1 grundlagen netzwerke und protokolle - ost
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Steffen/Stettler, 14.09.2013, 1-Grundlagen.ppt 1
Computernetze 1 (CN1)
Prof. Dr. Andreas Steffen
Institute for Internet Technologies and Applications
1 Grundlagen Netzwerke und Protokolle
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Lesestoff im Ethernet Buch
• Kapitel 1 Eine Einführung in Netzwerke, 1-29
1.1 Erforderliche Netzwerkelemente
1.2 Die Netzwerktopologien
1.3 Einteilung der Netzwerke
1.4 Die Netzwerktechnologien
1.6 Netzwerkarchitekturen
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Computernetze 1 (CN1)
1.1 Netzwerk-Topologien
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Network Symbols*
*as used by Cisco Systems Inc.
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Local Area Network (LAN)
• A network serving a home, building or campus is called a Local Area Network (LAN)
• Modern switch-based LANs usually have a star topology whereas older hub-based LANs were organized in a bus structure.
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Wide Area Network (WAN)
• LANs separated by geographic distance are connected by a network known as a Wide Area Network (WAN)
• WANs usually have a point-to-point or ring topology
• The logical topology can be different from the physical one!
failure
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Internet
• The Internet is defined as a global mesh of interconnected networks
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Computernetze 1 (CN1)
1.2 Segmentierung und Multiplexierung
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Shared Network Communication
• Data is sent across a network in small “chunks” called segments
• Segmentation
• Messages or data streams are split up into segments
• Multiplexing
• Multiple users share the same communication channel
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Example of Multiplexing and Segmentation
? Intermediary Device
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• Intermediary Devices provide connectivity and ensure the data flow across the network
• Examples
• Network Access Devices (hubs, switches, wireless access points)
• Internetworking Devices (routers)
• Communication Servers and Modems
• Security Devices (firewalls)
Role of Intermediary Devices I
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Role of Intermediary Devices II
• Intermediary network devices perform the following functions:
• Regenerate and retransmit the data signal
• Maintain information about the pathways existing through the network and internetwork
• Notify other devices of errors and communication failures
• Direct data along alternate pathways in the event of a link failure
• Classify and direct messages according to Quality-of Service priorities
• Permit or deny the flow of data based on security settings
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Computernetze 1 (CN1)
1.3 Netzwerk-Protokolle
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What is a Protocol?
• A protocol is a set of predetermined rules
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Function of a Network Protocol
• Network protocols are used to allow hosts or devices to communicate successfully
• Protocols provide:
• The format or structure of the message
• The process by which networking devices share information about pathways to other networks
• How and when error and system messages are passed between devices
• The setting up and termination of communication sessions
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Protocol Suites and Industry Standards
• A standard is a process or protocol that has been endorsed by the networking industry and ratified by a standards organization.
• A protocol suite is a collection of protocols.
• Standards Organizations:
• IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers
• IETF - Internet Engineering Task Force
• ITU - International Telecommunications Union
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Technology Independent Protocols
• Diverse types of devices can communicate using the same sets of protocols. This is because network protocols specify network functionality, but not the underlying technology required to support this functionality.
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Computernetze 1 (CN1)
1.4 Das OSI Referenz Modell
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Open System Interconnection Reference Model
Application 7
Presentation 6
Session 5
Transport 4
Network 3
Data Link 2
Physical 1
Layer 5/6 Interface
Layer 4/5 Interface
Layer 3/4 Interface
Layer 2/3 Interface
Layer 1/2 Interface
Layer 6/7 Interface
Application 7
Presentation 6
Session 5
Transport 4
Network 3
Data Link 2
Physical 1
Layer 5/6 Interface
Layer 4/5 Interface
Layer 3/4 Interface
Layer 2/3 Interface
Layer 1/2 Interface
Layer 6/7 Interface
Layer 7 Protocol
Layer 6 Protocol
Layer 5 Protocol
Layer 4 Protocol
Layer 3 Protocol
Layer 2 Protocol
Layer 1 Protocol
Sender Receiver
Layer 2 Protocol
Intermediary Device
Layer 1 Protocol 1
2 2
1
Routing
Communication Link
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OSI Reference Model - Application Layer
Application 7
Presentation 6
Session 5
Transport 4
Network 3
Data Link 2
Physical 1
Communication Link
• Die Anwendungschicht verschafft den Anwendungen Zugriff auf das Netzwerk (zum Beispiel für Datenübertragung, E-Mail, Virtual Terminal, Remote Login, etc.). Der eigentliche Anwendungsprozess liegt oberhalb der Schicht und wird nicht vom OSI-Modell erfasst.
• Beispiele: DNS, FTP, HTTP, LDAP, NFS, NTP, SIP, SMTP, Telnet
Quelle: Wikipedia
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OSI Reference Model - Presentation Layer
Application 7
Presentation 6
Session 5
Transport 4
Network 3
Data Link 2
Physical 1
Communication Link
• Die Darstellungsschicht setzt die systemabhängige Darstellung der Daten (z.B. binäre Integer) in eine unabhängige Form um und ermöglicht somit den syntaktisch korrekten Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Systemen. Auch Aufgaben wie Datenkompression und Verschlüsselung gehören zur Schicht 6. Falls erforderlich, agiert die Darstellungs-schicht als Übersetzer zwischen verschiedenen Datenformaten, indem sie eine normierte Syntax wie z.B. ASN.1 oder XML verwendet.
• Beispiele: MIME, SSL, TLS
Quelle: Wikipedia
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OSI Reference Model - Session Layer
Application 7
Presentation 6
Session 5
Transport 4
Network 3
Data Link 2
Physical 1
Communication Link
• Die Kommunikationssteuerungsschicht oder Sitzungsschicht sorgt für die Prozess-kommunikation zwischen zwei Systemen. Um Zusammenbrüche der Sitzung und ähnliche Probleme zu beheben, stellt die Sitzungsschicht Dienste für einen organisierten und synchronisierten Datenaustausch zur Verfügung.
• Beispiele: Named Pipes, Sockets, RTP, Session establishment in TCP
Quelle: Wikipedia
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OSI Reference Model - Transport Layer
Application 7
Presentation 6
Session 5
Transport 4
Network 3
Data Link 2
Physical 1
Communication Link
• Zu den Aufgaben der Transportschicht zählen die Segmentierung von Daten-paketen, die Stauvermeidung (Congestion Avoidance), sowie optionale Fehlersicherung und Fehlerkorrektur. Die Transportschicht ist die unterste Schicht, die eine vollständige End-to-End Kommunikation zwischen Sender und Empfänger zur Verfügung stellt.
• Beispiele: TCP, UDP, SCTP, SPX, DDP
Quelle: Wikipedia
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OSI Reference Model - Network Layer
Application 7
Presentation 6
Session 5
Transport 4
Network 3
Data Link 2
Physical 1
Communication Link
• Die Vermittlungsschicht oder Netzwerk-schicht sorgt bei leitungsorientierten (connection-oriented) Diensten für das Schalten von Verbindungen und bei paketorientierten (connectionless) Diensten für die Weitervermittlung von Datenpaketen. Die Datenübertragung geht in beiden Fällen jeweils über das gesamte Kommunikations-netz hinweg und schließt die Wegesuche (Routing) zwischen den Netzknoten mit ein.
• Beispiele: IP, IPsec, ICMP, IGMP, OSPF, IPX, ATP
Quelle: Wikipedia
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Layer 3 Example: The Internet Protocol (IP)
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OSI Reference Model - Data Link Layer
Application 7
Presentation 6
Session 5
Transport 4
Network 3
Data Link 2
Physical 1
Communication Link
• Aufgabe der Sicherungsschicht ist es, eine zuverlässige, das heißt weitgehend fehlerfreie Übertragung zu gewährleisten und den Zugriff auf das Übertragungs-medium zu regeln. Dazu dient das Aufteilen des Bitdatenstromes in Blöcke (Frames) und das Hinzufügen von Sequenznummern und Prüfsummen. Fehlerhafte, verfälschte oder verlorengegangene Blöcke können vom Empfänger durch Quittungs- und Wieder-holungsmechanismen erneut angefordert werden.
• Beispiele: 802.3 Ethernet, 802.11 WLAN, ATM, Frame Relay, HDLC, PPP
Quelle: Wikipedia
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Layer 2 Examples: Different Data Link Media
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OSI Reference Model - Physical Layer
Application 7
Presentation 6
Session 5
Transport 4
Network 3
Data Link 2
Physical 1
Communication Link
• Die Bitübertragungsschicht stellt mechanische, elektrische und weitere funktionale Hilfsmittel zur Verfügung, um physikalische Verbindungen zu aktivieren bzw. zu deaktivieren, sie aufrechtzuerhalten und Bits darüber zu übertragen. Das können zum Beispiel elektrische Signale, optische Signale (Lichtwellenleiter, Laser), elektro-magnetische Wellen (drahtlose Netze) oder Schall sein.
• Beispiele: 802.3 Ethernet, 802.11 WLAN, RS-232, V.34, POTS, DSL, SDH
Quelle: Wikipedia
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Layer 1 Examples: Cables & Connectors
• Copper
• Fibre
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Representations of Signals on Physical Media
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Transmission Rate Units
Unit of Bandwidth Abbreviation Equivalence
Bits per second bps 1 bps = fundamental unit of bandwidth
Kilobits per second kbps 1 kbps = 1‘000 bps
Megabits per second Mpbs 1 Mbps = 1‘000‘000 bps
Gigabits per second Gbps 1 Gbps = 1‘000‘000‘000 bps
Terabits per second Tbps 1 Tbps = 1‘000‘000‘000‘000 bps
• Note: transmission rates are decimal (1 kbps = 1000 bps ) whereas storage capacity is binary (1 kbit = 1024 bits)
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Protocol Data Unit (PDU) / Service Data Unit (SDU)
Application 7
Presentation 6
Session 5
Transport 4
Network 3
Data Link 2
Physical 1
Layer 5/6 Interface
Layer 4/5 Interface
Layer 3/4 Interface
Layer 2/3 Interface
Layer 1/2 Interface
Layer 6/7 Interface
Application 7
Presentation 6
Session 5
Transport 4
Network 3
Data Link 2
Physical 1
Layer 5/6 Interface
Layer 4/5 Interface
Layer 3/4 Interface
Layer 2/3 Interface
Layer 1/2 Interface
Layer 6/7 Interface
Sender Receiver
L6 SDU
L5 SDU
L4 SDU
L3 SDU
L2 SDU
L1 SDU
L7 PDU
L7 SDU L7P
L6P
L6 PDU
L5P
L5 PDU
L4P
L4 PDU
L3P
L3 PDU
L2P
L2 PDU
L1P
L1 PDU
LnP: Layer n Protocol Control Information (PCI) consisting of Header and optional Footer or Trailer
Ln_PDU = Ln_PCI + Ln_SDU = Ln_PCI + L(n+1)_PDU
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Example: Digital Voice Transmission over Ethernet
Application 7
Presentation 6
Session 5
Transport 4
Network 3
Data Link 2
Physical 1
Layer 5/6 Interface
Layer 4/5 Interface
Layer 3/4 Interface
Layer 2/3 Interface
Layer 1/2 Interface
Layer 6/7 Interface
Application 7
Presentation 6
Session 5
Transport 4
Network 3
Data Link 2
Physical 1
Layer 5/6 Interface
Layer 4/5 Interface
Layer 3/4 Interface
Layer 2/3 Interface
Layer 1/2 Interface
Layer 6/7 Interface
Sender Receiver
Codec Data
Voice Samples
RTP
UDP
IP
Communication Link
RTP Codec Data
RTP Codec Data UDP
IP RTP Codec Data UDP
Codec Data
Voice Compression
MAC MAC
1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1
Preamble
0 0 1 0
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Addressing and Naming Schemes
• Each layer has its own and unique addressing and naming scheme
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Computernetze 1 (CN1)
1.5 Das TCP/IP Modell
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TCP/IP Protocol Suite
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TCP/IP Protocol Stack of a Webserver
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TCP/IP Reference Model
• Developed by the Advanced Research Projects Agency (ARPA) of the U.S. Department of Defence (DoD)
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Comparing the OSI and TCP/IP Models
• TCP/IP combines the upper three layers of the OSI model into a single Application Layer.
• Part of the OSI Session Layer (e.g. session management) has been integrated into the [TCP] Transport Layer.
• TCP/IP combines the lower two layers of the OSI model into a single Network Access Layer