Dr. Karl H. Kellermayr

1. Fachhochschule WelsMechatronik Wirtschaft - MEWI FH Campus WelsEinführung in die Informatik VL 3: Netzwerkgrundlagen: LAN, WLAN, InternetWS 2011 / 2012 Dr. Karl H. Kellermayr

2. Zwei Rechner, ein Kabel: ein Netzwerk Definition „Netzwerk“ • Begriffsfestlegung Sobald zwei Rechner per Kabel oder Funk (kurz mit einem Kommunikationskanal) miteinander verbunden sind und Daten austauschen können, kann man von einem Computernetzwerk in der kleinsten Variante sprechen.

3. Allgemeiner Fall Komplexes Netz Problemstellungen in einem typischen Netz • Übertragungstechnik(Signale, Daten müssen über eine Kommunikationsmedium, einen Kommunikationskanal übertragen werden) • Vermittlungstechnik(Kommunikationskanäle vom Sender zum Empfänger müssen aufgebaut werden) • Kommunikationssteuerung nach ISO OSI (der Kommunikationsvorgang muss automatisiert abgewickelt werden – Basis hierfür sind Schnittstellen und Protokolle basierend auf dem ISO OSI Referenzmodell – Daten werden als Datenpaket mit Steuerinformation übermittelt und finden automatisch den Weg zum Empfänger) • Wichtige konkrete Netz - Technologie: Internet

4. Allgemeiner Fall Komplexes Netz Aufgabenstellungen in einem typischen Netz • Netzwerkmanagement, Netzverwaltung • Ressourcen (Programme, Dateien, Drucker,…) für die Netzwerkbenutzer bereitstellen, gezieltes freigeben und „Sicherheit“ (vor Missbrauch) gewähren! • Dienste (Dienstleistungen) bereitstellen. • Arbeitsteilung nach dem Client-Server Prinzip.

5. Hardware-Komponenten zur Vernetzung • Verbindungskabel • Kupferkabel • Koaxialkabel • Glasfaserkabel • Funk • Infrarot • Netzwerkkarte • Weltweit einmalige, eindeutige und unveränderbare Kartennummer (Knoten-Adresse MAC Adresse) und Netzzugangs- und Kommunikationssteuerung

6. Gründe und Ziele einer Vernetzung • Verbesserte Kommunikation • Steigerung der Effektivität im Datenverbund • Kostensenkung im Funktionsverbund • Optimaler Organisationsverbund • Einfach und effiziente Datensicherung • Absicherung der Verfügbarkeit • Optimierung der Rechnerauslastung • Optimierung der Wartung (Ferndiagnose, Fernwartung)

7. Die wichtigsten Grundkonzepte der Vernetzung: • Peer to Peer Netze • Client – Server Netze

8. Peer-to-Peer-Netzwerk • Vernetzung mehrerer gleichwertiger Computer • Jeder Computer kann sowohl ein Server als auch ein Client sein. • Jeder Computer dient zunächst als Arbeitsstation für einen Mitarbeiter und kann Dienstleistungen für einen anderen Computer ausführen. • Einsatzgebiete • Einige wenige Benutzer (< 10) möchten z.B. einen Drucker gemeinsam nutzen und gelegentlich auf den gleichen Datenbestand zugreifen.

9. Server basierende Netze(Client-Server Netze: NetWare, Microsoft Windows 2003 Server etc.) Server Client Netzwerkdrucker WAN Programme Daten Plattenspeicher für das ges. Netz Print-Server File-Server Kom-Server App. Server etc. Client

10. DatenratenDatenübertragungsgeschwindigkeit ? • Übertragungsgeschwindigkeiten werden in Bitpro Sekunde angegeben. • Schreibweisebps (bit pro Sekunde, bits per second), z. B. Mbps für MegaBit pro Sekunde. • Andere gebräuchliche Abkürzungen wären Mbit/s oder MBit/sec.

11. Vernetzung von Netzen:Persönliche, lokale Netze, regionale, Fern- und Globalnetze bilden ein (strukturiertes) Netz von Netzen GAN WAN WAN PAN WAN WAN PAN MAN MAN LAN WAN PAN T T T GAN T T T WAN PAN

12. Klassifizierung von Computernetzen nach der räumlichen Ausdehnung • PAN Personal Area Network (Endgeräte am privaten Arbeitsplatz) • LANLocal Area Network(Privatbesitz, Wirkungsbereich eines Gebäudes, eines Grundstückes, einer Firma) • MANMetropolitan Area Network (Wirkungsbereich eines Großraumes, wie etwa einer Stadt) • WANWide Area Net work (Wirkungsbereich eines Landes, eines Kontinentes wie Europa) • GANGlobal Area Network(Wirkungsbereich global, weltweit)

13. Einordnung der PAN / LAN / MAN / WAN / GAN Datenrate (Bit/s) 1000M Busse MAN LAN 100M Prozessor- kopplung 10M PAN 1M WAN / GAN ISDN 100k 64 kBit/s Öffentlich Privat 10k Telefon - Nebenstellen 1k (PBX) Entfernung 1 10 100 1k 10k 100k (m)

14. Vernetzung von Netzen: Private lokale Netze werden öffentlich Fernnetze zu einem Netz von Netzen Wichtiges Beispiel: Telefonnetz (private Nebenestellen, Ortsnetz, Fernnetz) T Nebenstellen- anschluss Lokales Netz T Netzzugang Ort A Teilnehmer Ortsvermittlung T Ortsvermittlung Ort B Ort B Ort A T T T Fernvermittlung T Privates Netz Öffentliches T Netz Haupt- anschluss

15. Topologische Klassifizierung von Computernetzen a) vermaschte Netze, b) Sternnetze c) Baumartige Netze, d) Busse, e) Ringe f) Mischformen

16. f0 f1 Nutzung des analogen Frequenzbandes zwischen 300 Hz und ca. 3,3 kHz für digitale Daten (durch MODEM): Frequenz f0 für LOGISCH 0 Frequenz f1 für LOGISCH 1 Datenkommunikation über das (analoge) Telefonnetz erfordert Signalanpassung über Modems MOdulation DEModulation

17. Analoges Telefon Analoges Telefon Sprachsignale werden in analoge elektrische Signale umgewandelt. Als solche werden sie übertragen (und vermittelt) und beim Empfänger wieder in ein analoges Sprachsignal analoges Sprachsignal rückgewandelt Nachteil: Analoge Signalübertragung ist störungsanfällig Durch Verzerrungen, Rauschen, Einstreuungen wird Signal verfälscht. .

18. Es (gab) gibt weiter dienstspezifische Netze - jeder Dienst hat sein eigenes Netz, eigene Technik und spezielle Endgeräte Sprechfunk Funkgeräte Fernsprechen Telefon Telex Fernschreiben Rechner Datenübermittlung Bildschirme PCs

19. PCM PCM Digitales Telefon Digitales Telefon Sprachsignale werden in Puls-Code-Modulierte el.digitale Signale umgewandelt Als solche werden sie übertragen (und vermittelt) und beim Empfänger wieder in ein analoges Sprachsignal rückgewandelt. Digitale Telefonie 011010001010 Vorteil: Digitale Signalübertragung ist störungssicher (Qualität der Nutzsignale unabhängig von Verzerrungen etc.)

20. Dienstintegrierte Netze - unterschiedliche Dienste werden über die entsprechenden Endgeräte in einem Netz abgewickelt

21. Leitungsvermittlung Nachrichtenvermittlung Paketvermittlung Vermittlungstechnik in Netzen:3 zentrale Techniken

22. Das Telefonnetz basiert auf dem Prinzip der LeitungsvermittlungPhasen einer verbindungsorientierten Kommunikation nach dem Leitungsvermittlungsprinzip

23. Das Prinzip der Nachrichtenvermittlung (store and forward) T T Zu über- tragende Nachricht Zwischen- Belegung speicherung Zwischen- speicherung Zwischen- speicherung Empfangene Nachricht Zustellung Empfangsbestätigung

24. Paketvermittlung - Nachrichten werden in Pakete aufgeteilt und finden autonom ihren Weg durch das NetzDATENNETZE UND DAS INTERNET BASIEREN AUF PAKETVERMITTLUNG Bei der Paketvermittlung wird zur besseren Auslastung des Netzes und zur Verbesserung der „Fairness“ im Netz eine Nachricht in viele Pakete unterteil. Nachricht Paket 1 Paket 2 Paket 2 Paket 3 Paket 3 Paket 1

25. Die Datenpakete finden in Paketvermittlungsnetzen autonom ihren Weg von der Quelle zum Ziel Jeder Teilnehmer hat in einem “Sub-Netz“ eine weltweit eindeutige Adresse. Die Sub-Netze sind über „Router“ zu einem globalen Netz vernetzt. Ein Datenpaket welches an eine Zieladresse abgeschickt wird verfügt im „Paketkopf“ über die erforderlichen Adressinformationen. Ein Paket welches an ein Ziel in einem anderen Netz geschickt wird, wird vom „Router“ (Standardgateway) in ein übergeordnetes Netz geschickt, bis es das Zielnetz erreicht. Dort wird es vom Router an die Zieladresse geschickt. Öffentliches Netz (Netz von Netzen) Netzzugangsknoten bei Provider Jede Stationen haben eindeutige Adresse: Host und Netzadresse Privates lokales Netz (Ziel) Privates lokales Netz (Quelle) Router (Standardgateway) ins öffentliche Netz Jedes Netz ist charakterisiert durch Netzadresse und Subnetzmaske

26. Das OSI Referenzmodell, das 7-Schichtenmodell der ISO für die offenen Kommunikation

27. Vernetzung heterogener Systeme nach dem Prinzip Open System Interconnection – Schichtenmodell (Schalenmodell) Der allgemeine Fall N Systeme Systeme 2 Systeme 1 N (Anschluss-) Leitungen, N Schnittstellenimplementierungen Systeme 3 Systeme 5 Systeme 4

28. Das OSI-7-Schichtenmodell der ISO

29. OSI Open System InterconnectionISO-7 Schichten Referenzmodell 7. Anwendungsschicht 6. Präsentationsschicht 5. Sitzungsschicht 4. Transportschicht 3. Netzwerkschicht 2.Datenverbindungsschicht 1. Physikalische Schicht physikalisches Medium

30. Datenpaket (ähnlich Datei) N-Relay N-Relay System System (Router) (Router) Subnetz Subnetz Subnetz (z.B.Ortsnetz B) (z.B.Ortsnetz A) (z.B.Fernnetz) Internes Netz eines FHS Wels ISDN der Post Internet-Providers lokales Netz OSI-Modell als Basis für die Vernetzung von Netzen System B System A Anwendung Anwendung A B Netzinfrastruktur Schicht 7‘ bis 5‘ Schicht 7 bis 5 Schicht 4 Schicht 4´ Schicht 3 Schicht 3´ Schicht 2 Schicht 2´ Schicht 1 Schicht 1´

31. Lokal Netze - LANs Lokal Area Netze • ETHERNET • (mehr als 70 % aller LANs, Tendenz weiter stark steigend)

32. ETHERNET • 1976 – Bob, Robert Metcalf – PARC, Palo Alto Research Center Californien • 1980 Weiterentwicklung durch Digital Equipment, Intel und Xerox (DIX Standard) • 1980 – Institut of Electrical and Electronic Engineers startet Projektgruppe 802 – IEEE 802. • Ethernet ist Standard IEEE 802.3 Robert M. Metcalfe and David R. Boggs.``Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks,''Association for Computing Machinery, Vol 19/No 7, July 1976.

33. Klassische LAN Ethernet - Verkabelung mit Thicknet(Bustopologie) Transceiver…Transmitter –Receiver …Signal über Kontaktstift auf Kabel bringen und von dort empfangen AUI …Attachment Unit Interface …Verbindung Netzwerkkarte Transceiver über 15 poligen DIX-Stecker DIX …Digital Intel Xerox …das Konsortium der Firmen Digital Equipment, Intel und Xerox, das seit 1980die Ethernet Entwicklung vorantreibt!

34. Ethernet Übertragung Ethernet Kabel als „shared bus“ • Nur eine Station darf zu einem Zeitpunkt übertragen • Signal breitet sich über das gesamte Kabel aus • Alle angeschlossenen aktiven Stationen empfangen das Signal (nur die Zielstation greift auf Signal zu) • Zugriff wird über CSMA/CD gesteuert – Carrier Sense Multiple Access mit Collision Detection Sendender Computer überträgt einen Datenrahmen Ziel Computerempfängt eineKopie des Datenrahmens Signal breitet sich über das ges. Kabel aus

35. Adressierung auf Ebene 2 (LAN – Shared Medium – Ethernet) Wie Daten über Ethernet übertragen werdenWICHTIGER ASPEKT - Adressierung TCP Verkehr über das Ethernet Ethernet Header IP Header Adressierung auf Ebene 3 (Netzwerk – IP) TCP Header Daten Adressierung auf Ebene 4 (Transport – TCP / Anwendungsport) Ethernet Kontrolnummer

36. CSMA – Carrier Sense Multiple Access • Durch gleichzeitigen Zugriff von zwei oder mehreren Stationen kann es zu Kollisionen kommen • CSMA mit Collision Detect (CD) • Jede sendende Station horcht auf das Medium während der Übertragung • Wenn das empfangene Signal nicht mit dem gesendenden übereinstimmt wird dies al Interfernz, als Kollision erkannt • Übertragung wird beendet, Jam Signal, “Back off”, neuerlicher Sendeversuch nach einer bestimmten Zeit

37. CSMA / CD als Signal Zeitdiagramm C B A Sendewunsch Zeit

38. CSMA / CD C B A Sendewunsch Signalausbreitung Zeit

39. CSMA / CD C B A Sendewunsch Sendewunsch Zeit

40. CSMA / CD C B A Sendewunsch Collision Sendewunsch Zeit

41. CSMA / CD – Die Entstehung von Collisionen C B A Sendewunsch Sendewunsch Collision wird von C erkannt Collision wird von A erkannt Zeit

42. Zugriffsverfahren bei CSMA/CD 3 Alternative Zustände(1) transmission - Übertragung(2) contention - Wettstreit (3) idle – Frei Zeit Rahmen Rahmen Rahmen contention: Zeitschlitze von Übertragungsversuchen mit Kollisionen idle transmission

43. Repeater Segmentierung bei Ethernet Zwischen Segmenten Verstärker: alle Signale aus dem einen Segment werden in das andere Segment übertragen! Segment 1 Vorteil: Größere Ausdehnung, Mehr Teilnehmer Nachteil: Mehr Teilnehmer verursachen mehr Kollisionen – geringerer Durchsatz Segment 2

44. Segmentierung bei Ethernet Achtung ! Es darf zu keinen Schleifen kommen.

45. Max 100 m Ethernet mit HUB (passiver Stern) C B A HUB 10 Base T : Twisted Pair Kabel Weiterentwicklung auf 100 Mbps 100 Base T und auf 1 Gbps 1000Base T 100 Base…wird auch als „fast Ethernet“ bezeichnet.

46. Mit Hubs sehen alle Geräte den gesamten Netzverkehr N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N Etwas Komplexeres 10/100 /1000 Base-T LAN Zum Unternehmens Backbone 10/100Base-T Hubs (Multiport Repeaters)

47. Durch Switches kann man Datenverkehr lokalisieren Bildung von „Collision Domains“ Lokaler Verkehr N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N Lokaler Verkehr Segmentierte Collision Domain Verkehr von Quelle zu Senke LANs mit Switch (Switching Hubs) Zum Unternehmens Backbone Switching Hub Repeater Hub Switching Hub

48. Wireless LANs, drahtlose Netzwerke • Drahtlose LANs setzen sich in den letzten Jahren immer stärker durch, und haben in sehr kurzer Zeit den Marktdurchbruch geschafft. • Mit den herkömmlich verkabelten Systemen gibt es immer wieder Probleme: • Nachteil an „verkabelten Netzwerken“ ist ihre mangelnde Flexibilität z.B. • wenn ein Betrieb umstrukturiert wird, oder • eine Anlage an einen anderen Ort überstellt werden muss. • In z.B. historischen geschützten Gebäuden oder einfach aus ästhetischen Gründen können manchmal keine Kabel verlegt werden. • Große Anfälligkeit gegenüber Katastrophen (Feuer, Erdbeben).

49. WLAN – IEEE 802.11 • Derzeit gibt es drei verschiedene Standards für Wireless LANs. • IEEE 802.11b • IEEE 802.11a • IEEE 802.11g • IEEE 802.11b ist der älteste und bereits sehr verbreitete Standard. • 802.11b kompatible Geräte funken mit einer brutto Datenrate von 11MBit/s (was netto ca. 5.5 MBit/s entspricht).

50. Drahtlose LANs nach IEEE 802.1 Higher Layer Interface 802.9 Integrated Services LAN (ISLAN) 802.10 Standard for Interoperable LAN Security (SILS) Wireless Metropolitan Area Network 802.2 Logical Link Control (LLC) MAC MAC MAC MAC MAC MAC MAC MAC MAC Wireless WPAN Wireless WMAN Wireless WLAN Token Bus Token Ring MAN Broad Band CSMA/CD Fiber Optics 802.3 802.4 802.5 802.6 802.7 802.8 802.11 802.15 802.16 Kabel Base- and Broadband, Fiber Optics Wireless Wireless Personal Area Network