7 Netzwerke

Serielle Kommunikation

🎯 Lernziele

Nach dieser Einheit sind Sie in der Lage dazu * drei Elemente zum Aufbau von Computernetzen beschreiben * die Analog-Digitalwandlung zur Signalisierung zu beschreiben * die Wichtigkeit von Übertragungskapazität und Latenz verschiedener Anwendungsfälle abzuschätzen * das Konzept der Amplituden und Frequenzmodulation zu erklären

zwingend nötige Elemente für Computernetzwerk

  • Mindestens 2 Rechner mit Netzwerkdiensten und Datenstationen
    • Server bietet Dienst an
    • Client nutzt Dienst (Rolle kann tauschen)
  • Kanal / Übertragungsmedium
    • Dient dem Austausch von Daten
  • Netzwerkprotokolle
    • Regeln, die festlegen, wie Rechner miteinander kommunizieren können

bg h:180 right:33%

Beispiele Rechnernetze

  • PCs zu geteiltem Netzwerklaufwerk
  • Smartphone zu Internet
  • Sensor zu Ergometer

bg right h:470

Übermittlung von Signalen durch Analog-Digital-Wandlung

h:300

  • Grundlage ist z.B. die Dictionary-Repräsentation eines Objekts
  • Die binäre Information wird zur Übertragung in ein Analogsignal gewandelt 01011010101010100... (selbiges passiert auch beim Speichern von Dateien)

Signalisierung mittels Elektromagnetischer Wellen

  • in Welleneigenschaften einer elektromagnetischen Welle (Frequenz, Wellenlänge und/oder Amplitude) z.B. WLan, Bluetooth
  • oder ein Spannungswert auf einem Leiter z.B. Ethernet

Signalisierung auf Kabeln

h:300

  • Bits auf Kabeln als Leitungscodes z.B. über Spannungen signalisiert
    • Non-Return-to-Zero (Abbildung oben)
    • jeder Bit-Wert hat genau ein Leitungszustand (z.B. hohe Spannung vs. niedrige Spannung)

Kennzahlen für die Übertragungsqualität

  • Übertragungskapazität (Übertragungsrate, engl.: transfer rate, throughput): Datenmenge pro Zeit in Bits pro Sekunde

  • Latenz (Übertragungsverzögerung, engl.: latency): Verzögerung zwischen dem Versenden und der Ankunft des ersten Datenbits einer Meldung in Millisekunden.

    • ping www.google.com gibt die Zeit vom absenden der Nachricht bis zur Rückkehr der Antwort an

bg h:350 right:40%

Quelle

✍️ Aufgabe

Bei manchen Anwendungen ist die Latenz zweitrangig (z.B. Versenden von Emails.) Bei welcher Anwendung ist die Latenz wichtig? * Telefon * Online-Spiele

Rechnernetze

h:400

Quelle

Strukturelle Kriterien

  • Netzwerktopologie definiert, welche Datenstationen (Knoten) in einem Netzwerk mittels Kommunikations-verbindungen (Kanten) physisch miteinander verbunden sind

bg h:150 right

Stern-Topologie

  • Alle Knoten sind direkt an einer zentralen Komponente (Hub oder Switch) angeschlossen
  • Ausfall der zentralen Komponente führt zum Ausfall des kompletten Netzes
  • Leicht verständlich und erweiterbar
  • Ausfall eines Knotens führt nicht zum Ausfall des Netzes
  • z.B. Heimnetzwerke, Infrastruktur-Wlan mit zentralem (Access Point)

bg h:250 right:33%

Quelle

Bus-Topologie

  • Alle Knoten sind mit demselben Übertragungsmedium (dem Bus) verbunden
  • Keine aktiven Komponenten zwischen Knoten und Medium
  • Ausfall einzelner Knoten führt nicht zum Ausfall des Netzes
  • Geringe Kosten für Aufbau (Switches waren mal teuer!)
  • Störung des Übertragungsmediums blockiert den gesamten Bus
  • Zu jedem Zeitpunkt kann nur eine Station Daten senden. Ansonsten kommt es zu Kollisionen
  • z.B. Feldbusse: CAN, Profibus

bg h:250 right:23%

Quelle

Maschen-Topologie

  • jeder Teilnehmer mit einem oder mehreren anderen Teilnehmern verbunden
  • Fällt ein Teilnehmer oder eine Verbindung aus, ist die Kommunikation durch Umleiten (Routing) der Daten im Regelfall weiter möglich
  • Ausfallsicher (abhängig vom Verkabelungsaufwand)
  • Hoher Verkabelungsaufwand und Energieverbrauch
  • Komplexes Routing (Wegfindung für Information)
  • z.B. WWW, Ad-hoc-(Funk-)Netze

bg h:250 right:30%

Baum-Topologie

  • Von einer Wurzel gehen eine oder mehrere Kanten aus
  • Jede Kante führt zu einem Blattknoten oder zu Wurzeln weiterer Bäume
  • Gute Erweiterbarkeit und große Entfernungen realisierbar
  • Beim Ausfall eine Wurzel ist der komplette davon ausgehende (Unter)Baum nicht mehr erreichbar
  • z.B. Verbindungen zwischen den Verteilern (Hub, Switch) werden mittels eines Uplinks hergestellt

bg h:250 right:33%

Zellen-Topologie

  • Kommt hauptsächlich bei drahtlosen Netzen zum Einsatz
  • Zelle: Bereich (Reichweite) um eine Basisstation (z.B. WLAN Access Point), in dem eine Kommunikation zwischen den Endgeräten und der Basisstation möglich ist
  • Keine Störung durch Ausfall von Teilnehmern
  • Störanfällig abhängig von der Qualität der Basisstation(en)
  • z.B. Wireless LAN (IEEE 802.11), Global System for Mobile Communications (GSM)

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🤓 Struktur des Internets

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  • Kommandozeile: tracert <url>
  • Der Befehl zeichnet den Weg zum erreichen des Ziels nach

Kommunikationsprotokolle

h:400 right

Quelle

🎯 Lernziele

Nach dieser Einheit sind Sie in der Lage dazu * die Bedeutung von Kommunikationsprotokollen zu beschreiben - eine Entscheidung für verbindungslose und verbindungs-orientierte Protokolltypen für verschiedene Anwendungsfälle zu treffen * die Bedeutung der Schichten im OSI-Modell zu erläutern * wichtige Netzwerkkomponenten zu unterscheiden

Kommunikationsprotokolle

  • festgeschriebene Konvention für die Kommunikation zwischen Datenstationen.
  • regelt den Aufbau von Meldungen (Syntax, Repräsentationsgrößen, notwendige Inhalte)
  • welche Antworten auf Meldungen erfolgen müssen/können.
  • Codierung
  • Wann gibt es Feedback?

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Quelle

Menschliche Kommunikationsprotokolle

  • Sprache
    • Es spricht eine nach der anderen
    • Sprecher:innen müssen die gleiche Sprache / Schrift benutzen
  • Prozesse und Formulare:
    • Steuererklärung beim Finanzamt braucht bestimmte Formulare
    • Auf einem Brief muss Adressat mit Namen und Adresse stehen

Kommunikationsprotokolle für Computer

Zu den Vereinbarungen gehören: * Welche Station sendet an wen und aus welchem Anlass? * Was ist die maximale Länge einer Nachricht? * Was geschieht bei Fehlern? * Wie erkennt man das letzte Bit einer Nachricht? * Wie erkennt man, dass eine Nachricht verloren wurde? * Wie kann man eine verlorene Nachricht erneut anfordern?

Beispiel TCP/IP-Proktoll für die Kommunikation im Netzwerk

h:400

🧠 OSI-Schichtenmodell

bg h:500 right

  • Wenn sie eine Email schicken, soll dies unabhängig davon sein, ob sie mit dem Handy im LTE-Netz verbunden oder an einem PC über ihr heimisches WLAN und glasfaser-gebunden mit dem Internet verbunden sind.
  • Die Anwendung ist ident, auch wenn die Bitübertragung völlig anders ist.

🧠 Open Systems Interconnection (OSI) Model

bg h:500 right

  • Das gliedert die Teilaufgaben der Kommunikation in sieben Funktionsschichten.
  • Auf jeder Schicht sind entsprechende Protokolle vorgesehen, für die es mehrere Alternativen geben kann.

1 Bitübertragungsschicht (Physical Layer)

bg w:400 right:35%

  • physikalisch-technischen Eigenschaften
  • Darstellung der Zustände "1" und "0"

  • Das bestimmt:

    • z.B. Art der Modulation oder Leitungscode
    • Wie viele Bits können pro Sekunde gesendet werden?
    • Kann die Übertragung in beide Richtungen gleichzeitig stattfinden?

  • Hardware: Repeater, Hubs, Leitungen, Stecker, u. a.

bg w:400 right:35%

  • Zugangsverfahren für das Kommunikationsmedium (z.B. Senderechten)
  • potenziell auftretende Übertragungsfehler erkennen und behandeln
  • Verkehrspolizist im Dorf
  • Hardware auf dieser Schicht: Bridge, Switch
  • Protokolle und Normen: IEEE 802.11 (WLAN), Ethernet-Protokoll, ...
  • Adressierung der Geräte mit physischen Adressen (MAC-Adressen)

3 Vermittlungsschicht (Network Layer)

bg w:400 right:35%

  • Adressierung von Zielsystemen (Rechnern) über mehrere Teilstrecken hinweg sowie die Steuerung der Wegwahl.
  • Der kürzeste Weg ist nicht immer optimal
  • Internet Protocol: jedes IP-Paket wird unabhängig an sein Ziel vermittelt (geroutet)
  • Adressierung der Geräte mit logischen Adressen (IP-Adressen)

Vermittlungsschicht ist vor allem bei vermaschten Topologien relevant

h:250

4 Transportschicht (Transport Layer)

bg w:400 right:35%

  • Verbindungen zwischen zwei Anwendungen
  • empfangenen Nachrichten werden in die korrekte Reihenfolge gebracht
  • verloren gegangene Nachrichten werden neu angefordert
  • Die zwei wichtigsten Transportprotokolle:
    • TCP (Transport Control Protocol): verbindungsorientiert
    • UDP (Universal Datagram Protocol): verbindungslos

4 Transportschicht: Verbindungslose Protokolle

  • Analog zum Briefkasten ohne Einschreiben
  • Kein Verbindungsaufbau notwendig
  • Nachrichten werden vom Sender verschickt, wenn Sie vorliegen, ohne eine Verbindung aufzubauen
  • Keine Zustellungsgarantie, dafür schneller
  • z.B. Streaming von Videos

4 Transportschicht: Verbindungsorientierte Protokolle

  • Analog zum Schnur-Telefon
  • Eine Verbindung zwischen Sender und Empfänger wird aufgebaut, dann werden Daten ausgetauscht und handeln das zu verwendende Protokoll aus. Anschließend wird die Verbindung abgebaut
  • Es gibt eine Zustellungsgarantie
  • Diese ist aber zeitaufwendig
  • Für alles andere

bg h:400 right:33%

h:600

Quelle

🤓 5 Sitzungsschicht

bg h:300 right:35%

  • Die Sitzungsschicht wird in der Praxis kaum benutzt
  • Typischerweise besteht eine Sitzung aus einem Verbindungsaufbau (Anmeldung), dem Austausch von Daten und dem Verbindungsabbau (Abmeldung)

🤓 6 Darstellungsschicht

bg h:300 right:35%

  • Die Darstellungsschicht wird in der Praxis kaum benutzt
  • Daten in eine standardisierte Darstellung gebracht.
  • In dieser Schicht werden beispielsweise Zeichensätze von (heterogenen) Kommunikationspartnern angeglichen

7 Anwendungsschicht

bg w:400 right:35%

  • Kommunikationsprotokolle für Dateitransfer, E-Mail oder der Zugriff auf Webserver
  • Protokolle z.B.:
    • HTTP - Websites (später)
    • SSH - Secure Shell (Kommandozeile)
    • FTP - File Transfer
    • SMTP - E-mails
    • LDAP - Rechteverwaltung
  • In der Anwendungsschicht laufen Dienste (Prozesse)
  • Diese werden neben der IP über eine Portnummer gekennzeichnet bg h:350 right
  • z.B. Port 80 für die Bereitstellung einer Website als HTML
  • Dieser wird mit: an die IP angehängt
  • z.B. läuft die Facebook-Website auf: 31.13.84.36:80
  • Liste der standardisierten Ports

TCP/IP-Protokoll

Quelle

🎯 Lernziele

Nach dieser Einheit sind Sie in der Lage dazu * valide IP-Adressen zu erkennen * Netzwerk- und Host-Adresse einer IP-Adresse mittels Subnetzmaske zu erkennen * zwischen MAC und IP-Adressen zu unterscheiden

  • Zentrales Protokoll des Internets
  • Aufgebaut in mehreren Schichten (OSI-Schichtenmodell)
  • Die IP-Adresse eine Rechneradresse auf der OSI-Vermittlungsschicht (vergleichbar mit Telefonnummern).
  • Interessant in der Software-Entwicklung ist vor allem die Anwendungsschicht

bg h:400 right

Aufbau IP-Adressen

h:300

  • 4 Byte (mit je 0 bis 255 Zuständen!) also 32 Bits

✍️ Wie viele IPv4-Adressen gibt es?

  • \(2^{32}=4.294.967.296\)
  • 2020 über 27 Mrd. vernetze Geräte
  • Es gibt auch IPv6: z.B. 2a03:2880:f107:83:face:b00c:25de (128 Bits)

IP-Pakete

  • Die IP-Adresse dient der Adressierung (vgl. Absender und Adressat auf einem Brief)
  • IP-Nutzdaten werden in IP-Paketen verschickt.

bg h:300 right

✍️ Aufgabe

  • Kann Ihr Browser die IPs erreichen?

    • 31.13.84.36
    • 31.13.84.36:80
    • [2a03:2880:f107:83:face:b00c:25de]:80

  • Menschen können eher mit Worten als mit Bits arbeiten

    • Übersetzung symbolische Adressen auf IP-Adressen erfolgt über den Internet-Dienst DNS (domain name service): facebook.com, der die URL / den Hostname auf die IP-Adresse übersetzt

⌛ 3 Minuten

🧠 Internet-Dienst DNS

Quelle

Externe vs Lokale IP-Adressen

bg right h:720

Quelle

  • weitere Möglichkeit den Adressraum zu vergrößern: NAT (Network Address Translation (Layer 3))
  • der Router nimmt die Übersetzung mittels Network address translation (NAT) vor
  • finden der lokalen IP: Eingabeaufforderung ipconfig
  • finden der öffentlichen IP: externe Websites

Netzwerkadresee für IPv4 im lokalen Netz

h:200

  • legt fest welche IP-Adressen ein Gerät im eigenen Netz ohne die Zuhilfenahme eines Routers erreichen kann (vgl. Ortsvorwahl beim Telefon)
  • Der Netzwerkteil muss bei allen Geräten des jeweiligen Netzes gleich sein

🧠 Was bedeutet das?

h:300

  • Subnetzmaske is 255.255.254.0
  • In Bit-Schreibweise: 1111 1111.1111 1111.1111 1110.0000 0000
  • IP wird zerlegt 193.171.235.190
  • In Bit-Schreibweise: 1100 0001.1010 1011.1110 1011.1011 1110

🧠 Beispiel Netzwerkmaske

  • gibt die Bits an, die Teil der Netzwerkadresse sind
  • Nur die letzten drei Stellen sind Teil der Hostadresse:
IPv4-Adresse 192.168.173.134
UND Netzmaske 255.255.255.0
= Netzwerkteil 192.168.173.0
  • Nur die letzten drei Stellen sind Teil der letzten sechs Stellen:
IPv4-Adresse 192.168.173.134
UND Netzmaske 255.255.0.0
= Netzwerkteil 192.168.0.0

🧠 Übereinanderlegen von Adresse und Maske

1) 1111 1111.1111 1111.1111 1110.0000 0000 (Maske) 1) 1100 0001.1010 1011.1110 1011.1011 1110 (Adresse) 1) 1100 0001.1010 1011.1110 101________ (Netzwerkteil) 1) ____________________________1.1011 1110 (Host-Adresse) * Wie viele Teilnehmer kann das Netzwerk haben? * Host-Adresse hat 9 Stellen * maximal \(2^9=512\) Teilnehmer * Zwei spezielle IPs für Hostanteil: * 0.0000 0000 - Netzadresse: erreicht beschreibt das Netzwerk + 1.1111 1111 - Broadcast: erreicht alle IPs im Netz

Frage
  • Welche der folgenden Zahlen sind valide Subnetzmasken?
  • 255.0.0.0
    • 1111 1111.0000 0000.0000 0000.0000 0000
    • Ja
  • 0.255.255.0
    • 0000 0000.1111 1111.1111 1111.0000 0000
    • Nein, da die Maske zu Beginn aus 1 bestehen muss
  • 255.255.255.253
    • 1111 1111.1111 1111.1111 1111.1111 1101
    • Nein, da die Maske mit einer Folge von 0 Enden muss

CIDER Darstellung

  • 192.168.2.7/24
    • \(24\) ist die Anzahl an Bits in der Netzmaske
    • 192.168.2.7 IP
    • 255.255.255.0 Subnetzmaske hat 24 Bit gesetzt
    • 11000000.10101000.00000010.00000111 IP
    • 11111111.11111111.11111111.00000000 Netzmaske

MAC-Adressen

h:200

  • IP-Adresse:
    • konfigurierbar je nach Netzwerk (vgl. Kennzeichen beim KFZ)
    • Schicht 3: Vermittlungsschicht
  • MAC-Adresse:
    • in der Regel unveränderbar (vgl. Fahrwerksnummer beim KFZ)
    • Schicht 2: Sicherungsschicht

Quelle

Zuordnung MAC (physikalische) und IP-Adressen

h:400

Address Resolution Protocol (ARP)-Protokoll

  • Media Access Code (Physikalische Adresse): Nummer eines Gerätes auf einer Datenverbindung. Anhand dieser Nummer werden über die Verbindung laufende Daten den Geräten zugeordnet.
  • Jede Ethernet-, WLAN- oder Bluetooth-Netzwerkkarte besitzt solch eine eindeutige MAC-Adresse, unter der sie angesprochen werden kann. Obwohl sie effektiv nur in lokalen Netzen eine Bedeutung haben, sind MAC-Adressen üblicherweise global eindeutig und besitzen keinerlei Strukturmerkmale, die für die Wegewahl (Routing) genutzt werden können.
  • Sicherungsschicht (Schicht 2) des OSI-Modells
  • Die IP-Adresse wird vom Betriebssystem konfiguriert. Die physische Adresse, auch MAC-Adresse genannt, befindet sich im ROM der Netzwerkkarte.

Ermittlung von MAC-Adressen für IP-Adressen

  • über das ARP-Protokoll
  • Der Absender sendet einen Broadcast (Meldung an alle) im lokalen Subnetz, mit dem er die MAC-Adresse zu einer IP erfragt.
    • Ist die Zieladresse im lokalen Subnetz, antwortet der Zielrechner.
    • Ist der Rechner in einem anderen lokalen Subnetz, so antwortet der Vermittlungsknoten (Defaultgateway), der die Weiterleitung für die Daten übernimmt.

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Beispiel ARP-Protokoll

  • Wenn A an die IP-Adresse von B Daten verschicken möchte, kann B direkt auf diesen Broadcast antworten.

  • Möchte A an die IP-Adresse von C Daten verschicken und C liegt in einem anderen Teilnetz, so antwortet der Vermittlungsknoten R1 mit seiner MAC-Adresse, die dann von A für die Verschickung von Daten an C genutzt wird.

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  • Spezielle IP: 127.0.0.1 - genannt Localhost: bezieht sich immer auf den aktuellen Rechner

✍️ Aufgabe: Netzwerke mit Windows

  • Wie lautet Ihre lokale IPv4-Adresse?
  • Wie lautet Ihre MAC-Adresse?

  • Wie lautet die Subnetzmaske des Netzwerks?

  • Hinweis: Nutzen Sie ggf. die google-Suche, um an Ihr Ziel zu gelangen

⌛ 15 Minuten

Netzwerkverbindungen anzeigen / Details

h:600

Eingabeaufforderung / ipconfig

h:600

🎯 Lernfortschritt

Nach dieser Einheit sind Sie in der Lage dazu * valide IP-Adressen zu erkennen * Netzwerk- und Host-Adresse einer IP-Adresse mittels Subnetzmaske zu erkennen * zwischen MAC und IP-Adressen zu unterscheiden

✍️ Übung mit Filius

h:400

Entwurfsmodus

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Aktionsmodus

h:400

✍️ Netzwerkkonfiguration

  • Bearbeiten Sie die Aufgaben 1-7 im Skriptum

⌛ 45 Minuten

🏆 Sakai-Aufgabe 7: Netzwerke

Allgmeine Aufgaben

  • 0: Ist 255.255.255.200 eine valide IP-V4-Adresse?
  • 1: Zwei Computer sind wie folgt konfiguriert:
    • Computer A:
      • IP-Adresse: 192.168.1.10
      • Subnetzmaske: 255.255.255.0
    • Computer B:
      • IP-Adresse: 192.168.0.55
      • Subnetzmaske: 255.255.255.0
    • Befinden sich Computer A und Computer B im selben Netzwerk?

Aufgaben zu Filius

  • A2: An welche Physikalische Adresse (MAC Adresse) wird die erste Nachricht auf Vermittlungssicht gesendet. Wofür steht diese Physikalische Adresse?
  • A4.1: Welche IP-Adresse hat der Echo-Server?
  • A4.2: Welches Protokoll nutzt der Echoserver/Client auf der Transportschicht? Ist dieses verbindungs-orientiert oder nicht?
  • A4.3: Welchen Port nutzt der Echo-Client(nicht der Echo-Server)?