technischen Merkmale wie eine Bridge Die Weiterleitung von Ethernet-Frames erfolgt gezielt aufgrund der Ziel-MAC-Adresse

Wichtige Vorteile des Switch gegenuumlber dem Hub sind

In einem geswitchten LAN beschraumlnken sich die Kollisionsdomaumlnen auf die Microsegmente

In einem geschwitchten LAN ist koumlnnen die Netzwerkkarten im Voll-Duplex Modus ar-beiten

In einem geswitchten LAN koumlnnen die Netzwerkkarten mit Flusskontrolle arbeiten

In einem geswitchten LAN werden die optimalen Uumlbertragungsparameter per Autonegotiation dyna-misch pro Verbindung ausgehandelt

In einem geschwitchten LAN sind redundante Topologien moumlglich weil die Switches mit Hilfe des Span-ning Tree Protocols durch gezielte Port-Abschaltungen Schleifenbildung verhindern koumlnnen

Weil Switches uumlber einen Data-Link Layer verfuumlgen kann daruumlber auch der vollstaumlndige TCPIP-Stack implementiert werden um die Administration uumlber http oder Telnet zu ermoumlglichen

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

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8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

81 Internet Protokoll

Die wichtigsten Aufgaben des IPrsquos sind

Adressierung von IP - Teilnetzen und den darin enthaltenen Hosts

Die im Internet direkt erreichbaren Hosts

muumlssen weltweit eindeutig adressiert werden koumlnnen

Die IP - Adressierung muss Hardware - unabhaumlngig sein

Die IP - Adressierung muss eine effiziente Weiterleitung

von IP - Datagrammen durch das Internet hindurch ermoumlglichen

Es muss fuumlr jeden Layer 2 - Hardware - Technologie ein Verfahren geben die Abbildung der Hardware - unabhaumlngigen IP - Adressen auf die entsprechenden Layer 2 Hardwareabhaumlngigen Adressen durch-fuumlhrt (bei der Kombination IP und Ethernet ist dies das Protokoll ARP)

82 Der IP - Header

Die IP - Nutzlast eines Ethernet - II - Frames wird als IP - Datagramm bezeichnet Das IP - Datagramm besteht seinerseits wieder aus einem Header und der zugehoumlrigen Nutzlast

Version IHL TOS Total length

Identification Flags Fragment offset

TTL Protocol Header checksum

Source IP address

Destination IP address

Options and padding

83 Typen von IPv4-Adressen

Genau gleich wie dies auch bei den MAC - Adressen der Fall ist sind drei Typen von IPv4-Adressen zu unter-scheiden

Unicast IP - Adressen Zuordnung zu einer einzelnen Netzwerkschnittstelle die sich in einem bestimmten IP - Teilnetz befindet Unicast - IP - Adressen werden fuumlr die 11 - Kommunikation eingesetzt

Multicast IP - Adressen Zuordnung zu einer oder mehreren Netzwerkschnittstellen die sich zudem in verschiedenen IP - Teilnetzen befinden koumlnnen Multicast - IP - Adressen werden fuumlr die 1n - Kommunikation verwendet

In IPv4 Netzwerken spielt die Multicast - Zustellung von IP - Datagrammen kaum eine Rolle Neu findet man in LANs Datagrammen fuumlr die Multicast - IP - Zieladresse 239255255250

Diese Multicast - Adresse wird von UPnP - faumlhigen Clients zB zur Ankuumlndigung ihrer Dienste im LAN verwen-det (UPnP = Universal Plug and Play)

Broadcast IP-Adresse Zuordnung zu allen Netzwerkschnittstellen die sich in einem IP-Teilnetz befinden Die Broadcast-IP-Adressierung wird fuumlr die 1alle-Kommunikation im IP-Teilnetz verwendet

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 5 Basisband- und Breitband-Uumlbertragung

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56 4B5B-Leitungscode

Bei diesem Code werden lange 0- oder 1-Folgen vermieden die die Taktruumlckgewinnung erschweren koumlnn-ten Dazu werden jeweils 4 Daten-Bit in 5 Signal-Bit codiert Dabei darf es nicht mehr als eine fuumlhrende 0 und nicht mehr als 2 abschlieszligende 0 geben

Die Umwandlung von 4-Bit langen Bloumlcken in 5-Bit lange Bloumlcke wird anhand einer standardisierten Umwand-lungstabelle die in den Netzwerkkarten einprogrammiert ist vorgenommen

Codierungsstabelle 4B5B-Code

Rohdaten (4-Bit Nibble) Codierte Daten (5-Bit)

0000 11110

0001 01001

0010 10100

0011 10101

0100 01010

0101 01011

0110 01110

0111 01111

1000 10010

1001 10011

1010 10110

1011 10111

1100 11010

1101 11011

1110 11100

1111 11101

Der Tabelle kann man entnehmen dass nach der 4B5B-Codierung maximal noch zwei 0-Bit-Werte in Folge uumlbertragen werden muumlssen

Damit ergibt sich fuumlr die Uumlbertragung in 100BaseTX-Ethernet-LANs der folgende Ablauf

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Logical Link Control Sublayer (LLC)

Media Acces Control Sublayer (MAC) MAC-Adresse

CSMACD

Bildung Empfang und Versand von Ethernet-Frames

Fluss-Kontrolle

2b

2a

6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

61 Aufgaben des Data Link Layers

Versand und Empfang von Ethernet - Frames

Versand und Empfang von Ethernet-Frames zu und von Hosts aus dem gleiche IP-Teilnetz (dh alle uumlber den Layer z adressierten Hosts liegen auf der gleichen Seite eines Routers)

Einpacken der IP-Datagramme des aus dem Layer 3 in Ethernet-Frames

Adressieren der Ethernet-Frames mit MAC-Adressen fuumlr den Zielhost und Absender-Host

Regelung des Zugriffs auf das gemeinsam genutzte Uumlbertragungsmedium

Dazu wird ein Verfahren angewendet das unter der Bezeichnung CSMACD bekannt ist

Flusskontrolle

Soll Uumlberlauf des internen Empfangspuffers von Netzwerkkarten und Switches verhindern

Reaktion auf Uumlbertragunsfehler

Bit - Uumlbertragunsfehler werden erkannt

62 Uumlbersicht

63 Aufbau des Ethernet II Frames

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

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64 Aufbau der Ethernet MAC-Adressen

Ethernet MAC-Adressen sind 48 Bit (= 6 Bytes) lang

Die interne Struktur der MAC-Adresse ist wie folgt definiert

65 Arten von Ethernet MAC-Adressen

651 Unicast-Adressen

Unter eine Unicast-MAC Adresse versteht man eine MAC-Adresse

die nur fuumlr eine bestimmte Netzwerkkarte zutrifft

Ein Unicast-adressiertes Frame wird nur von der betreffenden

Netzwerkkarte verarbeitet (vergl Bemerkung am Ende dieses Abschnittes)

66 Broadcast-Adresse

Ein Broadcast-adressiertes Frame wird von jeder Netzwerkkarte die das Broadcast-adressierte Frame bdquosiehtldquo verarbeitet Etwas bildlich ausgedruumlckt hat die Broadcast-Adresse die Wirkung von bdquoMeldung an alleldquo

Die MAC-Broadcast-Adresse bei Ethernet lautet FF FF FF FF FF FF

661 Multicast-Adressen

Multicast-Adressen dienen zur Adressierung einer bestimmten Gruppe von Hosts (zB die Ports aller Ethernet-Switches) Unicast-adressirte Frames weden fuumlr die Switch to Switch Kommunikation verwendet Unicast-MAC-Adressen besitzen kein so typisches Byte-Muster wie die MAC-Broadcast-Adresse

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67 Medien Zugriffsverfahren CSMACD

Das CSMACD (Carrier Sense Multiple Access Collision Detection) ist ein Standardzugriffsverfahren bei Ethernet-Netzwerken Erst nachdem ein Datenpacket mehrfach erfolglos uumlbertragen wurde wird eine Fehler-meldung ausgegeben

Ablauf des Zugriffsverfahren CSMACD (Carrier Sende Multiple Access Collision Detection)

68 FLOW Control

Wenn von einer Netzwerkkate ein Bitstrom eingelesen und zu einem Ethernet-Frame assembliert wird bemerkt der Betriebssytem-Kern natuumlrlich nichts davon Insbesondere werden die empfangenen Daten nicht einfach bdquoon the flyldquo an die daruumlber liegende IP-Schicht weitergeleitet

Durch rechtzeitiges Versenden von PAUSE-Signalen wird insbesondere in sehr schnellen Netzen verhindert dass Frames ausgesendet werden die gar nicht verar-beitet werden koumlnnen Dadurch sinkt die Last auf den Switchen bzw die verfuumlgbare Uumlbertragungsleistung kann sinnvoller eingesetzt werden

Unterbrechungs-Signal

IP Internet-Protocol

Netzwerkkarte (Data Link Layer)

Daten-Eingangspuffer

BIOS

Betriebssystem-Kern

Netzwerkkarten- Treiber

Bitstrom

Nutzdaten

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 7 Netzwerkgeraumlte

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7 Netzwerkgeraumlte

71 Switch

Der Switch ist eigentlich eine Multiport Bridge und wurde als Ersatz fuumlr den Layer 1 Hub konzipiert Ein Switch besitzt die gleichen technischen Merkmale wie eine Bridge Die Weiterleitung von Ethernet-Frames erfolgt gezielt aufgrund der Ziel-MAC-Adresse

Wichtige Vorteile des Switch gegenuumlber dem Hub sind

In einem geswitchten LAN beschraumlnken sich die Kollisionsdomaumlnen auf die Microsegmente

In einem geschwitchten LAN ist koumlnnen die Netzwerkkarten im Voll-Duplex Modus ar-beiten

In einem geswitchten LAN koumlnnen die Netzwerkkarten mit Flusskontrolle arbeiten

In einem geswitchten LAN werden die optimalen Uumlbertragungsparameter per Autonegotiation dyna-misch pro Verbindung ausgehandelt

In einem geschwitchten LAN sind redundante Topologien moumlglich weil die Switches mit Hilfe des Span-ning Tree Protocols durch gezielte Port-Abschaltungen Schleifenbildung verhindern koumlnnen

Weil Switches uumlber einen Data-Link Layer verfuumlgen kann daruumlber auch der vollstaumlndige TCPIP-Stack implementiert werden um die Administration uumlber http oder Telnet zu ermoumlglichen

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

modul117_zusammenfassungdocx - 16 19 -

8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

81 Internet Protokoll

Die wichtigsten Aufgaben des IPrsquos sind

Adressierung von IP - Teilnetzen und den darin enthaltenen Hosts

Die im Internet direkt erreichbaren Hosts

muumlssen weltweit eindeutig adressiert werden koumlnnen

Die IP - Adressierung muss Hardware - unabhaumlngig sein

Die IP - Adressierung muss eine effiziente Weiterleitung

von IP - Datagrammen durch das Internet hindurch ermoumlglichen

Es muss fuumlr jeden Layer 2 - Hardware - Technologie ein Verfahren geben die Abbildung der Hardware - unabhaumlngigen IP - Adressen auf die entsprechenden Layer 2 Hardwareabhaumlngigen Adressen durch-fuumlhrt (bei der Kombination IP und Ethernet ist dies das Protokoll ARP)

82 Der IP - Header

Die IP - Nutzlast eines Ethernet - II - Frames wird als IP - Datagramm bezeichnet Das IP - Datagramm besteht seinerseits wieder aus einem Header und der zugehoumlrigen Nutzlast

Version IHL TOS Total length

Identification Flags Fragment offset

TTL Protocol Header checksum

Source IP address

Destination IP address

Options and padding

83 Typen von IPv4-Adressen

Genau gleich wie dies auch bei den MAC - Adressen der Fall ist sind drei Typen von IPv4-Adressen zu unter-scheiden

Unicast IP - Adressen Zuordnung zu einer einzelnen Netzwerkschnittstelle die sich in einem bestimmten IP - Teilnetz befindet Unicast - IP - Adressen werden fuumlr die 11 - Kommunikation eingesetzt

Multicast IP - Adressen Zuordnung zu einer oder mehreren Netzwerkschnittstellen die sich zudem in verschiedenen IP - Teilnetzen befinden koumlnnen Multicast - IP - Adressen werden fuumlr die 1n - Kommunikation verwendet

In IPv4 Netzwerken spielt die Multicast - Zustellung von IP - Datagrammen kaum eine Rolle Neu findet man in LANs Datagrammen fuumlr die Multicast - IP - Zieladresse 239255255250

Diese Multicast - Adresse wird von UPnP - faumlhigen Clients zB zur Ankuumlndigung ihrer Dienste im LAN verwen-det (UPnP = Universal Plug and Play)

Broadcast IP-Adresse Zuordnung zu allen Netzwerkschnittstellen die sich in einem IP-Teilnetz befinden Die Broadcast-IP-Adressierung wird fuumlr die 1alle-Kommunikation im IP-Teilnetz verwendet

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

modul117_zusammenfassungdocx - 12 19 -

Logical Link Control Sublayer (LLC)

Media Acces Control Sublayer (MAC) MAC-Adresse

CSMACD

Bildung Empfang und Versand von Ethernet-Frames

Fluss-Kontrolle

2b

2a

6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

61 Aufgaben des Data Link Layers

Versand und Empfang von Ethernet - Frames

Versand und Empfang von Ethernet-Frames zu und von Hosts aus dem gleiche IP-Teilnetz (dh alle uumlber den Layer z adressierten Hosts liegen auf der gleichen Seite eines Routers)

Einpacken der IP-Datagramme des aus dem Layer 3 in Ethernet-Frames

Adressieren der Ethernet-Frames mit MAC-Adressen fuumlr den Zielhost und Absender-Host

Regelung des Zugriffs auf das gemeinsam genutzte Uumlbertragungsmedium

Dazu wird ein Verfahren angewendet das unter der Bezeichnung CSMACD bekannt ist

Flusskontrolle

Soll Uumlberlauf des internen Empfangspuffers von Netzwerkkarten und Switches verhindern

Reaktion auf Uumlbertragunsfehler

Bit - Uumlbertragunsfehler werden erkannt

62 Uumlbersicht

63 Aufbau des Ethernet II Frames

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

modul117_zusammenfassungdocx - 13 19 -

64 Aufbau der Ethernet MAC-Adressen

Ethernet MAC-Adressen sind 48 Bit (= 6 Bytes) lang

Die interne Struktur der MAC-Adresse ist wie folgt definiert

65 Arten von Ethernet MAC-Adressen

651 Unicast-Adressen

Unter eine Unicast-MAC Adresse versteht man eine MAC-Adresse

die nur fuumlr eine bestimmte Netzwerkkarte zutrifft

Ein Unicast-adressiertes Frame wird nur von der betreffenden

Netzwerkkarte verarbeitet (vergl Bemerkung am Ende dieses Abschnittes)

66 Broadcast-Adresse

Ein Broadcast-adressiertes Frame wird von jeder Netzwerkkarte die das Broadcast-adressierte Frame bdquosiehtldquo verarbeitet Etwas bildlich ausgedruumlckt hat die Broadcast-Adresse die Wirkung von bdquoMeldung an alleldquo

Die MAC-Broadcast-Adresse bei Ethernet lautet FF FF FF FF FF FF

661 Multicast-Adressen

Multicast-Adressen dienen zur Adressierung einer bestimmten Gruppe von Hosts (zB die Ports aller Ethernet-Switches) Unicast-adressirte Frames weden fuumlr die Switch to Switch Kommunikation verwendet Unicast-MAC-Adressen besitzen kein so typisches Byte-Muster wie die MAC-Broadcast-Adresse

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

modul117_zusammenfassungdocx - 14 19 -

67 Medien Zugriffsverfahren CSMACD

Das CSMACD (Carrier Sense Multiple Access Collision Detection) ist ein Standardzugriffsverfahren bei Ethernet-Netzwerken Erst nachdem ein Datenpacket mehrfach erfolglos uumlbertragen wurde wird eine Fehler-meldung ausgegeben

Ablauf des Zugriffsverfahren CSMACD (Carrier Sende Multiple Access Collision Detection)

68 FLOW Control

Wenn von einer Netzwerkkate ein Bitstrom eingelesen und zu einem Ethernet-Frame assembliert wird bemerkt der Betriebssytem-Kern natuumlrlich nichts davon Insbesondere werden die empfangenen Daten nicht einfach bdquoon the flyldquo an die daruumlber liegende IP-Schicht weitergeleitet

Durch rechtzeitiges Versenden von PAUSE-Signalen wird insbesondere in sehr schnellen Netzen verhindert dass Frames ausgesendet werden die gar nicht verar-beitet werden koumlnnen Dadurch sinkt die Last auf den Switchen bzw die verfuumlgbare Uumlbertragungsleistung kann sinnvoller eingesetzt werden

Unterbrechungs-Signal

IP Internet-Protocol

Netzwerkkarte (Data Link Layer)

Daten-Eingangspuffer

BIOS

Betriebssystem-Kern

Netzwerkkarten- Treiber

Bitstrom

Nutzdaten

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 7 Netzwerkgeraumlte

modul117_zusammenfassungdocx - 15 19 -

7 Netzwerkgeraumlte

71 Switch

Der Switch ist eigentlich eine Multiport Bridge und wurde als Ersatz fuumlr den Layer 1 Hub konzipiert Ein Switch besitzt die gleichen technischen Merkmale wie eine Bridge Die Weiterleitung von Ethernet-Frames erfolgt gezielt aufgrund der Ziel-MAC-Adresse

Wichtige Vorteile des Switch gegenuumlber dem Hub sind

In einem geswitchten LAN beschraumlnken sich die Kollisionsdomaumlnen auf die Microsegmente

In einem geschwitchten LAN ist koumlnnen die Netzwerkkarten im Voll-Duplex Modus ar-beiten

In einem geswitchten LAN koumlnnen die Netzwerkkarten mit Flusskontrolle arbeiten

In einem geswitchten LAN werden die optimalen Uumlbertragungsparameter per Autonegotiation dyna-misch pro Verbindung ausgehandelt

In einem geschwitchten LAN sind redundante Topologien moumlglich weil die Switches mit Hilfe des Span-ning Tree Protocols durch gezielte Port-Abschaltungen Schleifenbildung verhindern koumlnnen

Weil Switches uumlber einen Data-Link Layer verfuumlgen kann daruumlber auch der vollstaumlndige TCPIP-Stack implementiert werden um die Administration uumlber http oder Telnet zu ermoumlglichen

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8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

81 Internet Protokoll

Die wichtigsten Aufgaben des IPrsquos sind

Adressierung von IP - Teilnetzen und den darin enthaltenen Hosts

Die im Internet direkt erreichbaren Hosts

muumlssen weltweit eindeutig adressiert werden koumlnnen

Die IP - Adressierung muss Hardware - unabhaumlngig sein

Die IP - Adressierung muss eine effiziente Weiterleitung

von IP - Datagrammen durch das Internet hindurch ermoumlglichen

Es muss fuumlr jeden Layer 2 - Hardware - Technologie ein Verfahren geben die Abbildung der Hardware - unabhaumlngigen IP - Adressen auf die entsprechenden Layer 2 Hardwareabhaumlngigen Adressen durch-fuumlhrt (bei der Kombination IP und Ethernet ist dies das Protokoll ARP)

82 Der IP - Header

Die IP - Nutzlast eines Ethernet - II - Frames wird als IP - Datagramm bezeichnet Das IP - Datagramm besteht seinerseits wieder aus einem Header und der zugehoumlrigen Nutzlast

Version IHL TOS Total length

Identification Flags Fragment offset

TTL Protocol Header checksum

Source IP address

Destination IP address

Options and padding

83 Typen von IPv4-Adressen

Genau gleich wie dies auch bei den MAC - Adressen der Fall ist sind drei Typen von IPv4-Adressen zu unter-scheiden

Unicast IP - Adressen Zuordnung zu einer einzelnen Netzwerkschnittstelle die sich in einem bestimmten IP - Teilnetz befindet Unicast - IP - Adressen werden fuumlr die 11 - Kommunikation eingesetzt

Multicast IP - Adressen Zuordnung zu einer oder mehreren Netzwerkschnittstellen die sich zudem in verschiedenen IP - Teilnetzen befinden koumlnnen Multicast - IP - Adressen werden fuumlr die 1n - Kommunikation verwendet

In IPv4 Netzwerken spielt die Multicast - Zustellung von IP - Datagrammen kaum eine Rolle Neu findet man in LANs Datagrammen fuumlr die Multicast - IP - Zieladresse 239255255250

Diese Multicast - Adresse wird von UPnP - faumlhigen Clients zB zur Ankuumlndigung ihrer Dienste im LAN verwen-det (UPnP = Universal Plug and Play)

Broadcast IP-Adresse Zuordnung zu allen Netzwerkschnittstellen die sich in einem IP-Teilnetz befinden Die Broadcast-IP-Adressierung wird fuumlr die 1alle-Kommunikation im IP-Teilnetz verwendet

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64 Aufbau der Ethernet MAC-Adressen

Ethernet MAC-Adressen sind 48 Bit (= 6 Bytes) lang

Die interne Struktur der MAC-Adresse ist wie folgt definiert

65 Arten von Ethernet MAC-Adressen

651 Unicast-Adressen

Unter eine Unicast-MAC Adresse versteht man eine MAC-Adresse

die nur fuumlr eine bestimmte Netzwerkkarte zutrifft

Ein Unicast-adressiertes Frame wird nur von der betreffenden

Netzwerkkarte verarbeitet (vergl Bemerkung am Ende dieses Abschnittes)

66 Broadcast-Adresse

Ein Broadcast-adressiertes Frame wird von jeder Netzwerkkarte die das Broadcast-adressierte Frame bdquosiehtldquo verarbeitet Etwas bildlich ausgedruumlckt hat die Broadcast-Adresse die Wirkung von bdquoMeldung an alleldquo

Die MAC-Broadcast-Adresse bei Ethernet lautet FF FF FF FF FF FF

661 Multicast-Adressen

Multicast-Adressen dienen zur Adressierung einer bestimmten Gruppe von Hosts (zB die Ports aller Ethernet-Switches) Unicast-adressirte Frames weden fuumlr die Switch to Switch Kommunikation verwendet Unicast-MAC-Adressen besitzen kein so typisches Byte-Muster wie die MAC-Broadcast-Adresse

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67 Medien Zugriffsverfahren CSMACD

Das CSMACD (Carrier Sense Multiple Access Collision Detection) ist ein Standardzugriffsverfahren bei Ethernet-Netzwerken Erst nachdem ein Datenpacket mehrfach erfolglos uumlbertragen wurde wird eine Fehler-meldung ausgegeben

Ablauf des Zugriffsverfahren CSMACD (Carrier Sende Multiple Access Collision Detection)

68 FLOW Control

Wenn von einer Netzwerkkate ein Bitstrom eingelesen und zu einem Ethernet-Frame assembliert wird bemerkt der Betriebssytem-Kern natuumlrlich nichts davon Insbesondere werden die empfangenen Daten nicht einfach bdquoon the flyldquo an die daruumlber liegende IP-Schicht weitergeleitet

Durch rechtzeitiges Versenden von PAUSE-Signalen wird insbesondere in sehr schnellen Netzen verhindert dass Frames ausgesendet werden die gar nicht verar-beitet werden koumlnnen Dadurch sinkt die Last auf den Switchen bzw die verfuumlgbare Uumlbertragungsleistung kann sinnvoller eingesetzt werden

Unterbrechungs-Signal

IP Internet-Protocol

Netzwerkkarte (Data Link Layer)

Daten-Eingangspuffer

BIOS

Betriebssystem-Kern

Netzwerkkarten- Treiber

Bitstrom

Nutzdaten

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 7 Netzwerkgeraumlte

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7 Netzwerkgeraumlte

71 Switch

Der Switch ist eigentlich eine Multiport Bridge und wurde als Ersatz fuumlr den Layer 1 Hub konzipiert Ein Switch besitzt die gleichen technischen Merkmale wie eine Bridge Die Weiterleitung von Ethernet-Frames erfolgt gezielt aufgrund der Ziel-MAC-Adresse

Wichtige Vorteile des Switch gegenuumlber dem Hub sind

In einem geswitchten LAN beschraumlnken sich die Kollisionsdomaumlnen auf die Microsegmente

In einem geschwitchten LAN ist koumlnnen die Netzwerkkarten im Voll-Duplex Modus ar-beiten

In einem geswitchten LAN koumlnnen die Netzwerkkarten mit Flusskontrolle arbeiten

In einem geswitchten LAN werden die optimalen Uumlbertragungsparameter per Autonegotiation dyna-misch pro Verbindung ausgehandelt

In einem geschwitchten LAN sind redundante Topologien moumlglich weil die Switches mit Hilfe des Span-ning Tree Protocols durch gezielte Port-Abschaltungen Schleifenbildung verhindern koumlnnen

Weil Switches uumlber einen Data-Link Layer verfuumlgen kann daruumlber auch der vollstaumlndige TCPIP-Stack implementiert werden um die Administration uumlber http oder Telnet zu ermoumlglichen

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8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

81 Internet Protokoll

Die wichtigsten Aufgaben des IPrsquos sind

Adressierung von IP - Teilnetzen und den darin enthaltenen Hosts

Die im Internet direkt erreichbaren Hosts

muumlssen weltweit eindeutig adressiert werden koumlnnen

Die IP - Adressierung muss Hardware - unabhaumlngig sein

Die IP - Adressierung muss eine effiziente Weiterleitung

von IP - Datagrammen durch das Internet hindurch ermoumlglichen

Es muss fuumlr jeden Layer 2 - Hardware - Technologie ein Verfahren geben die Abbildung der Hardware - unabhaumlngigen IP - Adressen auf die entsprechenden Layer 2 Hardwareabhaumlngigen Adressen durch-fuumlhrt (bei der Kombination IP und Ethernet ist dies das Protokoll ARP)

82 Der IP - Header

Die IP - Nutzlast eines Ethernet - II - Frames wird als IP - Datagramm bezeichnet Das IP - Datagramm besteht seinerseits wieder aus einem Header und der zugehoumlrigen Nutzlast

Version IHL TOS Total length

Identification Flags Fragment offset

TTL Protocol Header checksum

Source IP address

Destination IP address

Options and padding

83 Typen von IPv4-Adressen

Genau gleich wie dies auch bei den MAC - Adressen der Fall ist sind drei Typen von IPv4-Adressen zu unter-scheiden

Unicast IP - Adressen Zuordnung zu einer einzelnen Netzwerkschnittstelle die sich in einem bestimmten IP - Teilnetz befindet Unicast - IP - Adressen werden fuumlr die 11 - Kommunikation eingesetzt

Multicast IP - Adressen Zuordnung zu einer oder mehreren Netzwerkschnittstellen die sich zudem in verschiedenen IP - Teilnetzen befinden koumlnnen Multicast - IP - Adressen werden fuumlr die 1n - Kommunikation verwendet

In IPv4 Netzwerken spielt die Multicast - Zustellung von IP - Datagrammen kaum eine Rolle Neu findet man in LANs Datagrammen fuumlr die Multicast - IP - Zieladresse 239255255250

Diese Multicast - Adresse wird von UPnP - faumlhigen Clients zB zur Ankuumlndigung ihrer Dienste im LAN verwen-det (UPnP = Universal Plug and Play)

Broadcast IP-Adresse Zuordnung zu allen Netzwerkschnittstellen die sich in einem IP-Teilnetz befinden Die Broadcast-IP-Adressierung wird fuumlr die 1alle-Kommunikation im IP-Teilnetz verwendet

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 6 OSI Layer 2 Datenverbindungsschicht Data Link Layer

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67 Medien Zugriffsverfahren CSMACD

Das CSMACD (Carrier Sense Multiple Access Collision Detection) ist ein Standardzugriffsverfahren bei Ethernet-Netzwerken Erst nachdem ein Datenpacket mehrfach erfolglos uumlbertragen wurde wird eine Fehler-meldung ausgegeben

Ablauf des Zugriffsverfahren CSMACD (Carrier Sende Multiple Access Collision Detection)

68 FLOW Control

Wenn von einer Netzwerkkate ein Bitstrom eingelesen und zu einem Ethernet-Frame assembliert wird bemerkt der Betriebssytem-Kern natuumlrlich nichts davon Insbesondere werden die empfangenen Daten nicht einfach bdquoon the flyldquo an die daruumlber liegende IP-Schicht weitergeleitet

Durch rechtzeitiges Versenden von PAUSE-Signalen wird insbesondere in sehr schnellen Netzen verhindert dass Frames ausgesendet werden die gar nicht verar-beitet werden koumlnnen Dadurch sinkt die Last auf den Switchen bzw die verfuumlgbare Uumlbertragungsleistung kann sinnvoller eingesetzt werden

Unterbrechungs-Signal

IP Internet-Protocol

Netzwerkkarte (Data Link Layer)

Daten-Eingangspuffer

BIOS

Betriebssystem-Kern

Netzwerkkarten- Treiber

Bitstrom

Nutzdaten

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 7 Netzwerkgeraumlte

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7 Netzwerkgeraumlte

71 Switch

Der Switch ist eigentlich eine Multiport Bridge und wurde als Ersatz fuumlr den Layer 1 Hub konzipiert Ein Switch besitzt die gleichen technischen Merkmale wie eine Bridge Die Weiterleitung von Ethernet-Frames erfolgt gezielt aufgrund der Ziel-MAC-Adresse

Wichtige Vorteile des Switch gegenuumlber dem Hub sind

In einem geswitchten LAN beschraumlnken sich die Kollisionsdomaumlnen auf die Microsegmente

In einem geschwitchten LAN ist koumlnnen die Netzwerkkarten im Voll-Duplex Modus ar-beiten

In einem geswitchten LAN koumlnnen die Netzwerkkarten mit Flusskontrolle arbeiten

In einem geswitchten LAN werden die optimalen Uumlbertragungsparameter per Autonegotiation dyna-misch pro Verbindung ausgehandelt

In einem geschwitchten LAN sind redundante Topologien moumlglich weil die Switches mit Hilfe des Span-ning Tree Protocols durch gezielte Port-Abschaltungen Schleifenbildung verhindern koumlnnen

Weil Switches uumlber einen Data-Link Layer verfuumlgen kann daruumlber auch der vollstaumlndige TCPIP-Stack implementiert werden um die Administration uumlber http oder Telnet zu ermoumlglichen

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

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8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

81 Internet Protokoll

Die wichtigsten Aufgaben des IPrsquos sind

Adressierung von IP - Teilnetzen und den darin enthaltenen Hosts

Die im Internet direkt erreichbaren Hosts

muumlssen weltweit eindeutig adressiert werden koumlnnen

Die IP - Adressierung muss Hardware - unabhaumlngig sein

Die IP - Adressierung muss eine effiziente Weiterleitung

von IP - Datagrammen durch das Internet hindurch ermoumlglichen

Es muss fuumlr jeden Layer 2 - Hardware - Technologie ein Verfahren geben die Abbildung der Hardware - unabhaumlngigen IP - Adressen auf die entsprechenden Layer 2 Hardwareabhaumlngigen Adressen durch-fuumlhrt (bei der Kombination IP und Ethernet ist dies das Protokoll ARP)

82 Der IP - Header

Die IP - Nutzlast eines Ethernet - II - Frames wird als IP - Datagramm bezeichnet Das IP - Datagramm besteht seinerseits wieder aus einem Header und der zugehoumlrigen Nutzlast

Version IHL TOS Total length

Identification Flags Fragment offset

TTL Protocol Header checksum

Source IP address

Destination IP address

Options and padding

83 Typen von IPv4-Adressen

Genau gleich wie dies auch bei den MAC - Adressen der Fall ist sind drei Typen von IPv4-Adressen zu unter-scheiden

Unicast IP - Adressen Zuordnung zu einer einzelnen Netzwerkschnittstelle die sich in einem bestimmten IP - Teilnetz befindet Unicast - IP - Adressen werden fuumlr die 11 - Kommunikation eingesetzt

Multicast IP - Adressen Zuordnung zu einer oder mehreren Netzwerkschnittstellen die sich zudem in verschiedenen IP - Teilnetzen befinden koumlnnen Multicast - IP - Adressen werden fuumlr die 1n - Kommunikation verwendet

In IPv4 Netzwerken spielt die Multicast - Zustellung von IP - Datagrammen kaum eine Rolle Neu findet man in LANs Datagrammen fuumlr die Multicast - IP - Zieladresse 239255255250

Diese Multicast - Adresse wird von UPnP - faumlhigen Clients zB zur Ankuumlndigung ihrer Dienste im LAN verwen-det (UPnP = Universal Plug and Play)

Broadcast IP-Adresse Zuordnung zu allen Netzwerkschnittstellen die sich in einem IP-Teilnetz befinden Die Broadcast-IP-Adressierung wird fuumlr die 1alle-Kommunikation im IP-Teilnetz verwendet

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 7 Netzwerkgeraumlte

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7 Netzwerkgeraumlte

71 Switch

Der Switch ist eigentlich eine Multiport Bridge und wurde als Ersatz fuumlr den Layer 1 Hub konzipiert Ein Switch besitzt die gleichen technischen Merkmale wie eine Bridge Die Weiterleitung von Ethernet-Frames erfolgt gezielt aufgrund der Ziel-MAC-Adresse

Wichtige Vorteile des Switch gegenuumlber dem Hub sind

In einem geswitchten LAN beschraumlnken sich die Kollisionsdomaumlnen auf die Microsegmente

In einem geschwitchten LAN ist koumlnnen die Netzwerkkarten im Voll-Duplex Modus ar-beiten

In einem geswitchten LAN koumlnnen die Netzwerkkarten mit Flusskontrolle arbeiten

In einem geswitchten LAN werden die optimalen Uumlbertragungsparameter per Autonegotiation dyna-misch pro Verbindung ausgehandelt

In einem geschwitchten LAN sind redundante Topologien moumlglich weil die Switches mit Hilfe des Span-ning Tree Protocols durch gezielte Port-Abschaltungen Schleifenbildung verhindern koumlnnen

Weil Switches uumlber einen Data-Link Layer verfuumlgen kann daruumlber auch der vollstaumlndige TCPIP-Stack implementiert werden um die Administration uumlber http oder Telnet zu ermoumlglichen

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

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8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

81 Internet Protokoll

Die wichtigsten Aufgaben des IPrsquos sind

Adressierung von IP - Teilnetzen und den darin enthaltenen Hosts

Die im Internet direkt erreichbaren Hosts

muumlssen weltweit eindeutig adressiert werden koumlnnen

Die IP - Adressierung muss Hardware - unabhaumlngig sein

Die IP - Adressierung muss eine effiziente Weiterleitung

von IP - Datagrammen durch das Internet hindurch ermoumlglichen

Es muss fuumlr jeden Layer 2 - Hardware - Technologie ein Verfahren geben die Abbildung der Hardware - unabhaumlngigen IP - Adressen auf die entsprechenden Layer 2 Hardwareabhaumlngigen Adressen durch-fuumlhrt (bei der Kombination IP und Ethernet ist dies das Protokoll ARP)

82 Der IP - Header

Die IP - Nutzlast eines Ethernet - II - Frames wird als IP - Datagramm bezeichnet Das IP - Datagramm besteht seinerseits wieder aus einem Header und der zugehoumlrigen Nutzlast

Version IHL TOS Total length

Identification Flags Fragment offset

TTL Protocol Header checksum

Source IP address

Destination IP address

Options and padding

83 Typen von IPv4-Adressen

Genau gleich wie dies auch bei den MAC - Adressen der Fall ist sind drei Typen von IPv4-Adressen zu unter-scheiden

Unicast IP - Adressen Zuordnung zu einer einzelnen Netzwerkschnittstelle die sich in einem bestimmten IP - Teilnetz befindet Unicast - IP - Adressen werden fuumlr die 11 - Kommunikation eingesetzt

Multicast IP - Adressen Zuordnung zu einer oder mehreren Netzwerkschnittstellen die sich zudem in verschiedenen IP - Teilnetzen befinden koumlnnen Multicast - IP - Adressen werden fuumlr die 1n - Kommunikation verwendet

In IPv4 Netzwerken spielt die Multicast - Zustellung von IP - Datagrammen kaum eine Rolle Neu findet man in LANs Datagrammen fuumlr die Multicast - IP - Zieladresse 239255255250

Diese Multicast - Adresse wird von UPnP - faumlhigen Clients zB zur Ankuumlndigung ihrer Dienste im LAN verwen-det (UPnP = Universal Plug and Play)

Broadcast IP-Adresse Zuordnung zu allen Netzwerkschnittstellen die sich in einem IP-Teilnetz befinden Die Broadcast-IP-Adressierung wird fuumlr die 1alle-Kommunikation im IP-Teilnetz verwendet

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

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8 OSI - Layer 3 Network Layer IP ndash Protokoll

81 Internet Protokoll

Die wichtigsten Aufgaben des IPrsquos sind

Adressierung von IP - Teilnetzen und den darin enthaltenen Hosts

Die im Internet direkt erreichbaren Hosts

muumlssen weltweit eindeutig adressiert werden koumlnnen

Die IP - Adressierung muss Hardware - unabhaumlngig sein

Die IP - Adressierung muss eine effiziente Weiterleitung

von IP - Datagrammen durch das Internet hindurch ermoumlglichen

Es muss fuumlr jeden Layer 2 - Hardware - Technologie ein Verfahren geben die Abbildung der Hardware - unabhaumlngigen IP - Adressen auf die entsprechenden Layer 2 Hardwareabhaumlngigen Adressen durch-fuumlhrt (bei der Kombination IP und Ethernet ist dies das Protokoll ARP)

82 Der IP - Header

Die IP - Nutzlast eines Ethernet - II - Frames wird als IP - Datagramm bezeichnet Das IP - Datagramm besteht seinerseits wieder aus einem Header und der zugehoumlrigen Nutzlast

Version IHL TOS Total length

Identification Flags Fragment offset

TTL Protocol Header checksum

Source IP address

Destination IP address

Options and padding

83 Typen von IPv4-Adressen

Genau gleich wie dies auch bei den MAC - Adressen der Fall ist sind drei Typen von IPv4-Adressen zu unter-scheiden

Unicast IP - Adressen Zuordnung zu einer einzelnen Netzwerkschnittstelle die sich in einem bestimmten IP - Teilnetz befindet Unicast - IP - Adressen werden fuumlr die 11 - Kommunikation eingesetzt

Multicast IP - Adressen Zuordnung zu einer oder mehreren Netzwerkschnittstellen die sich zudem in verschiedenen IP - Teilnetzen befinden koumlnnen Multicast - IP - Adressen werden fuumlr die 1n - Kommunikation verwendet

In IPv4 Netzwerken spielt die Multicast - Zustellung von IP - Datagrammen kaum eine Rolle Neu findet man in LANs Datagrammen fuumlr die Multicast - IP - Zieladresse 239255255250

Diese Multicast - Adresse wird von UPnP - faumlhigen Clients zB zur Ankuumlndigung ihrer Dienste im LAN verwen-det (UPnP = Universal Plug and Play)

Broadcast IP-Adresse Zuordnung zu allen Netzwerkschnittstellen die sich in einem IP-Teilnetz befinden Die Broadcast-IP-Adressierung wird fuumlr die 1alle-Kommunikation im IP-Teilnetz verwendet

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 9 Netz-Klassen nach IANA

modul117_zusammenfassungdocx - 17 19 -

9 Netz-Klassen nach IANA

Die IANA ist jene Behoumlrde die letztlich fuumlr die Ausgabe von oumlffentlichen IP-Adressen zustaumlndig ist Diese Auto-ritaumlt druumlckt sich auch im Namen der Organisation aus

IANA = Internet Assigned Numbers Authority

91 Aufteilung des IP-Adressraumes in Netzklassen

Adressklasse IP-Netzwerkadresse Teilnetz-Maske

A

0000

1000

2000 etc

12700

B

128000

128100

128200

19125400

19125500

C

192000

192100

2232552540

2232552550

92 Klassifizierung

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 11 Glossar

modul117_zusammenfassungdocx - 18 19 -

10 Netztopologien

101 Das Client-Server-Prinzip

logisches Modell in dem zwei Einheiten unterschiedliche Aufgaben und Funktionen zugeteilt werden um einen Dienst auszufuumlhren

Server = Dienst-Erbringer

kann ein raumlumlich getrennten (Remote-) Rechner oder eine auf dem Rechner installierte Software sein

haumllt Dienstleistungen zB Rechnerleistungen oder Speicherkapazitaumlt bereit

stellt Daten zur Verfuumlgung

Client = Dienst-Nehmer

kann Rechner Programm Prozeszlig oder Benutzer im Datennetz sein

fordert Dienstleistung an die von einem oder mehreren Servern angeboten wird

nutzt die vom Server zur Verfuumlgung gestellten Daten

Host

Rechner der bestimmte Dienste zentral zur Verfuumlgung stellt --gt Server

ein Geraumlt das eine IP-Adresse besitzt

ein Multihomed Host ist ein Geraumlt das mehr als eine IP-Adresse besitzt

102 Peer to Peer

Typische aber nicht notwendige Charakteristika von Peer-to-Peer-Systemen sind

Peers weisen eine hohe Heterogenitaumlt auf bezuumlglich der Bandbreite Rechenkraft Online-Zeit

Die VerfuumlgbarkeitVerbindungsqualitaumlt der Peers kann nicht vorausgesetzt werden (bdquoChurnldquo)

Peers bieten Dienste und Ressourcen an und nehmen Dienste anderer Peers in Anspruch (Client-Server-Funktionalitaumlt)

Dienste und Ressourcen koumlnnen zwischen allen teilnehmenden Peers ausgetauscht werden

Peers bilden ein Overlay-Netzwerk und stellen damit zusaumltzliche SuchLookup-Funktionen zur Verfuuml-gung

Peers haben eine signifikante Autonomie (uumlber die Ressourcenbereitstellung)

Das P2P-System ist selbstorganisierend

Alle uumlbrigen Systeme bleiben konstant intakt und nicht skaliert

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 11 Glossar

modul117_zusammenfassungdocx - 18 19 -

10 Netztopologien

101 Das Client-Server-Prinzip

logisches Modell in dem zwei Einheiten unterschiedliche Aufgaben und Funktionen zugeteilt werden um einen Dienst auszufuumlhren

Server = Dienst-Erbringer

kann ein raumlumlich getrennten (Remote-) Rechner oder eine auf dem Rechner installierte Software sein

haumllt Dienstleistungen zB Rechnerleistungen oder Speicherkapazitaumlt bereit

stellt Daten zur Verfuumlgung

Client = Dienst-Nehmer

kann Rechner Programm Prozeszlig oder Benutzer im Datennetz sein

fordert Dienstleistung an die von einem oder mehreren Servern angeboten wird

nutzt die vom Server zur Verfuumlgung gestellten Daten

Host

Rechner der bestimmte Dienste zentral zur Verfuumlgung stellt --gt Server

ein Geraumlt das eine IP-Adresse besitzt

ein Multihomed Host ist ein Geraumlt das mehr als eine IP-Adresse besitzt

102 Peer to Peer

Typische aber nicht notwendige Charakteristika von Peer-to-Peer-Systemen sind

Peers weisen eine hohe Heterogenitaumlt auf bezuumlglich der Bandbreite Rechenkraft Online-Zeit

Die VerfuumlgbarkeitVerbindungsqualitaumlt der Peers kann nicht vorausgesetzt werden (bdquoChurnldquo)

Peers bieten Dienste und Ressourcen an und nehmen Dienste anderer Peers in Anspruch (Client-Server-Funktionalitaumlt)

Dienste und Ressourcen koumlnnen zwischen allen teilnehmenden Peers ausgetauscht werden

Peers bilden ein Overlay-Netzwerk und stellen damit zusaumltzliche SuchLookup-Funktionen zur Verfuuml-gung

Peers haben eine signifikante Autonomie (uumlber die Ressourcenbereitstellung)

Das P2P-System ist selbstorganisierend

Alle uumlbrigen Systeme bleiben konstant intakt und nicht skaliert

Informatik- und Netzinfrastruktur realisieren Zusammenfassung Modul 117 11 Glossar

modul117_zusammenfassungdocx - 19 19 -

11 Glossar

Begriff Beschreibung Bemerkung

ARP Address Resolution Protocol ermittelt die physikalische Adresse der Netzzugang-schicht

CRC Cyclic Redundancy Check Pruumlfsummencheck

CSMACD Carrier Sense Multiple Access Collision Detection

Kontrolliert dass der Eingangspuffer der Netzwerkkarte uumlberfuumlllt wird

DNS Domain Name System Beantwortung von Anfragen zur Namensaufloumlsung

EIA Verband der elektronischen Industrie der USA Der Verband erlaumlsst einige Normierungen zB fuumlr die Belegung von Twisted-Pair-Kabeln nach EIATIA 568

Ethernet Legt Netzaufbau Datenaustausch und Geschwindigkeit in einem Netzwerk fest

FCS Frame Check Sequence Kontrolliert Inhalt eines Frames auf Uumlbereinstimmigkeit mit empfangen Daten

FTP File Transfer Protocol Protocol fuumlr Dateiuumlbertragung in TCPIP Netzwerken

HDLC High Level Data Link Control Kontrolliert die Datenuumlbertragung und korriegiert Feh-ler wenn moumlglich

HTTP Hypertext Transfer Protocol Laumldt hauptsaumlchlich Daten in den Webbrowser

IANA Internet Assigned Numbers Authority Organisation die die Vergabe von IP-Adressen Top Level Domains und IP-Protokollnummern so-wie die Zuordnung der Haupt-Ports 0 bis 1023 regelt

IEEE Institute of Electrical and Electronical Engineers

IP Internet Protocol

ISO International Organization for Standar-dization

LAN Local Area Network

LLC Logical Link Control Fuumlgt zusaumltzlich Source und Destination Adressen hinzu arbeitet mit HDLC

MAC Medium Access Control

OSI Open Systems Interconnection

OUI Organizationally Unique Indentifier

PDU Protcol Data Unit Diese verwaltet die Protokolle und ihre Verwaltungsin-formationen

POP3 Post Office Protocol V3 Uumlbertragung von Mail zu Client von Server

SMB Server Message Block Kommunikationsprotokoll fuumlr Datei- Druck- und andere Serverdienste in Netzwerken

SMB Service Message Block

SMTP Simple Mail Transfer Protocol Austausch von E-Mails in einem Netzwerk

SMTP Simple Mail transfer Protocoll

TCP Transmission Control Protocl Kontrolliert auf Vollstaumlndigkeit

UDP User Datagram Protocol Verteilt die empfangenen Daten an die richtige Anwen-dung

WAN Wide Area Network

WLAN Wireless Local Area Network