Netzwerktechnik Fibel

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Quelle

Netzwerk-Fibel
Die meisten Themen lernen wir auch im Fach NWT_Netzwerktechnik, halt mit anderer Aufteilung der Themengebiete.

In den meisten Titeln verlinke ich einen gleichwertigen Eintrag vom Fach NWT_Netzwerktechnik, eine Seite vom Elektronik-Kompedium oder auch einen Wikipedia-Eintrag.

Grundlagen der Netzwerktechnik

Netzwerk-Dimensionen

Jedes Netzwerk basiert auf Übertragungstechniken, Protokollen und Systemen, die eine Kommunikationen zwischen den Netzwerk-Teilnehmern ermöglichen.

  • PAN (Personal Area Network, personenbezogenes Netzwerk), zB: Bluetooth
  • LAN (Local Area Network, lokales Netzwerk), zB: Ethernet
  • MAN (Metropolitan Area Network, regionales Netzwerk)
  • WAN (Wide Area Network, personenbezogenes Netzwerk), zB: ISDN
  • GAN (Global Area Network), zB: das Internet verbindet (dezentral) mehrere GANs

Die Begriffe PAN, MAN und GAN werden eher seltener verwendet. Eine 100%ige Abgrenzung zwischen diesen Dimensionen gibt es nicht, weswegen oft nur die Begriffe LAN und WAN vorkommen.

Protokolle

Ein Protokoll ist eine Ansammlung von Regeln, die den Ablauf einer Kommunikation zwischen 2 oder mehr Systemen festlegt.
Typischerweise ist nicht nur ein einzigstes Netzwerk-Protokoll für die Kommunikation verantwortlich, sondern mehrere, die ganz bestimmte Teilaufgaben übernehmen. Die Einteilung (Verantwortung) wird anhand eines Schichtenmodells dargestellt.

Schichtenmodelle

Weil ein Netzwerk möglichst universell sein soll, also von mehreren Teilnehmern und Anwendungen gleichzeitig genutzt werden soll, teilt man die Netzwerk-Kommunikation in Schichten auf. Jede Schicht löst ein bestimmtes Teilproblem. Der Sender und Empfänger müssen dabei mit dem gleichen Schichtenmodell arbeiten.

Arten der Datenübertragung

Verbindungsorientiert

Bei der verbindungsorientierten Datenübertragung wird vor dem Austausch eine logische Verbindung hergestellt, welche solange bestehen bleibt bis die Sitzung beendet wird.

Verbindungslos

Bei der verbindungslosen Kommunikation wird keine logische Verbindung und damit auch keine dauerhafte Verbindung aufgebaut.
Hierbei werden die Daten in kleine Einheiten geteilt, wobei die Übertragung jeder Einheit meist auf jeder Protokoll-Schicht als abgeschlossener Vorgang selbstständig behandelt wird.

Netzwerk-Adressen

Innerhalb eines Netzwerks werden spezielle Netzwerk-Adressen verwendet, um Sender und Empfänger eines Datenpakets oder einer Nachricht zu adressieren. Dabei unterscheiden sich Netzwerk-Adressen anhand ihrer Funktion, Anwendung und Protokoll-Schicht.

Protokoll Adresse
Anwendung URL, Domain, E-Mail-Adresse
Transport Port
Vermittlung IPv4-Adresse, IPv6-Adresse
Netzzugang MAC-Adresse

Internet-Adressen ist hierbei ein Überbegriff für Netzwerk-Adressen, die im Internet verwendet werden.

Netzwerk-Architekturen

Peer-To-Peer

In einem Peer-To-Peer Netzwerk ist jeder angeschlossene Computer zu den anderen gleichberechtigt. Das heißt:

  • Jeder Computer stellt den anderen seine Ressourcen zu Verfügung
  • Es gibt keine Zentrale Administration
    • Jeder Computer übernimmt selbst, welche Ressourcen er freigeben will und wie die Datensicherung vonstatten geht

Peer-To-Peer eiget sich für bis zu 10 Stationen, aber sollte wegen den oben genannten Punkten nicht genutzt werden.

Client-To-Server

In einem Server-basierten-Netzwerk werden die Daten auf einem zentralen Computer gespeichert und verwaltet.

  • Auf diesem dediziertem Server laufen keine Anwenderprogramme, sondern nur Server-Software und Dienste um die Benutzeranfragen zu beantworten.
  • Hier werden die Ressourcen zentral verwaltet, aufgeteilt und zur Verfügung gestellt.

Für den Zugriff auf den Server (Anfrage/Antwort) ist ein Protokoll verantwortlich, dass sich eine geregelte Abfolge der Kommunikation zwischen Client und Server kümmert. Beispiele wären:

  • HTTP für das World Wide Web (zB. Webseiten)
  • SMTP/POP3 für E-Mail


Mainframe

Die Mainframe-Architektur sieht wie die Client-Server-Architektur eine Aufteilung des Netzwerk in Terminals und Großrechner vor. (Benutzereingaben werden vom Mainframe bearbeitet und vom Terminal dargestellt.)

Was ist ein Mainframe

Der Mainframe ist ein sehr leistungsfähiger Computer auf denen meist speziell entwickelte Applikationen installiert sind, welche über eine serielle Anbindung mit dem Terminal bedient werden können.

Wozu gibt es Mainframes + Vorteile/Nachteile

Die Mainframe-Architektur stammt aus einer Zeit, als es finanziell und aus Platzgründen noch nicht möglich war jedem Mitarbeiter einen eigenen vollwertigen Computer zu Verfügung zu stellen.
Stattdessen beschränkte man sich auf ein einfaches Terminal, welches nur aus einer Tastatur und einem Bildschirm bestehen muss.

Die zentrale Steuerung, Datenhaltung, Anwendung, sowie die kostengünstige Erweiterung zusätzlicher Terminals gelten als die Vorteile dieser Architektur.
Allerdings führt der Ausfall des Mainframes zum Ausfall der Terminals. (Der Betrieb steht dann komplett)

Moderne Formen der Mainframe-Architektur

Moderne Formen des Terminals sind mit Arbeitsspeicher, Prozessor und Schnittstellen ausgestattet. Hier laufen ein Großteil der Anwendungen im Terminal, welche Mangels lokalem Massenspeichers vom Mainframe in den Arbeitsspeicher geladen werden müssen.

Begriffe der Netzwerktechnik

Node

Ein Node ist ein Gerät, das über eine oder mehrere Schnittstellen (Interfaces) an ein (oder mehrere) Netzwerke angeschlossen ist.
Ein Netzwerk und die daran angeschlossenen Nodes bilden eine Site, wenn sie einer gemeinsamen und zusammenhängenden Verwaltung unterstellt sind.

Beispiele-Zusammensetzung: normaler Host, Router oder Gateway

Host

Ein Host ist ein Node ohne Router-Eigenschaften, die damit eine Endstelle in einem Netzwerk darstellen.

Knoten

Allgemein steht ein Netzknoten für ein Verzweigungspunkt in einem Kommunikationsnetzwerk.

Beispiele
Netzwerk Knoten
Telefonnetz Vermittlungsstellen / Telefonanlage
IP-Netzwerk Router
Ethernet-Netzwerk Switch

Client

Der Client ist (als Teil der Client-Server-Architektur) in größerer Zahl in allen Netzwerken zu finden. Ein Client ist ein Endgerät oder auch nur eine Software-Komponente, die von einer zentralen Stell Dienste oder Daten anfordert oder über einen Zentralen Zugang am Netzwerk teilnimmt.

Typische Hardware-Clients sind PCs, Smartphones, Tablets und Notebooks
Typische Software-Clients (für unterschiedliche Dienste) sind WWW, E-Mail, Messaging, usw.

Server

Ein Server ist ein Computer, der Rechenleistung, Speicher, Daten und Dienste in einem Netzwerk bereitstellt und Zugriffsrechte verwaltet, welche von anderen Teilnehmern mithilfe eines Software-Clients angefordert werden können.

Router

Ein Router ist ein Node, der Pakete weiterleitet, die nicht an in selbst gerichtet sind. In einem dezentralen Netzwerk (zB. dem Internet) ist der Übertragungsweg der Datenpakete nicht fest vorgegeben. Weil genau genommen niemand über alle Verbindung bescheid weiß, sucht sich jeder Router bei jedem Datenpaket aufs neue den besten Weg aus.

Routing

Die Art und Weise, wie Datenpakete in einem dezentralem Netzwerk (oder IP-Netzwerk) verarbeitet werden, bezeichnet man als Routing oder Wegfindung. Hierbei wird der Weg zum Ziel anhand mehrerer Kriterien (Metrics) ermittelt.

  • Je mehr Kriterien berücksichtigt werden, desto genauer/gezielter ist der Weg zum Ziel, aber desto (Zeit-)aufwendiger ist die Berechnung.

(Das maßgebliche Hilfsmittel beim Routing ist die Routing-Tabelle, die in jedem Router mögliche Wege festlegen.)

Gateway

Ein Gateway ist eine Hard- oder Software (Oder eine Kombination daraus), die eine Schnittstelle zwischen 2 inkompatiblen Netzwerken darstellt.
Das Gateway kümmert sich um die Übersetzung in das jeweilige andere Format/Protokoll.

Bridge

Heute hat der Name Bridge 2 Bedeutungen:

  • In den Anfangszeiten vom Ethernet stand der Begriff "Bridge" für ein Gerät zur Kopplung zweier Ethernet-Segmente. Die Segmentierung begrenzt die Größen der Kollision-Domäne und das Risiko einer Schleifenbildung.
  • Eine Bridge verbindet 2 Teilnetze, die auf der Schicht 1 und 2 des OSI-Schichtenmodells arbeiten

Switching

In einem geswitchten Netzwerk bestimmt ein konstanter Pfad mit einer definierten Bandbreite, welchen Weg die Datenpakete gehen. (Unterschied zu dezentralem Netz, wo Routing einfach den besten Weg bestimmt)

Domäne

Ein Domäne bezeichnet (in der Netzwerktechnik) ein logisches Subnetz, einen Namensbereich oder ein Objekt, das an der SPitze eines Verwaltungsbereich steht.

Ressourcen

In der Netzwerktechnik spricht man häufig von Resourcen. In der Hauptsache meint man damit Speicher, auf dem man Daten ablegen kann.
Dazu zählen aber auch Drucker, Server und andere Netzwerkgeräte, die einen Dienst bereitstellen, welcher zentral in einem Netzwerk steht.

Datenpaket / Paket

Einzelne Übertragungseinheiten werden als (Daten-)Paket bezeichnet.
Ein Paket sollte nicht mit einem Frame verwechselt werden. Ein Datenpacket sind nur die eigentlichen Daten welche man schicken will, der Frame ist wiederum der "Briefumschlag" für das senden.

Frame

Ein Frame ist ein logischer Rahmen, in dem sich ein Bit-Strom befindet. Frames werden von einer Netzwerkkarte über ein Übertragungsmedium gesendet und empfangen.
Das Frame ist jeweils mit Daten und einem Protokoll- sowie einem Ethernet-Header versehen. Darin sind Start- und Endsequenzen, Kontrollzeichen, Adressen und Prüfsummen enthalten.

Datenstrom

Ein Datenstrom ist ein Datenfluss aus logisch zusammenhängenden Datenpaketen, die über ein Netzwerk übertragen werden. Die logische Verbindung ist üblicherweise die Empfänger-Adresse.

  • Auf IP-Ebene wäre dies die IP-Adresse
  • Auf TCP/UPD-Ebene wäre das die Portnummer

Die Datenpakete können aber auch auf der Anwendungsebene eine logische Verbindung zueinander haben.

Port

Ein Port kann

  • eine Steckverbindung an einem Switch/Router/... oder
  • eine logische Assoziation sein, wie zum Beispiel der Zugang zum Netzwerk für einen WLAN-Client an einem WLAN-Access-Point.

Der Port bei den Protokollen TCP und UDP ist eine Art Adresse, die die Zuordnung zwischen einem Protokoll und einer Anwendung oder zwischen einem Datenstrom und einer Anwendung definiert.

Ein Port, egal ob logisch oder physisch, wird häufig durch eine Nummer oder Adresse gekennzeichnet.

Undirektionale Kommunikation

Undirektional bedeuted "in eine Richtung". Hierbei steht eine Kommunikationen/Übertagung nur über einen Kanal zur Verfügung, der nur in eine Richtung genutzt werden kann. Einen Rückkanal gibt es nicht.

Bidirektionale Kommunikation

Bidirektional bedeuted "in beide Richtung". Hierbei können Signale/Daten/Informationen in beide Richtungen fließen.

Bei der Bidirektionale Kommunikation unterscheidet man zwischen:

  • Halbduplex - Hier kann nur ein Kommunikationspartner senden/empfangen
  • Vollduplex - Hier können beide gleichzeitig senden/empfangen

Anycast(ing)

Bei Anycast geht die Nachricht an einen Empfänger aus einer Gruppe von Empfängern. An wen aus der Gruppe ist hierbei egal.
Hinter Anycast steckt das Verständnis, dass es eine Adresse mehrfach gibt bzw. geben kann (Anycast-Adresse).

  • Das bedeutet dann aber, dass kein wechselseitiger Dialog möglich ist, weil nicht sicher ist, ob man immer mit der selben Maschine verbunden ist.

Anycast wird bspw. für Root-Nameserver benutzt.

  • Hier gibt es nicht nur einen Root-Server, sondern in der Regel ganz viele davon, die auf der ganzen Welt verteilt sind.
    • Aber alle haben die selbe Adresse.

Ein Router kennt die Route zu einem von diesen Root-Servern und reicht das Anycast-Paket an diesen weiter.

Unicast(ing)

Bei Unicast sind 2 Stationen miteinander verbunden.

  • Die Verbindung kann direkt oder über ein Netzwerk sein
  • Die Verbindung kann undirketional als auch bidirektional sein

Beim Unicasting steigt die notwendige Bandbreite bei jedem zusätzlichem Host im Netzwerk an. Dabei kann die Netzlast soweit steigen, dass die Informationen bei keinem Host mehr in ausreichender Geschwindigkeit ankommt. So kommt es beim Audio- und Video-Streaming zu Aussetzern beim Abspielen.

Broadcast(ing)

Der Broadcast ist ein Datenpaket, dass an einem Punkt ins Netzwerk eingespeist und von dort an alle Hosts übertragen wird. (Dabei empfängt jeder Host die Daten, ob er will oder nicht)

Es handelt sich hier um das klassische Gießkannenprinzip, wie es zum Beispiel beim Rundfunk (UKW/DAB) oder Fernsehen (Satellit, Kabel, Funk) gemacht wird.

Multicast(ing)

Beim Multicast gibt es einen Sender, der zu einer definierten Gruppe von Empfängern Signale/Daten/Informationen überträgt.

  • Hierbei spielt es keine Rolle, wie viele Empfänger die Daten empfangen. Die Bandbreite wird nur für einen Teilnehmer verbraucht
    • Die letzte Verteils-stelle (Router) ist dann für (das Duplizieren des Datenpakets sowie) die Verteilung an die einzelnen Empfänger verantwortlich

Tunneling

Tunneling bezeichnet ein Verfahren, wenn ein Protokoll.Frame (mit all seinen Eigenschaften) als Nutzdaten innerhalb eines anderen Protokolls eingebettet ist.

Topologie

Die Struktur eines Netzwerkes wird als Topologie bezeichnet. Bus, Ring und Stern sind typische Netzwerktopologien.

Backbone

Backbone ist eine Bezeichnung für die Hauptübertragungsstrecke in einem Netzwerk. Der Backbone verbindet in der Regel mehrere Netzknoten, welche als Zugangspunkte zum Backbone dienen.

Bei größeren Vernetzungen mit mehreren Netzwerkstrukturen bildet ein Backbone die Infrastruktur im Hintergrund. (zB. um lokale Netze und Hochleistung-Systeme miteinander zu verbinden.)

Ein Backbone sollte dabei redundant ausgelegt werden.

Organisationen in der Netzwerktechnik

An der Entwicklung der zukünftigen Netzwerktechnik sind verschiedene nationale und internationale Organisationen beteiligt. Diese nehmen die Normungen von und entscheider so über den Einsatz neuer Entwicklungen.

Die derzeit wichtigsten werden hier aufgelistet:

IANA (Internet Assigned Numbers Authority): IP-Adress-Pools, ...

Die IANA verwaltet wichtige Datenbanken, dazu gehören die zentralen Adress-Pools für IPv4 und IPv6 und die zentrale Root-Zone des DNS.

ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers): Domains, DNS-Root-Nameserver, IP-Vergabe, TCP/IP

Bei der ICANN handelt es sich um eine private Stiftung mit Sitzt in Marina del Rey in Kalifornien, USA.
Die ICANN verantwortet eine Reihe technischer und organisatorischer Vorgaben, die den reibungslosen Betrieb des Internets gewährleisten. Die ICANN hat ihre Aufgaben von der IANA und anderen Organisationen übertragen bekommen.

Zur reibungslosen internationalen Kommunikation und dem Austausch von Daten bedarf es weltweit einmaliger Namen, Adressen und Nummern. Die ICANN koordiniert unter anderem die Vergabe bestimmter Namen und Adressen. Hierzu zählen:

  • Domain-Namen
  • Betrieb der DNS-Root-Nameserver
  • Vergabe von IP-Adressen
  • Protokoll-Parametern und Port-Adressen der Protokoll-Familie TCP/IP

Während alle Regierungen der Welt in einem Regierungsbeirat verteten sind, unterliegt die ICANN der US-amerikanischen Rechtsprechung.

IETF: Standardisierungen im Internet, RFCs

Die IETF ist eine internationale Vereinigung von Organisationen, Hersteller, Netzbetreibern, Wissenschaftlern und Anwendern, die für die Standardisierung im Internet zuständig ist. Die IETF verantwortet unter anderem die RFCs.

ISO (Internatonal Organization for Standardization): Best-Practive-Empfehlungen

Die ISO erarbeitet international gültige Normen in allen Bereichen. Ausnahmen bilden die Bereich:

  • Elektrik/Eletronik, für den die elektrotechnische Kommision (IEC) zuständig ist
  • und der Bereich der Telekommunikation, für den die Internationale Fernmeldeunion (ITU) zuständig ist.

Bei ISO-Normen handelt es sich um sog. Best-Practice-Empfehlungen. Die Einhaltung der ISO-Normen ist freiwillig, kann aber von Kooperationspartnern, Kunden und technischen Einrichtungen gefordert und festgeschrieben sein.

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers: Ethernet/FireWire, ...

Das IEEE ist eine internationale Organisation von Fachleuten und Experten aus der ELektrotechnik und dem Ingeneurwesen, ähnlich dem deutsch VDE (Verband der Elektrotechnik/Elektronik/Informationstechnik)

Das IEEE umfasst über 360.000 Mitglieder in über 176 Ländern und ist damit weltweit führende Organisation für die Standardisierung im Bereich Elektronik und Informationstechnik. Das Spektrum der Aktivitäten ist extrem breit und unübersichtlich.

Das IEEE kennt man vor allem durch Standardisierung im Bereich Local Area Network (LAN) und Schnittstellen. Die bekanntesten Standards sind:

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