02_Kabelgebundene Netzwerke Flashcards
Übertragung digitaler Daten
Digitalisierung
Texte und Tonsignale
Nahezu jede Information kann in digitale Form übertragen werden = „Digitalisierung“
- Texte werden Zeichen für Zeichen durch einen Code in eine Folge von Nullen und Einsen übersetzt -> z.B. ASCII oder UTF-8
- Tonsignale (Sprache, Musik) werden mit einem Mikrofon aufgenommen -> erzeugt Spannung, die sich proportional zur Schallschwingung verändert -> in regelmäßigen Intervallen gemessen („abgetastet“) -> als Zahlenwerte ins Binärformat gewandelt
Übertragung digitaler Daten
Funktionsweise
Daten werden Bit für Bit übertragen - z.B. 1 als 5V, 0 als 0V
jede Übertragung beginnt mit einem definierten Code = „Präambel“
Übertragung digitaler Daten
Übertragungskapazität und Symbolrate
- Bits werden einzeln nacheinander übertragen -> „Übertragungsschritte“
-
Baud = Schritte pro Sekunde = Schrittgeschwindigkeit = Symbolrate
- z.B. 10 Mio. Schritten pro Sekunde = 10 MBaud
- jedes Übertragungsmedium hat maximale Schrittgeschwindigkeit
-
Übertragungskapazität, gemessen in Bit/s
- in jedem Schritt wird genau ein Bit übertragen (z.B. 10 MBaud -> 10 MBit/s)
Übertragung digitaler Daten
Übertragungskapazität und Symbolrate
-> mehr MBit/s übertragen, als MBaud möglich sind?
- Parallelisierung
- z.B. verschiedene Spannungspegel -> mehr Bit pro Schritt -> halbe Symbolrate
“Geschwindigkeit” von Datenübertragungen
Begriffe
Übertragungskapazität
Eine ISDN-Verbindung hat 64 kBit/s Übertragungskapazität. Wie lange dauert der Download einer MP3-Datei von 4 MB Größe mindestens?
4 MB = 4 * 1000 kB = 4 * 8 * 1000 kBit
Übertragungszeit = Übertragungsvolumen / Übertragungkapazität
t = 4 * 8 * 1000 kBit*s / 64 kBit = 500 s
Übertragungskapazität
Wie lange dauert der Download einer MP3-Datei von 4 MB Größe mindestens bei DSL mit 16 MBit/s?
4 MB = 4 * 1000 kB = 4 * 8 * 1000 kBit
Übertragungszeit = Übertragungsvolumen / Übertragungkapazität
t = 4 * 8 * 1000 kBit*s / 16000 kBit = 2 s
Übertragungskapazität
Eine Remote-Desktop-Sitzung (Fernbedienung eines Windows-Desktops) erzeugt ein Datenvolumen von etwa 450 kB pro Minute, wobei nur in 10% der Zeit Daten übertragen werden.
Welche Übertragungskapazität sollte die Netzwerkverbindung für flüssiges Arbeiten haben?
450 kB sollen in 10% einer Minute (also 6 Sekunden) übertragen werden. 450 kB sind 3600 kBit.
Übertragungskapazität = 3600 kBit / 6 s = 600 kBit/s
Eine DSL-1000-Verbindung reicht gerade so aus.
Medienzugriff
Zugriffsverfahren
Deterministische Verfahren: Zentrale Steuerung, Token Passing
Nicht-deterministisches Verfahren: CSMA/CD
Medienzugriff
Deterministische Verfahren
Zentrale Steuerung
- ein Endgerät steuert Sendeberechtigung
- meist werden die anderen Endgeräte reihum gefragt, ob sie etwas zu senden haben
- ohne Aufforderung darf ein Endgerät nicht senden
- z.B. USB, Bluetooth
Medienzugriff
Deterministische Verfahren
Token Passing
- Token = Sendeberechtigung in Form eines speziellen Datenpakets
- reihum von Endgerät zu Endgerät weitergereicht
- Reihenfolge entweder per Konfiguration festgelegt oder entsprechend dem physikalischen Aufbau des Netzwerkes
- z.B. Token Ring (80er Jahren von IBM, veraltet)
Medienzugriff
Nicht-Deterministische Verfahren
CSMA/CD
- (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detect)
- zunächst Prüfung, ob momentan eine Übertragung läuft
- Sobald das Medium frei ist, wird nach einer kurzen Wartezeit gesendet.
- Da eventuell noch andere Endgeräte sendebereit waren, kann es zu Kollisionen kommen.
- Kollisionen werden erkannt -> Abbruch -> Geräte warten zufällige Zeit ab -> neuer Versuch
- erneute Kollision -> neue zufällige Zeiten aus größerem Intervall wählen + neuen Versuch starten
- z.B. Ethernet 10Base2, 10Base-T und 100Base-TX
Telegraphie und Telefonie
Ablauf eines Telefongesprächs - historisch
Leitungsvermittlung
- beim Wählen: Verbindung wird von Vermittlungsstelle zu Vermittlungsstelle durchgeschaltet - bei jedem Schritt wird ein Teilstück der Verbindung reserviert
- Gesprächsphase: Teilstücke der Verbindung bleiben exklusiv zugeteilt
- Verbindungsende: Verbindung wird getrennt, Teilabschnitte freigegeben
- -> Ressourcen auch in Kommunikationspausen belegt
Telegraphie und Telefonie
Ablauf eines Telefongesprächs - heute
Paketvermittlung
-
Verbindungsaufbau: Rufnummer an Ortsvermittlungsstelle übermittelt -> im
Netzwerk durch Austausch von Datenpaketen festgestellt, ob Gegenstelle frei ist - Gesprächsphase: Tonsignale werden in Ortsvermittlungsstelle digitalisiert und als Datenpakete durch das Netzwerk übertragen
- Verbindungsabbau: Ortsvermittlungsstelle des Teilnehmers, der zuerst auflegt informiert die andere über Ende
- -> Solange jemand nicht spricht, muss auch nichts übertragen werden
- -> Nutzung nicht mehr exklusiv
Telefonie
Paketvermittlung
Virtuelle Verbindungen
- Pakete durch Kennungen als zusammengehörig gekennzeichnet und in Sendereihenfolge nummeriert
- ermöglicht zusammenhängende Kommunikation über längeren Zeitraum, obwohl jedes Datenpaket individuell verschickt wird
- simuliert Verbindung -> „virtuell“
Telefonie
- physikalische, gesteckte Verbindung zwischen Gesprächsteilnehmern
- Digitalisierung: Sprache wird in Ortsvermittlung digitalisiert, Computer zur Signalisierung und Wegesuche, Übertragung der Gesprächsdaten als Datenpakete -> Paketvermittlung statt Leitungsvermittlung -> langsamerer, sicherer, bessere Sprachqualität
- optional: digitale Endgeräteanschlüsse (ISDN)
Telefonie
ISDN
- Integrated Services Digital Network
- Anschluss digitaler Endgeräte ans Telefonnetz
- 2 Datenkanäle mit je 64 kBit/s pro Anschluss
- „Integrated Services“: Internetzugang, Koppelung von LANs, … -> nicht mehr konkurrenzfähig
Ethernet
Standards
100Base-TX
- “Fast Ethernet”
- 100 Mbit/s Übertragungskapazität
- je 2 Geräte mit einem Kabel verbunden
- nur 50% der Adernpaare (4 von 8) genutzt
- Halbduplexübertragung
- Stecker: RJ-45
- Kabel: „Twisted Pair“
Ethernet
Twisted Pair Kabel - allgemein
- 8 isolierte Adern in einem Kabel
- je 2 Adern miteinander verdrillt
- jedes Adernpaar: Übertragung in eine Richtung
- > preiswert
- > leicht zu verlegen
- > keine innere Abschirmung, trotzdem hohe Störunanfälligkeit
Ethernet
Twisted Pair Kabel - Benennung
Namensschema nach ISO: X/YTP
X: äußere Schirmung - um alle Adern des Kabels
Y: Schirmung der Aderpaare an - um jeweils zwei Adern herum
TP: „Twisted Pair“
Schirmungen:
U = unshielded (ungeschirmt)
S = screened (Drahtgeflecht)
F = foiled (alubeschichtete Kunststofffolie)
üblich: UTP (U/UTP), FTP (F/UTP)
Ethernet
Twisted Pair Kabel
Unterteilung in Klassen
- nach maximale Übertragungsrate
- Cat-5 und Cat-5e: bis 100 MHz, Standard für Fast Ethernet
- Cat-6: bis 250 MHz, z.B. für GBit-Ethernet
- Cat-3 + Cat-4 nicht mehr gebräuchlich
- Cat 1+2 z.B. Telefonkabel, ISDN
Ethernet
Twisted Pair Kabel
Verwendung
umso länger / umso mehr Einflüsse -> desto mehr Schirmung
- *U/UTP (UTP):** am günstigsten, Heimbereich/Büro
- *F/UTP (FTP):** Geräteschrank (viele Kabel parallel)
- *S/FTP:** Wand mit Stromkabel (größere Distanzen)
- > bei Wandinstallationen lieber überdimensionieren für nächste Generationen der Netzwerktechnik
- > alle als Cat-5e oder Cat-6 zu kaufen
Ethernet - Topologie
Switch
- = Mehrfachsteckdose
- um Netzwerke mit > 2 Endgeräten aufzubauen
- Uplinks mit schnelleren Kabeln
Ethernet
Standards
1000Base-T
- „Gigabit Ethernet“
- alle 4 Adernpaare für Übertragung von Daten in einer Richtung genutzt
- Vollduplexbetrieb: in einem Kabel können Daten in beiden Richtungen gleichzeitig übertragen werden -> Echokompensation filtert die selbst gesendeten aus den Empfangsdaten heraus
- jedes Adernpaar hat 250 MBit/s -> insgesamt 1 GBit/s
Ethernet
Standards (Glasfaserkabel)
10GbE - 10 GBit Ethernet
- 10 GBit
- über Glasfaserkabel
- für: Kern stark ausgelasteter LANs, WANs, Hochleistungsserver
- z.B. Uplinks sollten eine Ethernet-Stufe höher sein als restliche Verbindungen
- bei meisten PCs kein Anschluss vorhanden
Ethernet
Glasfaserkabel
- für Hochgeschwindigkeitsnetze
- extrem dünne und damit biegsame Glasfäden
- Übertragung von Lichtimpulsen statt Spannungsimpulsen
- jede Verbindung besteht aus zwei Fasern, je eine für jede Richtung
Anschlussvariante z.B. 10 GbE
Ethernet
Glasfaserkabel
Vorteile
- extrem hohe Datenraten möglich
- sehr dünn -> viele Glasfasern in einem Kabel
- mehrere Übertragungen gleichzeitig durch verschiedenfarbiges Licht
- geringe Dämpfung -> hohe Reichweite
Ethernet
Glasfaserkabel
Nachteile
- müssen am Ende plan geschliffen und exakt zur Lichtquelle positioniert werden
- schwer selbst zu konfektionieren, z.B. kürzen
- können brechen
- empfindlicher als Kupferkabel
- Steckverbindungen sind aufwendiger
- deutlich teuerer als Kupferkabel + erfordern mehr Know-How
Ethernet
Glasfaser-Typen
Ethernet - Paketaufbau
Frame
- Präambel: Folge der Bits 1010101010…, -> zur Gewinnung des Taktes am Paketanfang
- Typ: Code, der die im Paket enthaltenen Nutzdaten definiert -> meist „IP“
- Nutzdaten: 46 – 1500 Bytes
- CRC: Prüfsumme (steht für Cyclic Redundancy Check)
Ethernet - Paketaufbau
Ethernet-Adressen
- „Hardwareadressen“/„MAC-Adressen“ (Media Access Control)
- vom Hersteller vergeben, weltweit einmalig
- 6 Byte -> hexadezimal 12 Zeichen, je 1 Byte mit : getrennt (05:ab:3f:01:28:e8)
- erste Hälfte: Zuordnung zu Hersteller
Ethernet - Switches
Grundfunktionen eines Switches
- mehrere Anschlüsse
- Anschluss hat max. Übertragungskapazität - abwärtskompatibel
- lernfähig -> Zuordnung von Hardwareadressen an Anschlüsse (interne Tabelle) -> Pakete nur an den Anschluss weitergeleitet, an dem Gerät erreichbar ist
- solange Switch Hardwareadresse nicht kennt -> Pakete an alle Anschlüsse außer Sender ausgegeben
Ethernet - Switches
Unterscheidungskriterien
GBit Ethernet: Vollduplex - Endgeräte können gleichzeitig senden und empfangen
Ethernet - Switches
Schichtenmodell eines Netzwerks mit Switch
Switches implementieren nur die unterste Schicht
-> nur Übermittlung von Ethernet-Paketen
Ethernet
Standards
10Base-T
- 1991 – Ende 2000er Jahre
- Vorläufer von Fast Ethernet mit gleichen Steckverbindern, aber nur 10 MBit/s Übertragungskapazität
- Hubs statt Switches, die äußerlich gleich aussehen, aber die Signale nur verstärken.
- moderne Ethernets und moderne Endgeräte sind immer noch zu 10Base-T kompatibel
Ethernet
Strukturierte Verkabelung
- Netzwerkstruktur aus aktiven Komponenten (Switches) und Kabelverbindungen in den Verteilerschränken
- Kabelstrecken: in Wand, Kabelschienen an der Wand oder Kabelschächten - zwischen Verteilerschränken oder zwischen Verteilerschrank und Anschlussdose an Wand
- Verteilerschränke: Kabelenden sind auf Patchfeld mit RJ-45-Buchsen aufgelegt
- Wanddosen: meist 2 RJ-45-Buchsen
Ethernet - Strukturierte Verkabelung
Beispiel: 2 vernetzte Bürogebäude
- *primär:** Geländeverkabelung,
- *sekundär:** Gebäudeverkabelung (zwischen Verteilerschränken)
- *tertiär:** Stockwerkverkabelung
- > sekundär und tertiär sind beide eine Entwicklungsstufe besser als primär
Ethernet - Strukturierte Verkabelung
Tertiärbereich - Verteilerschrank
- jeder Anschluss einer Wanddose ist über fest installiertes Kabel mit einem Verteilerschrank verbunden
- Patchfeld im Verteilerschrank aus RJ-45-Buchsen -> 1:1-Verbindung zwischen Buchse und Anschluss an einer Wanddose -> eindeutige Zuordnung durch Beschriftung
- Patchkabel verbinden Anschlüsse des Patchfeldes mit einem Switch = „patchen“
-> ein an Wanddose angeschlossener PC hat zunächst nur eine direkte Verbindung zu einem Verteilerschrank.
Ethernet - Strukturierte Verkabelung
Tertiärbereich - Endgeräteanschluss
- Anschlusskabel 1:1 von Netzwerkanschluss des Endgeräts zu einer Wandanschlussdose
- pro Arbeitsplatz: 2 – 4 Anschlüsse an Wanddosen (Desktop-PC, Notebook, Netzwerkdrucker, VoIP-Telefon)
- zusätzlicher kleiner Switch möglich -> ABER angeschlossene Geräte teilen sich die Leitungskapazität zum Rest des Netzwerks
Ethernet
VLAN
- Virtuelle LANs
- mit modernen Switches
- Aufteilung in logisch, aber nicht physische getrennte Netze
- Backbone und Verkabelung existieren nur einmal
- zentrale Administration mit Zuordnung der Endgeräte zu den VLANs
- keine direkte Kommunikation der Endgeräte verschiedener VLANs
- z.B. Trennung verschiedener Firmenbereiche (Verwaltung und Produktion), 1 zentrales Netzwerks in Bürogebäude mit vielen Mietern, virtuelle Anschlüsse an Firewalls mit zu wenigen physischen Interfaces
