¶ Rechnernetze
Ein Rechnernetz (auch Computernetzwerk genannt) ist ein Zusammenschluss mehrerer Computer und anderer digitaler Geräte, um Daten auszutauschen und gemeinsame Ressourcen zu nutzen.
¶ Schichtmodelle
Hypothese Herr Tempel: Die Technologien aktueller Netzwerke sind so komplex, dass niemand die Datenübertragung komplett versteht.
Lösung: Teile und Herrsche (divide and conquer bzw. lateinisch divide et impera)
Ein Schichtmodell ist ein theoretisches Modell, das einen komplexen Aufbau oder Prozess in mehrere übereinanderliegende Ebenen (Schichten) unterteilt. Jede Schicht erfüllt dabei eine bestimmte Funktion und arbeitet mit den benachbarten Schichten zusammen.
Aufgabe: Informiert euch in folgender Quelle zu Schichtmodellen: https://informatik.mygymer.ch/g23c/008.rechnernetze-kommunikation/01.schichtenmodell.html
Ziele von Schichtmodellen
- Reduktion von Komplexität
- Klare Trennung von Aufgaben
- Standardisierung
- Austauschbarkeit von Schichten
Allgemeiner Aufbau eines Schichtemodells
¶ TCP/IP-Schichtmodell / DoD-Schichtmodell
Das TCP/IP-Schichtmodell (auch Internet-Schichtenmodell genannt) ist ein Referenzmodell für den Aufbau und die Funktionsweise von Netzwerken, insbesondere des Internets.
Protokoll: festgelegtes Regelwerk, das definiert, wie Daten zwischen zwei oder mehr Kommunikationspartnern übertragen werden.
Folgende Tabelle beschreibt die Aufgaben der Schichten und gibt je Schicht mögliche Protokolle an
| Aufgabe | Mögliche Protokolle | |
|---|---|---|
| Anwendungsschicht | Bereitstellung der Funktion | HTTP (Internetseiten), DNS (Domain in IP), FTP (Dateiaustausch), SMTP & IMAP (E-Mail) |
| Transportschicht | Ende-zu-Ende-Kommunikation zwischen Anwendungen (durch Port identifiziert). | TCP, UDP |
| Internetschicht | Adressierung, Routing, Aufteilung der Datenpakete | IP, ICMP |
| Netzzugangsschicht | Übertragung der Daten auf Hardwareebene | Ethernet, WLAN, ARP |
Aufgabe: Informiert euch in folgender Quelle, über die Aufgaben und Protokolle der Schichten: https://informatik.mygymer.ch/g23c/008.rechnernetze-kommunikation/02.tcp-ip.html#schicht-4-anwendungsschicht
¶ Simulation mit Filius
https://www.lernsoftware-filius.de/downloads/Einfuehrung_Filius_2015.pdf
Ab Aufgabe 2b
¶ Bestandteile von Rechnernetzen
Client: Endgeräte, die Dienste anfodern
Server: stellen zentrale Dienste bereit
Client-Server-Modell: Client -> Request -> Server -> Response -> Client
Switch: Weiterleitung von Daten, stellt Verbindungen innerhalb eines lokalen Netzwerks her, Grundlage von LAN
Router: Weiterleitung von Daten, verbindet verschiedene Netzwerke miteinander, Übergang von Heimnetz zu Internet
Übergangsmedien: Transport zwischen verschiedenen Geräten; physikalisch (Glasfaser, Ethernetkabel) oder per Funkt (W-LAN, Bluetooth) möglich
¶ Netzwerkarten
Netzwerke können nach Größe eingeteilt werden.
| Netzwerktyp | Bedeutung | Reichweite | Beispiel | Geschwindigkeit |
|---|---|---|---|---|
| PAN | Personal Area Network | wenige Meter | Bluetooth, Smartphone, Smartwatch | sehr hoch (kurze Distanz) |
| LAN | Local Area Network | Gebäude / Haushalt | Heimnetzwerk, Büronetzwerk | sehr hoch |
| WAN | Wide Area Network | weltweit / Länder | Internet | unterschiedlich |
¶ Netzwerktopologien
Netzwerktopologien beschreiben, wie Geräte miteinander verknüpft sind um ein Rechnernetz zu bilden.
Stern: alle Endgeräte mit zentralem Gerät (Switch/Server) verbunden
- Vorteile: einfache Verwaltung, leicht erweiterbar, Ausfall eines Endgeräts hat keine schweren Folgen
- Nachteile: mehr Kabelaufwand bei physischer Verknüpfung, gesamtes System vom zentralen Gerät abhängig
Bus: alle Geräte hängen an einem gemeinsamen Kabel
- Vorteile: geringer Kabelaufand, einfach aufbaubar
- Nachteile: schlecht skalierbar, Ausfall eines Anschlusses hat große Auswirkungen, Datenkollision möglich
Ring: alle Geräte in einem Kreis miteinander Verbunden, Daten wandern von Gerät zu Gerät
- Vorteile: keine Datenkollision, da Pakete in die selbe Richtung wandern
- Nachteile: Ausfall eines Gerätes unterbricht die gesamte Kette, schwer erweiterbar
Baum: mehrere Sternnetzwerke hirarchisch verbunden
- Vorteile: gut skalierbar für große Netzwerke, Fehler bleiben lokal
- Nachteile: Abhängigkeit von den zentralen Knoten, höherer Planungsaufwand
Vollständig vermascht: alle mit allen verbunden
- Vorteile: schnell und sicher
- Nachteile: aufwendig und teuer
Vermascht: mehrfache Verbindung von Routern (Die Topologie des Internets)
- Vortile: ausfallsicher und stabil
- Nachteile: komplex
¶ Zentral vs Dezentral
¶ Zentralisiertes System
-
alle Entscheidungen laufen über eine zentrale Autorität
-
z.B. ein Unternehmen mit einem einzigen Chef
--> Client-Server-Modell -
Vorteile: hohe Kontrolle, einfache Verwaltung / Backup, hohe Konsistenz
-
Nachteile: Single Point of Failure, "Flaschenhals" bei hoher Auslastung
Beispiel: WebServer
¶ Dezentralisiertes System
-
Entscheidungsmacht auf mehrere Knotenpunkte verteilt
-
z.B. großes Unternehmen mit regionalen Niederlassungen
--> Peer-to-Peer-Prinzip -
Vorteile: höhere Ausfallsicherheit, Skalierbarkeit, Zensurresistenz
-
Nachteile: komplexe Verwaltung / Koordination, Schwierigkeiten bei Datenkoordination, schwierige Authentifizierung
Beispiel: BlockChain (BitCoin) oder DNS
¶ Adressierung
¶ IP-Adressen
- logisches Adressierungsverfahren im Internet
- IP-Adresse ist eine Folge von 32 Bits (IPv4, 4 Bytes)
- besteht aus Netz- und Hostadresse --> Unterteilung durch Subnetzmaske
- IPv4 nicht mit genug Adressen, deswegen heutzutage oft IPv6 mit 128 Bit
- Standardgateway (Default Gateway) als zentrale Schnittstelle in einem Netzwerk (meist ein Router), über die Geräte kommunizieren, wenn das Ziel außerhalb des lokalen Netzwerks (LAN) liegt
- bspw. 192.168.0.1
- in der Kommandozeile über ipconfig anzeigbar
¶ MAC-Adressen
- physikalisches Adressierungsverfahren
- MAC-Adresse als eine Art „Hardwareadresse“
- wird bei Herstellung einer Netzwerkkarte festgelegt und kann nicht nachträglich verändert werden
- zur Kommunikation zwischen zwei direkt verbundenen Geräten
- bspw. 68:F7:28:6B:E7:25
¶ Subnetze
Subnetzmasken:
- ...erlauben die Aufteilung von von großen Netzen in kleinere Subnetze (schon wieder "teile und herrsche")
- ...beginnen in Binärdarstellung mit 1en, enden mit 0
- Beispiele 255.255.255.0, 255.255.0.0 oder 255.255.255.224
Mit IP-Adesse und Subnetzmaske lassen sich folgende Dinge bestimmen
- Name des Netze
- Name des Hosts (Geräts)
- Anzahl möglicher Hosts
- Broadcastadresse
Der Netzanteil entsteht, indem die IP-Adresse bitweise mit der Netzwerkmaske verknüpft wird (bitwise AND). Dabei werden die Host-Bits auf 0 gesetzt, die Netz-Bits bleiben erhalten.
Der Hostanteil ist der Anteil der IP, bei dem die Netzwerkmask 0en enthält.
Die Broadcast-Addresse ist der Netzanteil + 1er im Hostanteil.
Anzahl möglicher Hosts = 2n - 2, wobei n = Länge des Hostanteils
Nochmal ein Erklärvideo https://youtu.be/jgwWFKryrOw?t=149
¶ Beispiel:
IP: 192.168.1.2
Subnutzmakse: 255.255.0.0
In Binär
11000000.10101000.00000001.00000010
11111111.11111111.00000000.00000000
Netz:
11000000.10101000.00000000.00000000 = 192.168.0.0
Host:
00000000.00000000.00000001.00000010 = 0.0.1.2
Broadcast:
11000000.10101000.11111111.11111111 = 192.168.255.255
Anzahl Hosts
216 -2 = 65.534
¶ Geräte
Switch: Verbinden Geräte eines Netzes
Router: Verbinden Geräte verschiedener Netze
¶ Wie sendet ein Gerät ein Paket
Prüfe, ob Ziel im gleichen Netz ist (ermittele Netznamen aus eigener IP/Subnetzmaske und vergleiche mit Zieladresse)
1. WENN gleiches Netz -> sende direkt an Ziel
2. SONST sende an Gateway
Das Gateway (Router) bestimmt das nächste (Zwischen)-Ziel auf dem Weg
¶ IP Paket
- TTL = TimeToLive. 8bit zum Start auf 11111111 (255) gesetzt. Wird von jedem Router um 1 reduziert. Bei 0 wird Paket nicht weitergeleitet.
- Header-Checksumme: Dient der Fehlererkennung in IP-Headern
- Quell-IP-Adresse: Absender
- Ziel-IP-Adresse: Empfänger
¶ Domain-Name-System (DNS)
- Verwendung von Namen beim Zugriff auf Rechner als benutzerfreundliche Bezeichner
- Namensauflösung übersetzt menschenlesbare Domainnamen in maschinenlesbare IP-Adressen und umgekehrt
- in der Kommandozeile über nslookup Namensauflösung möglich
¶ Konfiguration von Endgeräten
Jeder Anschluß benötigt
- Name
- IP-Adresse
- Subnetzmaske
- MAC-Adresse
Und optional
- Gateway
- DNS
Diese können statisch vom Admin konfiguriert werden, oder dynamisch über das DHCP Protokoll vergeben werden.
¶ Simulation mit Filius
https://www.lernsoftware-filius.de/downloads/Einfuehrung_Filius_2015.pdf
Ab Aufgabe 2b
¶ Heimlerntag
Aufgaben
https://www.lernsoftware-filius.de/downloads/Skriptum_Netzwerk_Filius_2026.pdf
Wichtige Begriffe:
| Komponente | Beschreibung |
|---|---|
| ARP | AdressResolutionProtocol um für eine IP-Zieladresse die MAC Adressen herauszufinden. Ohne MAC ist Kommunikation auf Netzzugangsschicht nicht möglich. Kennt ein Teilnehmer die MAC-Adresse für eine IP noch nicht, fragt er über einen Broadcast an MAC FF:FF:FF:FF:FF:FF die MAC für die IP-Zieladresse an. Das Gerät mit der entsprechende IP sendet seine MAC zurück. |
| Routing-Tabelle | Datenstruktur in einem Netzwerkgerät (z. B. Router), die festlegt, über welchen Weg (Route) Datenpakete zu ihrem Ziel weitergeleitet werden. |
| Traceroute | Ein Netzwerk-Tool, das den Weg von Datenpaketen durch ein Netzwerk zu einem Ziel verfolgt und dabei alle Zwischenstationen anzeigt. |
| Hops | Die einzelnen Zwischenstationen (Router), die ein Datenpaket auf seinem Weg zum Ziel durchläuft. |
| DHCP | DynamicHostConfigurationProtocol ist ein Netzwerkprotokoll, das Geräten automatisch eine IP-Adresse und weitere Netzwerkeinstellungen (z. B. Subnetzmaske, Gateway, DNS) zuweist. |
| DNS | DomainNameSystem -> "Telefonbuch des Internets". Wandelt Domain-Namen in IP Adressen. Dezentrales System. |
¶ Routing
Routing bedeutet die Weiterleitung von Daten von einem Ausgangspunkt zu einem Ziel über einen oder mehrere Zwischenknoten.
- Statisches Routing: Routen über Admin konfiguriert
- Dynamisch: Automatische Ermittlung und Aktualisierung durch Protokolle
¶ Statisches Routing (für die LK reicht die Idee: Jeder Rechner bekommt Tabelle manuel konfiguriert und kann damit Entscheidungen treffen)
WICHTIG: Bei der Verbindung zwischen Routern, müssen die IP-Adressen der Schnittstellen im gleichen Netz sein, sonst ist eine Kommunikation nicht möglich. Beispiel 1.0.0.1/1.0.0.2 oder 2.0.0.3/2.0.0.2
Router entscheidet mit Routingtabelle. Wird mein manuellen Routing händisch vom Admin erstellt.
Hier ein Beispiel für Router 1.
Ein Erklärvideo, welches im Detail durchgeht: https://www.youtube.com/watch?v=4Hpvfy7Ra9k
¶ Dynamisches Routing (für die LK reicht die Idee: Wir hatten Zettel getauscht)
Aufgabe: https://inf-schule.de/rechnernetze/vermittlung/fachkonzept_routing und https://inf-schule.de/rechnernetze/vermittlung/routerspiel
| Protokolart | Beschreibung |
|---|---|
| Distanzvektor | Router kommunizieren nur mit Nachbarn und tauschen Informationen über Entfernung (Kosten) und Richtung (Nächster Hop) |
| Link-State | Jeder Router kennt eine vollständige Karte des Netzwerks (Topologiedatenbank) |