Grundlagen Computernetze

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BENG-TKI 2005
Grundlagen
Computernetze
Einführung in die Welt der Rechnernetze
Prof. Jürgen Plate
15.03.2005
2
Inhaltsverzeichnis
1.
Einführung ............................................................................................................................ 5
1.1
Einführung..................................................................................................................... 5
1.2
ISO-Referenzmodell für die Datenkommunikation............................................................ 5
1.3
Paketvermittlung vs. Leitungsvermittlung.......................................................................10
2.
Logische Struktur von Netzen................................................................................................12
3.
Zugriffsverfahren..................................................................................................................14
3.1
ALOHA ..........................................................................................................................14
3.2
CSMA/CD ......................................................................................................................14
3.3
Token-Ring....................................................................................................................18
3.4
Token-Bus.....................................................................................................................20
4.
Übertragungsverfahren.........................................................................................................21
5.
Ethernet...............................................................................................................................24
5.1
Ethernet II.....................................................................................................................25
5.2
Novells 802.3 raw..........................................................................................................26
5.3
IEEE 802.2 und SNAP .....................................................................................................26
Erweiterungen für VLANS ......................................................................................................27
6.
5.4
Identifizierung des Ethernet-Interfaces ...........................................................................28
5.5
Signallaufzeiten, Slot Time .............................................................................................28
5.6
Einordnung Ethernet ins OSI-7-Schichten-Referenzmodell ...............................................31
5.7
Historisches ..................................................................................................................36
5.8
Entwicklung der Übertragungsmedien (IEEE 802.3) .........................................................37
5.9
Promiscous Mode..........................................................................................................40
5.10
Power over Ethernet .....................................................................................................40
Übertragungsmedien............................................................................................................43
6.1
Standard-Ethernet, 10Base5 ..........................................................................................45
6.2
AUI-Kabel (Transceiver-Kabel)........................................................................................47
6.3
Thinwire-Ethernet (Cheapernet), 10Base2 ......................................................................47
6.4
Twisted-Pair, 10BaseT....................................................................................................50
6.5
Lichtwellenleiter............................................................................................................57
6.6
Gigabit-Ethernet............................................................................................................66
6.7
Anzeige-LEDs ................................................................................................................69
6.8
Ethernetkarten konfigurieren unter Linux.......................................................................70
3
6.9
7.
Tabellen........................................................................................................................72
Störquellen ..........................................................................................................................75
7.1
Dämpfung.....................................................................................................................75
7.2
Begrenzung der Bandbreite............................................................................................76
7.3
Verzerrungen durch Laufzeit..........................................................................................77
7.4
Rauschen......................................................................................................................77
7.5
Reflexionen, Rückflussdämpfung, Nebensprechen...........................................................78
8.
Repeater, Bridge, Router.......................................................................................................84
8.1
Multiport-Repeater .......................................................................................................84
8.2
Hub ..............................................................................................................................84
8.3
Repeaterregel (5-4-3-Regel)...........................................................................................85
8.4
Lichtwellenleiter (10BaseF, FOIRL) und Sternkoppler.......................................................85
8.5
Bridge...........................................................................................................................86
8.6
Switch ..........................................................................................................................88
8.7
Router..........................................................................................................................93
8.8
Layer-3-Switching........................................................................................................104
8.9
Terminalserver............................................................................................................104
8.10
Gateway .....................................................................................................................105
8.11
Firewall-Rechner .........................................................................................................105
8.12
VLAN - virtuelle lokale Netzwerke.................................................................................109
9.
Twisted-Pair-Verkabelung ...................................................................................................118
9.1
Stecker und Buchsen ...................................................................................................118
9.2
Steckerbelegung und Adernfarben ...............................................................................118
9.3
Fehlerquellen und Fehlersuche ....................................................................................131
10.
Netz-Verkabelung und Netzplanung.................................................................................139
10.1
Netz-Verkabelung........................................................................................................139
10.2
Netzplanung ...............................................................................................................143
10.3
Netz-Dokumentation...................................................................................................150
11.
TCP/IP ............................................................................................................................155
11.1
Die TCP/IP-Protokolle ..................................................................................................157
11.2
ARP ............................................................................................................................158
11.3
IP - Internet Protocol ...................................................................................................160
11.4
ICMP - Internet Control Message Protocol ....................................................................175
11.5
UDP - User Datagram Protocol .....................................................................................177
11.6
TCP - Transmission Control Protocol .............................................................................178
4
11.7
PPP - Point to Point Protocol ........................................................................................194
11.8
IP Next Generation......................................................................................................196
11.9
Domain Name System (DNS) ........................................................................................204
11.10
12.
Netzwerkkonfiguration am Beispiel Linux..................................................................216
Höhere Protokolle...........................................................................................................236
12.1
DHCP und RADIUS .......................................................................................................236
12.2
SMTP ..........................................................................................................................241
12.3
POP ............................................................................................................................243
12.4
IMAP ..........................................................................................................................247
12.5
FTP .............................................................................................................................251
12.6
HTTP...........................................................................................................................259
13.
Weitverkehrsnetz, VoIP, Powerline, Funknetze .................................................................265
13.1
Übertragungsmedien für Weitverkehrsnetze ................................................................265
13.2
Voice over IP...............................................................................................................273
13.3
Powerline Communications .........................................................................................277
13.4
Funk-LAN-Technologie.................................................................................................279
13.5
Weitere Drahtlos-Verfahren.........................................................................................294
14.
Anhang...........................................................................................................................298
14.1
Literatur .....................................................................................................................298
14.2
RFC 1925: The Twelve Networking Truths .....................................................................300
5
1. Einführung
1.1
Einführung
Der Zusammenschluß von diversen Computern und Peripheriegeräten zu Netzen gewinnt immer
stärkere Bedeutung. Netze (Netzwerke) sind Verbindungssysteme, an die mehrere Teilnehmer zum
Zweck der Datenkommunikation angeschlossen sind.
Lokale Netze (LAN, Local Area Network) sind Netze in einem örtlich begrenzten Bereich (Raum,
Gebäude, Gelände), der sich im Besitz einer einzigen Organisation (z. B. Firma) befindet. Die
Verbindung mehrerer LAN-Segmente erfolgt über Koppelelemente (Hubs, Switches, Bridges, Router,
etc.).
Weitverkehrsnetze (WAN, Wide Area Network) sind Netze, die über weitere Entfernungen reichen
(Stadt, Land, Welt). Die einzelnen Netze können über Router oder Gateways miteinander gekoppelt
werden und dabei auch öffentliche Kommunikationsnetze nutzen.
Jegliche Kommunikation zwischen zwei Partnern ist an bestimmte Voraussetzungen gebunden. Zum
einen muß die Hardware der Partner und der Datenübertragungseinrichtungen über kompatible
Schnittstellen verfügen und zum anderen müssen Vereinbarungen über die Art und Weise des
Informationsaustausch getroffen werden (Protokolle). Zur Festlegung von Schnittstellen und
Protokollen gibt es zahlreiche Standards (nationale und internationale Normen, Firmenstandards).
Wie definiert die ISO (International Standardisation Organisation) ein LAN? "Ein lokales Netz (LAN) ist
ein Netz für bitserielle Übertragung von Informationen zwischen untereinander verbundenenen
unabhängigen Geräten. Das Netz unterliegt vollständig der Zuständigkeit des Anwenders und ist auf
ein Grundstück begrenzt." Es werden also nicht nur Computer miteinander vernetzt, sondern auch
andere Geräte wie Drucker, Monitore, Massenspeicher, Kontrollgeräte, Steuerungen, Fernkopierer
und anderes. Der Unterschied eines LAN zu anderen Netzen wird von der ISO durch folgende
Eigenschaften festgelegt: begrenzte Ausdehnung, hohe Datenübertragungsrate, geringe Fehlerrate,
dezentrale Steuerung, wahlfreier Zugriff und die Übertragung von Datenblöcken.
Kern der Datenkommunikation ist der Transport der Daten, also die Datenübertragung von einem
Sender mittels eines Übertragungskanals zu einem Empfänger. Die zu übertragenden Daten werden
im Rhythmus eines Sendetaktes auf das Übertragungsmedium gegeben. Damit die Information
korrekt wiedergewonnen werden kann, muß am Empfangsort eine Abtastung der Signale zum
richtigen Zeitpunkt erfolgen. Normalerweise verwendet man dazu eine Codierung, die eine
Rückgewinnung des Taktes aus dem Signal erlaubt. Auf diese Weise kann sich der Empfänger
jederzeit auf den Takt des Senders synchronisieren.
1.2
ISO-Referenzmodell für die Datenkommunikation
Eine wesentliche Forderung in der Datenfernverarbeitung ist das Zusammenschalten
unterschiedlicher Stationen (verschiedener Hersteller). Dazu ist eine Schematisierung und Gliederung
des Kommunikationsprozesses in wohldefinierte, hierarchische Ebenen (Schichten, Layers)
notwendig. Es erfolgt eine Zuordnung der einzelnen Kommunikationsfunktionen zu bestimmten
6
logischen Schichten. Wird in einer Schicht eine Anpassung (Änderung, Erweiterung) vorgenommen,
bleiben die anderen Ebenen davon unberührt.
ISO (International Standards Organisation) hat für offene Netze ein 7-Schicht-Modell, das OSI-Modell
(OSI = Open Systems Interconnection), geschaffen. Dieses Modell liegt nahezu allen
Kommunikationsgeräten und -Verfahren zugrunde (zur Not werden vorhandene Protokolle in das
Schema von ISO/OSI gepreßt). Im OSI-Modell werden die grundsätzlichen Funktionen der einzelnen
Ebenen und die Schnittstellen zwischen den Ebenen festgelegt. So ergibt sich eine universell
anwendbare logische Struktur für alle Anforderungen der Datenkommunikation verschiedener
Systeme.
Das OSI-Model liefert
•
Eine Basis für die Interpretation existierender Systeme und Protokolle in der SchichtenPerspektive (wichtig bei Änderungen).
•
Eine Referenz für die Entwicklung neuer Kommunikationsverfahren und für die Definition
neuer Protokolle, also eine Grundlage für kompatible Protokolle.
Wesensmerkmale der hierarchischen Schichtenstruktur bei Rechnernetzen sind:
•
Das Gesamtsystem wird in eine geordnete Menge von Teilsystemen gegliedert.
•
Teilsysteme des gleichen Ranges bilden eine Schicht (engl. Layer).
•
Die einzelnen Schichten liegen entsprechend ihrer hierarchischen Rangordnung
übereinander.
•
Eine hierarchisch tieferliegende Schicht dient der Erfüllung der Kommunikationsfunktion der
jeweils übergeordneten Schicht.
•
Jede Schicht stellt definierte Dienste bereit. Diese Dienste realisieren bestimmte
Kommunikations- und Steuerungsaufgaben.
Die einzelnen Schichten stellen somit definierte Schnittstellen zu ihren Nachbarn bereit (Schicht 4 hat
z. B. Schnittstellen zu den Schichten 3 und 5). Die Kommunikation findet nur über diese Schnittstellen
statt (in der Grafik senkrecht).
Die rein logische Kommunikation zwischen den beteiligten Stationen A und B erfolgt jedoch auf der
Basis gleicher Schichten (in der Grafik waagrecht, mit '.' gekennzeichnet). Lediglich bei Schicht 1
handelt es sich um eine physikalische Verbindung.
7
Aufgabe der einzelnen Schichten:
•
Die Schichten 1 - 4 werden der Transportfunktion zugeordnet
•
Die Schichten 5 - 7 werden den Anwenderfunktionen zugeordnet
Zunächst eine kurze Beschreibung der einzelnen Schichten. Dabei ist auch der zur Schicht gehörende
Datenblock gezeigt. Jede Schicht kann (muß aber nicht) die Daten mit einem eigenen Header (bzw.
Datenrahmen) versehen, der zur Kommunikationssteuerung auf dieser Schicht dient. Der Datenblock
einer Schicht (mit Rahmen) wird von der Schicht als reine Nutzdaten betrachtet, sie kann so auch an
dem Header der übergeorneten Schicht nichts ändern.
•
7. Anwendungs-Schicht (Application) Verbindung zum Anwenderprogramm und Dialog mit
den Programmen. Eine Standardisierung ist hier noch in weiter Ferne. Es gibt aber eine Reihe
von grundsätzlichen Diensten, die angeboten werden müssen:
o
Austausch von Dateien, d. h. Dateizugriffsdienste über das Netz. Für das eigentliche
Anwenderprogramm ist nicht erkennbar, ob auf eine Datei lokal oder über das Netz
zugegriffen wird.
8
o
Verwaltungsprotokolle für Benutzerzugang, Dateizugriffsrechte, elektronische Post,
usw.
o
Remote Job Entry, d. h. absetzen von Rechenaufträgen an entfernte Systeme
o
Virtuelle Terminals, d. h. Umleitung der Ein-/Ausgabe eines Programms auf dem
fernen Rechner an den lokalen Bildschirm und die lokale Tastatur.
o
Message-Handling-Systeme: Austausch und Verwaltung von Mitteilungen an
Benutzer anderer Systeme.
Die Schicht 7 besteht also trotz ihres Namens nicht aus den eigentlichen Anwenderprogrammen diese setzen auf dieser Schicht auf. Das kann einerseits direkt geschehen, z. B. beim Zugriff auf
Dateien eines anderen Rechners (Datei-Server) andererseits auch nur durch (lokale) Übergabe von
Dateien an das Message-Handling-System.
•
6. Darstellungs-Schicht (Presentation) Hier werden für die Anwendung die Daten
interpretiert. Überwachung des Informationsaustausches und Codierung/Decodierung (z. B.
EBCDIC in ASCII) der Daten sowie Festlegung der Formate und Steuerzeichen. Diese Schicht
bildet oft eine Einheit mit der Anwendungsschicht oder sie fehlt ganz, falls sie nicht benötigt
wird. Hier können z. B. "virtuelle Terminals" eingebunden werden. Wie wir früher schon
besprochen haben, besitzen Terminals ganz unterschiedliche Codes für die Tastatur und die
Steuerung der Darstellung auf dem Bildschirm. In Schicht 6 können diese Codes in einen
einheitlichen Code übersetzt werden.
•
5. Kommunikationssteuerung (Session) Diese Ebene steuert die Aufbau, Durchführung und
Beendigung der Verbindung. Überwachung der Betriebsparameter, Datenfluß-Steuerung (bei
Bedarf mit Zwischenspeicherung der Daten), Wiederaufbau der Verbindung im Fehlerfall und
Synchronisation. Der Verbindungsaufbau ist ein bestätigter Dienst, d. h. beide Partner
tauschen Parameterübergabe und Bestätigung im Wechselspiel aus. Danach befinden sich
beide Partner in einem definierten Zustand.
Das trifft nicht für die nächste Phase, den Datentransfer zu. Es ist aus Zeitgründen z. B. nicht
sinnvoll nach dem Senden eines Datenblocks auf die Bestätigung zu warten. Es wird gleich
der nächste Block geschickt und die Bestätigungen laufen zeitversetzt ein (immerhin muß
alles die Schichten 4 - 1 durchlaufen). Durch sogenannte "Synchronisation Points" wird die
Datentransferphase in Abschnitte unterteilt. Bei einer Störung oder Unterbrechung kann der
Transfer an einen definierten Punkt wieder aufgenommen werden.
Beide Partner können den Verbindungsaufbau beenden. Das kann ordnungsgemäß nach
Beendigung aller Transfers geschehen (Ende mit Synchronisation) oder durch Unterbrechen
der Verbindung (Ende ohne Synchronisation).
In diese Ebene fallen auch das Ein- und Ausgliedern von Stationen beim Token-Ring und die
Adressierung eines bestimmten Partners.
•
4. Transport (Transport) Reine Transportfunktion. Diese Schicht stellt sicher, daß alle
Datenpakete den richtigen Empfänger erreichen. Aufbau der Datenverbindung zwischen zwei
Partnern, Datentransport, Flußkontrolle, Fehlererkennung und -korrektur. Diese Schicht
verbirgt die Charakteristika des Netzes (LAN, WAN, ...) vor den darüberliegenden Schichten.
Die Transportschicht kann z. B. auch bei einer Forderung nach höherem Datendurchsatz
9
mehrere Verbindungen zum Parner aufbauen und die Daten in Teilströmen leiten
(splitting/combining). Auch das Aufteilen der Daten in passende Blöcke und die Flußkontrolle
obliegen dieser Schicht. Die Dienste der Transportschicht werden in fünf Klassen
unterschieden:
•
•
o
Klasse 0 ist die einfachste. Es findet gegenüber der Schicht 3 keine Fehlerkontrolle
statt und einer Transportverbindung enspricht genau eine Netzverbindung.
o
In der Klasse 1 kommt zwar keine Fehlerbehandlung hinzu, es wird jedoch versucht,
von der Schicht 3 gemeldete Fehler zu beheben und nicht an die Schicht 5
weiterzuleiten. Z. B. kann bei Unterbrechung der Transportverbindung versucht
werden, diese wieder aufzubauen, ohne daß dies oberhalb der Schicht 4 bemerkt
wird.
o
Klasse 2 kann mehrere Transportverbindungen aufbauen (Multiplexverbindung). In
diesem Fall darf die Netzverbindung erst dann getrennt werden, wenn die letzte
Transportverbindung abgebaut ist.
o
Klasse 3 deckt die Leistungen der Klassen 1 und 2 ab, d. h. einfache
Fehlerbehandlung und Multiplexen.
o
Klasse 4 enthält neben den Funktionen der Klasse 3 zusätzliche Mechanismen zur
Fehlererkennung und -behandlung. Speziell bei Datagramm-orientieren Netzen (LAN)
kann so ein verbindungsorientierter Dienst bereitgestellt werden (Sicherstellen von
Vollständigkeit, Eindeutigkeit und Reihenfolge der Datenblöcke).
3. Vermittlung-/Paket-Schicht (Network) Diese Ebene dient hauptsächlich der DatenpaketÜbertragung. Sie ist zusändig für die Wahl der Datenwege (routing), für das Multiplexen
mehrerer Verbindungen über einzelne Teilstrecken, für Fehlerbehandlung und Flußkontrolle
zwischen den Endpunkten einer Verbindung (nicht zwischen den Anwenderprozessen).
Die Flußkontrolle auf dieser Ebene schützt den Endpunkt einer virtuellen Verbindung für
Überlastung. Die Fehlerbehandlung in dieser Schicht bezieht sich nicht auf
Übertragungsfehler (dafür ist Schicht 2 ausreichend), sondern auf Fehler, die bei der
virtuellen Verbindung auftreten: Erkennen und Beseitigen von Duplikaten, Beseitigen
permanent kreisender Blöcke, wiederherstellen der richtigen Datenpaket-Reihenfolge, usw.
Bei WANs behandelt diese Schicht die Umsetzung eines Protokolls in ein anderes
(internetworking). Man kann daher die Schicht 3 in drei Teilschichten unterteilen:
o
3a (Subnetwork Access): Abwickeln der Protokolle des jeweiligen Teilnetzes.
o
3b (Subnet Enhancement): Funktionen der Teilnetze so ergänzen, daß die
Anforderungen von 3c erfüllt werden.
o
3c (Internetworking): Teilnetzunabhängige Protokolle abwickeln (Routing, globale
Adressierung)
2. Sicherungs-Schicht (Data Link) Sicherstellen einer funktionierenden Verbindung zwischen
zwei direkt benachbarten Stationen. Diese Schicht stellt einen definierten Rahmen für den
Datentransport, die Fehlererkennung und die Synchronisierung der Daten zur Verfügung.
10
Typische Protokolle: BSC, HDLC, usw. Die Information wird in Blöcke geeigneter Länge
unterteilt, die als Datenrahmen (frames) bezeichnet werden und mit Prüfinfo für die
Fehlererkennung und -korrektur versehen werden.
Auf dieser Ebene erfolgt auch die Flußkontrolle für die Binärdaten. Es muß nicht jeder
einzelne Rahmen bestätigt werden, sondern es kann auch eine vorgegebene Maximalzahl
von Frames gesendet werden, bevor die Bestätigung abgewartet werden muß. Über die
Bestätigung der Gegenstation wird der Datenfluß gesteuert. Datenrahmen und
Bestätigungen müssen also nur innerhalb eines Bereichs ("Fenster") liegen. Bei lokalen
Netzen wird diese Schicht nochmals unterteilt:
•
o
2a (Media Access Control, MAC): Regelt den Zugriff auf das Übertragungsmedium
o
2b (Logical Link Control, LLC): Vom übertragungsmedium abhängige Funktionen der
Schicht 2
1. Bitübertragung (Physical) Hier erfolgt die physikalische Übertragung der Daten. Diese
Ebene legt die elektrischen, mechanischen, funktionalen und prozeduralen Parameter für die
physikalische Verbindung zweier Einheiten fest (z. B. Pegel, Modulation, Kabel, Stecker,
Übertragungsrate, etc.)
Veranschaulichung des Schichtenmodells mit einem Beispiel
Das Beispiel arbeitet nur mit drei Schichten. Die Ausgangssituation besteht in zwei Wissenschaftlern
in Arabien und China, die ein Problem diskutieren wollen. Nun sprechen beide nur Ihre
Landessprache und auch Dolmetscher, die Arabisch und Chinesisch können, sind nicht aufzutreiben.
Beide suchen sich nun Dolmetscher, die Englisch können. Der Weg der Nachrichten:
1.3
Paketvermittlung vs. Leitungsvermittlung
Hier soll kurz erklärt werden, wie die zu übertragenden Informationen in den meisten Netzen von
einem auf den anderen Rechner kommen. Die Daten werden paketweise übertragen. Man spricht
daher von einem paketvermittelten Netz. Zur Veranschaulichung ein Gegenbeispiel und ein Beispiel:
11
•
Im Telefonnetz wird für jedes Gespräch eine Leitung zwischen zwei Gesprächspartnern
benötigt. Diese Leitung bleibt auch belegt, wenn keine Information übertragen wird, also
keiner spricht. Hier handelt es sich um ein leitungsvermitteltes Netz.
•
Im Briefverkehr wird dagegen ganz anders vorgegangen. Wenn Informationsübertragung
ansteht, wird ein Brief geschrieben und dieser mit einer Adresse versehen. Sodann wird
dieses Informationspaket dem Netz überlassen, indem man es in einen Briefkasten wirft. Das
örtliche Postamt entscheidet dann aufgrund der Empfängeradresse, ob der Brief direkt an
den Empfänger (wenn dieser also im Versorgungsbereich dieses Postamtes wohnt)
auszuliefern ist, oder durch Einschalten von mehr oder weniger Zwischenstationen. In der
Regel findet der Brief dann ein Postamt, das die Auslieferung des Briefes an den Empfänger
aufgrund der Adresse vornehmen kann. Schwierigkeiten bei der Auslieferung können dem
Absender aufgrund der Absendeadresse mitgeteilt werden.
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2. Logische Struktur von Netzen
In diesem Abschnitt wird ganz knapp die logische Struktur von Netzen behandelt, also die Art und
Weise, wie die einzelnen Stationen miteinander verbunden werden. Bei der Verkabelung von LANs
muß man aber zwischen logischer Stuktur und Verkabelungsstruktur unterscheiden, z. B. kann ein
Netz mit logischer Busstruktur bei der Verkabelung mit 'Twisted Pair'-Kabeln wie ein Sternnetz
aussehen.
Sternstruktur
Alle Teilnehmer werden an einen zentralen Knoten angeschlossen (früher z. B. häufig Anschluß von
Sichtgeräten an einen Zentralrechner). Eine direkte Kommunikation der Teilnehmer untereinander ist
nicht möglich, jegliche Kommunikation läuft über den zentralen Knoten (Punkt-zu-Punkt-Verbindung,
Leitungsvermittlung). Die Steuerung der Kommunikation vom Knoten aus ist sehr einfach: Polling
(regelmäßige Abfrage aller Stationen) oder Steuerung über Interrupt. Bei Ausfall der Zentrale sind
sämtliche Kommunikationswege unterbrochen.
Ringstruktur
Es gibt keine Zentrale, alle Stationen sind gleichberechtigt. Jeder Teilnehmer verfügt über einen
eigenen Netzanschluß (Knoten) und ist über diesen mit seinem linken und rechten Partner
verbunden. Die Übertragung der Info erfolgt in einer Richtung von Knoten zu Knoten. Bei Ausfall
eines Knotens sind sämtliche Kommunikationswege unterbrochen.
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Busstruktur
Es gibt keine Zentrale und keine Knoten. Die Verbindung aller Teilnehmer erfolgt über einen
gemeinsamen Übertragungsweg. Zu einem Zeitpunkt kann immer nur eine Nachricht über den Bus
transportiert werden. Bei Ausfall einer Station bleibt die Kommunikation der anderen Stationen
erhalten. Bei den Bussystemen kann man noch unterscheiden in Basisband-Bussysteme und
Breitband-Bussysteme. Bei Basisband-Bussystemen werden die elektrischen Pegel direkt übertragen;
bei den für uns interessanten digitalen Informationen also 0- und 1-Pegel. Bei BreitbandBussystemen werden über das Kabel mehrere unabhängige Kanäle geleitet (modulierte
Übertragung). Busnetze müssen auf beiden Seiten mit der Leitungsimpedanz abgeschlossen werden,
damit keine Echos auftreten, die zu Empfangsfehlern führen.
vermaschte Struktur
Jeder Teilnehmer ist mit mehreren anderen verbunden. Es gibt keine Zentrale und es existieren
mehrere, unabhängige Übertragungswege zwischen zwei Stationen. Manchmal gibt es keine direkte
Verbindung zwischen zwei Stationen. Dann führt der Weg über eine oder mehrere andere Stationen.
Je nach Bedarf können die o. g. Topologien auch miteinander kombiniert werden, z. B. Bus mit
angeschlossenen Sternen oder Bus mit angeschlossenen Bussen, was zu einer Baumstruktur führt.
Insbesondere bei Weitverkehrsnetzen (WAN) treten vermaschte Strukturen auf. Teilweise ergeben
sich dabei redundante Leitungswege, die auch bei Unterbrechung eines Wegs den Datentransport
sicherstellen.
14
3. Zugriffsverfahren
Bei jedem Netz gibt es die physikalischen Verbindungswege (Kanäle), über welche die einzelnen
Stationen miteinander kommunizieren. Die Art und Weise, wie die einzelnen Stationen diese Kanäle
nutzen und belegen, hängt vom jeweiligen System des Zugriffs, dem Zugriffsverfahren, ab. In diesem
Abschnitt werden die unterschiedlichen Zugriffsverfahren im Überblick besprochen, wobei nicht auf
die Protokolle eingegangen wird. Das Zugriffsverfahren ist nicht von einer bestimmten logischen
Netzwerkstruktur abhängig. Lassen Sie uns zu Beginn ein historisch interessantes Verfahren mit ein
paar Sätzen würdigen, das Ausgangspunkt für die Entwicklung der heute üblichen Zugriffsverfahren
war.
3.1
ALOHA
Dieses Verfahren ist eines der ältesten Zugriffsverfahren und wurde 1970 an der Universität von
Hawaii entwickelt ("Aloha" = "Hallo"). Da man die Inseln nicht über Kabel verbinden konnte, hat man
ein Funknetz aufgebaut. Die Grundidee ist recht einfach: Jede Station darf jederzeit senden. Danach
wartet die sendende Station auf eine Bestätigung auf einem separaten Rückkanal. Senden zwei
Stationen zur gleichen Zeit, treten Kollisionen auf - die Datenblöcke sind defekt und es erfolgt keine
Bestätigung. Wurde eine Bestätigung empfangen, kann bei Bedarf weitergesendet werden. Im
anderen Fall wartet jede Sendestation eine Zeitspanne, deren Länge zufällig bestimmt wird. Danach
wird der Datenblock nochmals gesendet. Da die Wartezeit von einem Zufallsgenerator bestimmt
wird, löst sich der Datenstau auf. Solange das Verhältnis von aktiver Sendezeit zu Leerlaufzeit hoch
genug ist, arbeitet das System sehr gut. Sobald die "Netzlast" steigt, häufen sich Kollisionen, bis
schließlich kein Datenblock mehr durchkommt. Der höchste Durchsatz ergibt sich, wenn die
Sendeblöcke 18% der Gesamtzeit belegen. Zwei Jahre später wurde eine Verbesserung eingeführt:
Slotted ALOHA. Jeder darf nun nur noch zu Beginn eines festgelegten Zeitintervalls mit dem Senden
beginnen ("time slot"). Um nun alle Stationen zu synchronisieren, gibt es eine ausgezeichnete
Station, die "Zeitmarken" senden darf. Die anderen Stationen synchronisieren sich mit diesem
Markengeber. Der maximale Durchsatz wird hier bei einem Sendeanteil von knapp 36% erreicht.
ALOHA wird immer noch bei manchen Formen der Kommunikation über Satelliten verwendet.
3.2
CSMA/CD
Die Abkürzung "CSMA/CD" steht für "Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect". Dieses
Verfahren findet häufig bei logischen Busnetzen Anwendung (z. B. Ethernet), kann aber prinzipiell bei
allen Topologien eingesetzt werden. Bevor eine Station sendet, hört sie zunächst die Leitung ab, um
festzustellen, ob nicht schon ein Datenverkehr zwischen anderen Stationen stattfindet. Erst bei freier
Leitung wird gesendet und auch während der Sendung wird mitgehört, um festzustellen, ob eine
Kollision mit einer Station auftritt, die zufällig zum gleichen Zeitpunkt mit dem Senden begonnen hat
(Collision Detect). Bei allen Leitungen ist eine gewisse Laufzeit (siehe später) zu berücksichtigen, so
daß auch dann eine Kollision auftritt, wenn zwei Stationen um eine geringe Zeitspanne versetzt mit
dem Senden beginnen. In einem solchen Fall produzieren alle sendenden Stationen ein JAM-Singal
auf der Leitung, damit auf jeden Fall alle beteiligten Sende- und Empfangsknoten die Bearbeitung des
aktuellen Datenpakets abbrechen.
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Das JAM-Signal besteht aus einer 32 Bit langen Folge von 1010101010101010... Danach warten alle
sendewilligen Stationen eine zufallsbestimmte Zeit und versuchen es dann nochmals. Alle Stationen
im Netz überprüfen die empfangenen Datenpakete und übernehmen diejenigen, die an sie selbst
adressiert sind. Wichtigster Vertreter für CSMA/CD ist das Ethernet, dem deshalb ein eigener
Abschnitt gewidmet ist. Normalerweise tritt eine Kollision innerhalb der ersten 64 Bytes auf
(Weiteres in Kapitel 4, "Slot Time").
16
Konfliktparameter k:
k>1: Sender könnte eine ganze Nachricht an den Kanal übergeben, bevor ein Konflikt entsteht. Beim
CSMA/CD-Verfahren inpraktikabel.
k<1: CSMA/CD-Verfahren praktikabel
Spezifikation: Bei größter zulässiger Netzlänge und kleinster zulässiger Paketlänge ergibt sich k~0,21.
Wartezeit
Die Wartezeit, die nach einer Kollision bis zum nächsten Sendeversuch vergeht, wird im Standard
durch ein Backoff-Verfahren festgelegt (Truncated Binary Expotential Backoff). Es wird wie folgt
definiert:
Wartezeit = ZZ * T
ZZ = Zufallszahl aus [0 < ZZ < 2 n]
n = Anzahl Wiederholungen des gleichen Blocks, jedoch maximal 10
T = Slot Time
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Die Slot Time entspricht der doppelten maximalen Signallaufzeit des Übertragungsmediums. Die
Wartezeit steigt im statistischen Mittel nach 10 Versuchen nicht mehr an. Nach 16 Versuchen wird
abgebrochen und eine Fehlermeldung erzeugt.
Damit eine sendende Station eine Kollision sicher erkennen kann, muß die Dauer der
Blockübertragung mindestens das Doppelte der Signallaufzeit zwischen den beiden beteiligten
Stationen betragen. Somit ist die minimale Blocklänge abhängig von Signallaufzeit und
Übertragungsrate. Das Rahmenformat von CSMA/CD ist nach IEEE 802.3 festgelegt. Neben
Verkabelungsproblemen gibt es bei CSMA/CD-Netzen einige typische Fehlerquellen. Einige davon
sollen hier kurz vorgestellt werden.
•
'Late Collisions' sind Kollisionen, die außerhalb des Kollisionsfensters von 512 Bit, also später,
auftreten. Dafür gibt es generell drei Ursachen: Entweder eine Station mit Hardwaredefekt
(Netzwerkinterface, Transceiver, etc.), ein Fehler in der Software (Treiber), wodurch sich die
Station nicht an die CSMA/CD-Konventionen hält (Senden ohne Abhören), oder die
Konfigurationsregeln für die Kabellänge sind nicht eingehalten worden (zu lange
Signallaufzeit).
•
Sendet eine Station ohne Unterbrechung längere Zeit, also Frames mit mehr als die maximal
zugelassenen 1518 Bytes, dann bezeichnet man dies als 'Jabber' (zu deutsch 'Geplapper').
Hauptursache sind hier defekte Netzwerkkarten oder -Treiber.
•
'Short Frames' sind Frames, die kleiner als die minimal zugelassenen 64 Bytes sind. Grund
hierfür sind auch Defekte beim Netzwerkinterface oder im Treiber.
•
'Ghost Frames' sind in Ihrer Erscheinung ähnlich einem Datenframe, haben jedoch Fehler
schon im Start-Delimiter. Potentialausgleichsströme und Störungen, die auf das Kabel
einwirken, können einem Repeater ein ankommendes Datenpaket vorspiegeln. Der Repeater
sendet das Geisterpaket dann weiter ins Netz.
18
3.3
Token-Ring
Dieses Netz wurde von IBM entwickelt. Alle Rechner sind hintereinandergeschaltet und somit
ringförmig verbunden. Im "Ruhezustand" (keine Station will senden) zirkuliert eine spezielle
Nachricht im Netz, das sogenannte "Token" (genauer "Frei-Token", "free token"). Diese Nachricht
wird von einem Rechner an den nächsten weitergegeben. Der Rechner, der im Besitz des Frei-Tokens
ist, kann senden, indem er an dieses die Nachricht anhängt ("busy token"). Dieser Datenblock wird
von Station zu Station weitergereicht, bis sie beim Empfänger angekommen ist. Der Empfänger
bestätigt die Nachricht durch eine Acknowledge-Meldung, die mit dem Token weiter auf den Ring
geschickt wird und schließlich wieder beim Absender eintrifft. Dieser schickt nun wieder ein FreiToken auf die Reise.
In der Regel berechtigt der Besitz des Tokens nur zur Sendung eines Blocks (non exhaustive), im
anderen Extremfall könnte auch definiert werden, daß die Station soviele Datenblöcke senden kann,
wie sie möchte (exhaustive). Damit könnte aber eine Station, die den Token besitzt, alle anderen
dominieren. Normalerweise wird deshalb nur ein Block gesendet. Außerdem wird die Dauer der
Sendeberechtigung befristet (Token Holding Time, z. B. 10 ms). Solange das Netz fehlerfrei
funktioniert, stellt Token-Ring ein sehr einfach handzuhabendes Verfahren dar. Komplexer sind die
Aufgaben beim Initieren des Netzes und beim Ein- oder Auskoppeln von Stationen. Token-Ring ist das
einzige Netz mit aktiven Stationen, die aus Eingabe- und Ausgabeeinheit bestehen. Grundsätzlich
sind alle Stationen gleichberechtigt, jedoch übernimmt eine von ihnen als "aktiver Monitor"
besondere Überwachungsaufgaben im Netz. Eine andere Station überwacht als "passiver Monitor"
den aktiven Monitor und kann gegebenenfalls dessen Aufgaben übernehmen. Die Aufgaben des
aktiven Monitors sind:
•
Erzeugen des Ringtaktes
•
Überwachen des Tokens (Neuen Token erzeugen, falls er verloren geht, Verhindern mehrerer
Tokens)
•
Unterbinden permanent kreisender Blöcke oder Tokens erhöhter Priorität. (Generell: Ring
säubern durch Senden eines "Purge Ring Frame" an alle Stationen und Erzeugen eines neuen
Frei-Tokens).
•
Verhindern, daß mehrere Monitore aktiv sind.
19
•
Verzögerung des Token-Rahmens um 24 Bit-Zeiten (die Länge des Token-Rahmens beträgt 24
Bit). Auch bei extrem kleinem Ring wird so sichergestellt, daß eine Station den TokenRahmen vollständig senden kann, bevor sie ihn wieder empfängt.
In regelmäßigen Abständen sendet der aktive Monitor einen "Active Monitor Present Frame" an alle
Stationen im Ring. Gleichzeitig wird dadurch eine Prozedur in Gang gesetzt, die allen Stationen die
Adresse des jeweiligen Vorgängers im Ring liefert (NAUN = Nearest Active Upstream Neighbour) eine Information, die nur im Fehlerfall wichtig ist. Ein Fehler auf Empfangsseite bedeutet, daß der
eigene Empfänger oder der Sender des NAUN defekt ist. Die Auswahl des aktiven Monitors geschieht
per "Claim-Token Process" durch:
•
den derzeit aktiven Monitor, wenn dieser Probleme bei der Durchführung seiner Aufgaben
hat,
•
einen passiven Monitor, wenn der aktive Monitor nicht korrekt arbeitet (z. B. Timeout
auftritt).
•
eine neu eingegliederte Station, wenn diese das Fehlen des aktiven Monitors feststellt.
Token-Ring-Netze werden normalerweise als Stern-Ring-Verbindungen mit passiven
Ringleitungsverteilern aufgebaut. In den Ringleitungsverteilern befinden sich Relais (die von den
Stationen gesteuert werden) zur Eingliederung von Stationen und zur Schaltung von Ersatzringen bei
Defekten.
Die Eingliederung einer Station erfolgt in fünf Schritten:
1. Ist ein Adapter vom Ring getrennt, sind gleichzeitig Eingangs- und Ausgangsleitung
kurzgeschlossen. Es erfolgt zunächst ein Adaptertest. Nach dem Test versorgt der Adapter
die Relais mit Strom und wird in den Ring eingegliedert.
2. Die Station hört nun den Ring ab. Wenn sie innerhalb einer festgelegten Zeit keine Aktivität
des aktiven Monitors wahrnimmt, startet sie den Prozeß zur Auswahl des aktiven Monitors.
3. Durch Aussenden eines "Duplicate Address Test Frame" prüft die Station die Eindeutigkeit
ihrer Adresse. Ist sie nicht eindeutig, koppelt sich die Station wieder ab.
4. Durch den NAUN-Prozeß erfährt die Station die Adresse ihres Vorgängers und ist nun ins
Netz eingegliedert.
5. Von den Voreinstellungen abweichende Parameter können nun bei einer Server-Station
abgefragt werden, sofern dies nötig ist.
20
Die Funktionen von Monitor und der eingegliederten Stationen müssen nicht nur einmalig initiiert,
sondern auch ständig überwacht werden. In vielen Fällen sind dies zahlreiche Aktionen, die auch
viele Blöcke auf dem Netz zur Folge haben und in deren Verlauf auch Fehler- und
Ausnahmebedingungen auftreten können. Der Nachteil von Token-Ring liegt darin, daß beim Ausfall
einer Station oder bei Kabeldefekten das Netz unterbrochen wird. Wird die defekte Station hingegen
abgeschaltet, schalten die Relais im Ringleitungsverteiler die Leitung durch. Token Ring ist genormt
nach IEEE 802.5.
3.4
Token-Bus
Auch beim Token-Bus wird der Zugriff über Token-Passing geregelt, nur besitzt das Netz Bus- oder
Baumstruktur. Hier haben wir also den Fall, daß eine logische Ringstruktur auf eine physikalische
Busstruktur aufsetzt. Das Verfahren wird z. B. beim ARCNET und in der industriellen Automatisierung
(MAP = Manufacturing Automation Protocol) verwendet. Anders als beim Token-Ring empfangen alle
Stationen auf dem Bus die Daten. Daher wird die Reihenfolge der Stationen nicht durch die
hardwaremäßige Verbindung, sondern rein logisch durch die Adreßzuordung erledigt. Die Tokens
werden von der Station mit der höchsten Adresse an diejenige mit der nächstniedrigeren
weitergereicht. Die Station mit der niedrigsten Adresse schließt den logischen Ring durch
Adressierung auf die höchste Adresse Token Bus ist genormt nach IEEE 802.4.
21
4. Übertragungsverfahren
Bei der Übertragung von Daten in lokalen Netzen verwendet man generell Basisbandübertragung.
Die Übertragungsleitung nimmt zwei (manchmal auch drei) Zustände (Pegel) abhängig von den zu
übertragenden Binärwerten an.
Bei Weitverkehrsnetzen wird teilweise auch modulierte Übertragung verwendet, wobei die
Binärwerte einem höherfrequenten Signal (Sinusträger) aufmoduliert werden. Modulierte
Übertragung findet man beispielsweise beim Datentransfer über die Telefonleitung, bei
Satellitenverbindungen oder bei Breitband-Kabelnetzen.
In diesem Text betrachten wir nur Netze mit Basisband-Übertragung. Es wird eine Codierung
verwendet, die eine Rückgewinnung des Taktes aus dem Signal erlaubt. Bei lokalen Netzen kommen
hauptsächlich drei Codes zur Abbildung der Binärwerte auf die Leitungszustände zum Einsatz:
Ethernet: Manchester-Code
"1": 0->1-Übergang in Bitmitte
"0": 1->0-Übergang in Bitmitte
Abhängig vom Wechsel der Zustände ist noch ein zusätzlicher Übergang am Anfang jedes Bits nötig.
Über die Zeit gemittelt hat das Signal keinen Gleichstromanteil.
Token-Ring: Differential Manchester
Auch hier gibt es einen Übergang in der Bitmitte, jedoch nur bei einer folgenden "0" einen Übergang
am Bitanfang. Je nach Anfangspegel ergeben sich zwei mögliche, zueinander inverse Signalfolgen.
FDDI (Glasfaser, Fiber Distributed Data Interface): NRZI (non return to zero inverted)-Code
"0": Zu Beginn der Bitperiode Zustandswechsel (0->1 oder 1->0) "1": keine Änderung des Pegels.
22
Den Manchester-Verfahren ist gemeinsam, daß sie eine Rückgewinnung des Taktes aus dem Signal
erlauben. Der NRZ-Code erlaubt keine Taktrückgewinnung, da bei ungünstigen Bit-Folgen unter
Umständen lange Zeit kein Zustandswechsel eintritt. Daher ist dieser Code nur brauchbar, wenn
vorher eine Bit-Umwandlung vorgenommen wird.
Dies leistet zum Beispiel die 4B/5B-Umwandlung (4 binary 5 binary), bei der jeweils ein 4-Bit-Block
(Nibble) in einen 5-Bit-Block derart umgewandelt wird, daß in jedem 5-Bit-Block maximal zwei
aufeinanderfolgende Nullen vorkommen.
Ursprüngliche Umgewandelte
Bitfolge
Bitfolge
(4-Bit-Block) (5-Bit-Block)
0000
11110
0001
01001
0010
10100
0011
10101
0100
01010
0101
01011
0110
01110
0111
01111
1000
10010
1001
10011
1010
10110
23
1011
10111
1100
11010
1101
11011
1110
11100
1111
11101
Die 4B/5B-Umwandlung mit anschließender NRZI-Kodierung wird bei Fast-Ethernet 100Base-FX und
beim FDDI-Verfahren eingesetzt.
Die 8B/10B-Umwandlung (8 binary 10 binary) sieht ähnlich aus wie die 4B/5B-Umwandlung. Hier
werden jedoch 8-Bit-Blöcke in 10-Bit-Blöcke umgewandelt. Die 8B/10B-Umwandlung wird bei
Gigabit-Ethernet 1000Base-CX, -SX, -LX und beim Fibre-Channel eingesetzt. Alle für die Übertragung
gültigen Kombinationen sind derart aufgebaut, dass 5 mal die "0" und 5 mal die "1" vorkommt, um
Gleichstromfreiheit zu garantieren. Außerdem weisen diese Kombinationen mindestens 3
Zustandswechsel auf (von "0" nach "1" oder umgekehrt), um auf Empfängerseite die
Taktrückgewinnung zu gewährleisten.
Bei der 8B/6T-Kodierung (8 binary 6 ternary) wird ein 8-Bit-Block in einen 6T-Code umgewandelt.
Jeder 6T-Code besteht aus 6 sogenannten"Tri-State-Symbolen", die als "-", "0" und "+" notiert
werden. Übertragungstechnisch verbirgt sich hinter jedem der drei Symbole ein entsprechender
elektrischer Pegel. Die Kodierung wird anhand einer Tabelle durchgeführt, die sämtliche 256
möglichen 8-Bit-Kombinationen enthält. Während 4B/5B nur eine Bit-Umwandlung darstellt, die
noch eine anschließende Kodierung (NRZI oder MLT-3) erforderlich macht, beinhaltet 8B/6T bereits
die komplette Kodierungsvorschrift. Die folgende Tabelle zeigt einen kleinen Ausschnitt der 8B/6TCodes.
Bitfolge
8B6T-Code
00000000
+- 0 0 + -
00000001
0 +- + - 0
...... ..
......
00001110
-+ 0 - 0 +
...... ..
......
11111110
-+ 0 + 0 0
11111111
+0 - + 0 0
Derzeit ist Fast-Ethernet 100BASE-T4 das einzige Verfahren, bei dem die 8B/6T-Kodierung eingesetzt
wird.
Beim Kodierungsverfahren 5-Level Pulse Amplitude Modulation (PAM5) wird pro Takt ein Symbol
übermittelt, das einen von fünf verschiedenen Zuständen (-2, -1, 0, +1, +2) darstellt. Mit jedem
Symbol werden zwei Bits übertragen. Da es vier verschiedene 2-Bit-Grupen ("00", "01", "10" und
"11") gibt, bleibt noch ein Symbol übrig, das für Fehlerbehandlung eingesetzt werden kann. Die
PAM5-Kodierung wird bei Fast-Ethernet 100Base-T2 und bei Gigabit-Ethernet 1000Base-T
verwendet.
24
5. Ethernet
"Ja, aber ich würde lieber den Bus nehmen. Es gibt nichts schöneres auf der Welt als einen Bus."
Charles, Prince of Wales, als er gefragt wurde, ob er die Reise mit der königlichen Segelyacht nach Tobruk genossen habe.
Der zur Zeit am weitesten verbreitete Standard für lokale Netze ist Ethernet. Er geht auf gemeinsame
Spezifikationen von Intel, DEC und Xerox zurück. Der Name (Ether = Äther) weist noch auf die ersten
Funknetze (ALOHA) hin. Die Datenübertragung erfolgt mit dem CSMA/CD-Verfahren. Auf dem
Ethernet können verschiedene Protokolle laufen, z. B. TCP/IP, DECnet, IPX/SPX (Novell), etc.
Das Ethernet besteht physikalisch aus verschiedenen Typen von 50-Ohm-Koaxkabeln oder paarweise
verdrillten Leitungen (Twisted-Pair), Glasfasern, oder anderen Medien (siehe nächsten Abschnitt).
Die Datenrate beträgt typisch 100 MBit/s (früher 10 MBit/s, 1000 MBit/s läuft an). Die wichtigsten
Eigenschaften nach der ursprünglichen Spezifikation sind:
Datenrate:
10 MBit/s
Maximale Länge des gesamten Netzes: 2500 m
Maximale Zahl der Knoten:
1024
Medium:
Koaxkabel, Basisbandübertragung
Zugriffsverfahren:
CSMA/CD
Datenprotokoll:
Frames variabler Größe
Die Daten werden in Paketen gesendet und mit Verwaltungsinfo zu Beginn und CRC-Prüfinfo am
Ende versehen (Ethernet-Frame). Ethernet basiert, wie andere Netze auch, auf einer Sammlung von
Medium- und Protokollspezifikationen. Zuunterst liegt die physische Ebene; sie umfaßt neben der
Verkabelung auch die Signalerzeugung und -kodierung. Als Ethernet von DEC, Intel und Xerox aus der
Taufe gehoben wurde, gab es nur eine Verkabelungsart, der heutige Ethernet-Standard kennt eine
Vielfalt von Topologien. Ethernet-Anwender müssen bei der Vernetzung nicht nur zwischen den
Protokollen auf den höheren Schichten wie TCP/lP und IPX/SPX unterscheiden, sondern auch noch
den richtigen Ethernet-Frame wählen. 'Server not found' oder ähnliche Fehlermeldungen stellen sich
manchmal selbst dann ein, wenn alle Ethernet-Treiber auf Workstation und Server korrekt geladen
sind und keine Kabelprobleme bestehen. Der Grund liegt nicht selten darin, daß Ethernet nicht gleich
Ethernet ist. Gleich vier verschiedene Dialekte sind heute in Gebrauch, die erschwerenderweise
ziemlich inkonsistent benannt sind. Kein anderes lokales Netz weist diese Eigentümlichkeit auf. Groß
sind die Unterschiede nicht; sie beschränken sich auf ein paar Bytes in den übertragenen
Datenpaketen (Frames) und lassen sich in der Regel durch einfache Konfigurationsänderungen der
Netztreiber regulieren. Die elektrischen Anschlußbedingungen im weitesten Sinne sind für die
verschiedenen LAN-Typen standardisiert. Es handelt sich dabei um die Standards des IEEE (Institute
of Electrical and Electronic Engineers, USA). Das IEEE ist eine internationale Vereinigung, die sich mit
allen wesentlichen Aspekten der Elektrotechnik beschäftigt. Verbindlich für lokale Netze sind die
25
Empfehlungen des Subkomitees mit der Kurzbezeichnung 802. Eine relativ neu gegründete Runde
beschäftigt sich mit drahtlosen LANS (802.11). Physikalisch handelt es sich bei Ethernet immer um
einen Bus, an den die Stationen elektrisch parallel angeschlossen sind. Das klassische Ethernet
benutzt als Medium das yellow cable, ein dickes, vierfach abgeschirmtes Koaxkabel. Die beiden
Enden des Kabels sind mit an den Wellenwiderstand des Kabels (50 Ohm) angepaßten Widerständen
abgeschlossen, um Reflexionen zu vermeiden. Wenn eine Station nun Daten an eine andere senden
will, schickt sie digitale Signale auf Reisen. Diese Signale breiten sich vom Anschlußpunkt der Station
nach beiden Seiten hin gleichmäßig aus. Irgendwo auf dem Weg liegt dann der Empfänger, der die
Signale am Kabel abgreifen kann und für die weitere Nutzung aufbereitet. Unabhängig davon
wandern die Signale jedoch weiter, bis sie die Leitungsenden des Ethernet-Kabels erreicht hat. Dort
wird ihre Energie vollständig von den Abschlußwiderständen aufgenommen, so daß es nicht zu
Reflexionen kommt.
Nach einer gewissen Zeit, die aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signale und der Entfernung
der sendenden Station zu den beiden Kabelenden resultiert, sind die Signale 'verschwunden' und das
Kabel wieder frei. Dieses Prinzip liegt allen Ethernet-Varianten zugrunde. Es gibt jedoch Unterschiede
in der Topologie des Netzes und beim verwendeten Kabel.
Die Daten werden in Paketen, sogenannten 'Frames' zusammengefaßt. Jedes Paket trägt zu Beginn
Verwaltungsinformationen (z. B. Absender- und Empfängerstation, Länge, etc.) und nach den
Nutzdaten schließt sich eine Prüfinformation an. Leider gibt es keinen einheitlichen Frame, sondern
entwicklungsgeschichtlich bedingt Frames mit unterschiedlichem Aufbau. Es gab bereits EthernetInstallationen, lange bevor dieses Netz unter der Nummer 802.3 vom IEEE (Institute of Electrical and
Electronics Engineers) standardisiert wurde. Was Novell eigenmächtig als 'Ethernet 802.3'
bezeichnet, ist jedoch etwas anderes.
5.1
Ethernet II
Eine der ältesten Framestrukturen ist Ethernet II. Charakteristisches Merkmal von Ethernet II ist das
Typfeld, das aus zwei Bytes im Anschluß an die Start- und Zieladressen besteht und der
Unterscheidung verschiedener höherer Protokolle dient. Alle anderen Formate enthalten hier eine
Längeninformation. Die Unterscheidung der anderen Frames von einem Ethernet-II-Frame kommt
dadurch zustande, daß dessen Typ-Nummer immer größer ist als die maximale Paketgröße von 1518
Bytes (Z.B. 0800h für IP, 8137h für IPX, 0600h für XNS oder 809Bh für AppleTalk). Ein Datenpaket
besteht aus 576 bis 12208 Bits und hat folgenden Aufbau:
Frame Ethernet Version 2.0
Bitfolge
Bitfolge
1010101010... 10101011
Preamble
SFD
Etherne t-Frame, min. 64 Bytes, max. 1518 Bytes
6 Byte
Dest.Addr.
6 Byte
2
Source- Byte
Addr. Type
min. 46 Bytes, max. 1500 Bytes
Daten
Inter
Frame
4
Gap
Byte 9,6μs
FCS
Die Präambel dient zur Synchronisation, sie besteht aus einer Folge von '10101010'-Bytes. Der SFD
hat an der letzten Stelle eine '1' (10101011). Die Längen der einzelnen Teile (in Byte) sind in der
Grafik eingetragen. Sind weniger als 46 Datenbytes zu übertragen, muß mit Füllbits ergänzt werden,
um die minimale Slot-Time zu erreichen.
26
5.2
Novells 802.3 raw
Als Novell Netware und das IPX/SPX-Protokoll auf den Markt brachte, war Ethernet noch nicht
endgültig standardisiert. Die Netware-Entwickler warteten aber weder die Standardisierung ab, noch
benutzten sie das gängige Ethernet-II-Format. Nein, Novell dachte sich für IPX einen eigenen
Rahmentyp aus. Dieser Pakettyp enthält keine Protokollkennung wie Ethernet II, kann also allein IPX
transportieren. Zu allem Überfluß benannte Novell diese proprietäre Lösung auch noch nach einer
IEEE-Arbeitsgruppe '802.3'.
Wie kann ein Rechner oder Router ein solches Novell-Paket aus anderen herausfiltern, die ebenfalls
nach Start- und Zieladresse eine Längeninformation tragen? Gegenüber 'Ethernet II' werden die
beiden Bytes der Protokoll-ID für die Rahmenlänge genutzt. Der einzige weitere Unterschied besteht
darin, daß allein im 'Novell-802.3'-Paket zwei Bytes folgen, die nur aus Einsen bestehen (FF, FF).
Prinzipiell ist das Gespann IPX-'802.3' also auch in heterogenen Umgebungen mit vielen Routern
einsetzbar, erfordert aber immer einen gewissen Extra-Aufwand. Novell geht die Sache inzwischen
etwas vorsichtiger an und nennt sein IPX-Spezial-Ethernet offiziell '802.3 raw'. Wir empfehlen, dem
Rat von Novell neueren Netware-Installationsprogrammen und -Handbüchern zu folgen und das
standardisierte 'Ethernet 802.2'-Format zu verwenden. Hinter Novells Bezeichnung 'Ethernet 802.2'
verbirgt sich das eigentlich waschechte 802.3-Format. Aber '802.3' hatte Novell bereits vergeben,
und die Verwechslungsgefahr mit dem 'raw'-Format wäre zu groß geworden. Man übernahm daher
einfach die Bezeichnung des IEEE-802.2-Protokollheaders, den die IEEE-802.3-Spezifikation
vorschreibt und der den Unterschied zu Novells Alleingang ausmacht.
Frame Ethernet 802.3 raw
Bitfolge
Bitfolge
1010101010... 10101011
Preamble
SFD
Etherne t-Frame, min. 64 Bytes, max. 1518 Bytes
6 Byte 6 Byte
2 Byte 2 Byte
Dest.- SourceLength 0xFFFF
Addr. Addr.
Daten
Inter
Frame
4 Gap
Byte 9,6μs
FCS
Frame IEEE 802.3
Bitfolge
Bitfolge
1010101010... 10101011
Preamble
5.3
SFD
Etherne t-Frame, min. 64 Byte, max. 1518 Byte
6 Byte 6 Byte
1
1
2 Byte
1 Byte
Dest.- SourceByte Byte
Length
Control
Addr. Addr.
DSAP SSAP
min. 42 Bytes, max. 1497
Bytes
Daten
Inter
Frame
4 Gap
Byte 9,6μs
FCS
IEEE 802.2 und SNAP
Bis zu Novells Entscheidung für die Verwendung von '802.2' als Default-Typ gab es kaum
Anwendungen dieser Ethernet-Variante - abgesehen von der weiter unten beschriebenen SNAPErweiterung. Das IEEE-Gremium ersetzte das Typ-Feld von Ethernet II durch eine Längenangabe und
ergänzte das Paket durch einen 802.2-Header von drei weiteren Bytes. Als Ersatz für das alte Typfeld
mit der Protokoll-ID fungieren der 'Destination-' und der 'Source Service Access Point' (DSAP und
27
SSAP); hinzu kommt ein 'Control Field', das manche Protokolle für Verwaltungszwecke benötigen. Ein
offensichtlicher Nachteil der 802.2-Definition gegenüber Ethernet II war die Limitierung der TypCodes auf ein Byte, zumal die Hälfte der möglichen 256 Werte von Anfang an reserviert war(z. B. 04
für IBM SNA oder 06 für IP).
Frame IEEE 802.3 SNAP
Bitfolge
Bitfolge
1010101010... 10101011
Preamble
SFD
Inter
Frame
6 Byte 6 Byte
1
1
5
min. 38 Bytes, max.
4 Gap
2 Byte
1 Byte
Dest.- SourceByte Byte
Byte
1492 Bytes
Byte 9,6μs
Length
Control
Addr. Addr.
DSAP SSAP
SNAP
Daten
FCS
Daher folgte beinahe unweigerlich eine baldige Erweiterung: Das 'Sub Network Access Protocol'
(SNAP) sorgte für Abhilfe. Diese 802.2-Erweiterung mit der eigenen Protokoll-ID AAh stellt weitere
fünf Bytes für die Protokoll-Identifikation des darüberliegenden Protokolls bereit, davon drei für eine
Herstellerkennung. Der bekannteste Nutznießer hiervon ist AppleTalk. Auch die Millionenschar der
TCP/IP-Anwender könnte ihre Ethernet-II-Pakete mit der zwei Byte langen Protokoll-ID dank SNAP in
ein IEEE-konformes Format bringen - doch TCP/lP funktioniert auch ohne Standard und den
zusätzlichen Protokoll-Overhead. Da TCP/lP eine von anderen Transportprotokollen unerreichte
Bedeutung gewonnen hat (man denke allein an das Internet), empfiehlt es sich, wenn irgend
möglich, durchgehend den Frame-Typ Ethernet II einzurichten. Häufig erzwingen die Gegebenheiten
auch die weitere Berücksichtigung von Ethernet 802.3: Einige ältere, auf NetWare spezialisierte IPXPrintserver zum Beispiel mögen keinen anderen Rahmentyp. Der von Novell zur Zeit als Default-Typ
verwendete 802.2 hat nur dann Berechtigung, wenn statt TCP/lP und IPX andere OSI-Protokolle zum
Einsatz kommen sollen.
Erweiterungen für VLANS
Im Abschnitt über virtuelle LANS wird noch eine weitere Expansion des Datenrahmens zur
Anwendung kommen, das sogenannte "tagged" Format. Der Vollständigkeit halber sollen auch dieser
Frames hier aufgeführt werden, näheres dann im VLAN-Abschnitt.
Frame Ethernet Version 2.0 tagged (VLAN)
Bitfolge
Bitfolge
1010101010... 10101011
Preamble
SFD
6 Byte
Dest.Addr.
6 Byte
4
2
Source- Byte Byte
Addr. Tag Type
Daten
Inter
Frame
4
Gap
Byte 9,6μs
FCS
Frame IEEE 802.3 tagged (VLAN)
Bitfolge
Bitfolge
1010101010... 10101011
Preamble
SFD
Etherne t Frame tagged min. 68 Byte, max. 1522 Byte
6 Byte 6 Byte 4
1
1
2 Byte
1 Byte
Dest.- Source- Byte
Byte Byte
Length
Control
Addr. Addr. Tag
DSAP SSAP
min. 42 Bytes, max.
1497 Bytes
Daten
Inter
Frame
4 Gap
Byte 9,6μs
FCS
28
MTU
Die Abkürzung MTU steht für "Maximum Transmission Unit" und beschreibt die maximale Größe der
Nutzdaten die in einem Datenpaket übertragen werden können. Ein Standard-Ethernetframe hat
eine Maximalgröße von 1518 Bytes. Davon beanspruchen Header und Prüfsumme 18 Bytes. Somit
verbleiben genau 1500 Byte für Nutzdaten (s. oben). Die MTU beträgt also 1500 Byte.
Beim Internetzugang via DSL kommt auf der Verbindung zum DSL-Modem häufig das Protokoll PPPoE
(Point-to-Point-Protocol over Ethernet) zum Einsatz. PPPoE beansprucht in jedem Frame zusätzlich 8
Bytes zur Übertragung von Verbindungsinformationen. Die MTU reduziert sich daher bei der
Verwendung von PPPoE von 1500 auf 1492 Bytes.
Durch den Einsatz weiterer Protokolle bei einigen Providern, kann sich die MTU noch weiter
verringern. Je nach Provider schwankt die MTU zwischen 1400 und 1492. Normalerweise wird die
richtige MTU bei der Verbindung zum Provider automatisch eingestellt. Eine manuelle Einstellung
einer zu größen MTU führt zu Verbindungsproblemen. Unter Linux kann die MTU für ein Interface
mit dem Kommando ifconfig eth0 mtu <wert> eingestellt werden.
5.4
Identifizierung des Ethernet-Interfaces
Jeder Ethernet-Adapter kann über seine in der Hardware verankerte Adresse eindeutig identifiziert
werden. Diese Adresse besteht aus einem 3-Byte-Herstellercode und einer ebenfalls 3 Byte (24 Bit)
langen laufenden Seriennummer. Auf diese Weise ist eine eindeutige Adressierung möglich - was
aber auch bedeutet, daß die logische Adresse durch die Netzwerksoftware in eine Hardwareadresse
umgesetzt werden muß. Die Angabe der Adresse erfolgt normalerweise sedezimal (hexadezimal),
wobei zur besseren Lesbarkeit die einzelnen Bytes durch '.' oder ':' getrennt werden, z. B.
20:08:AA:10:00:CF. Diese Adresse wird auch gerne MAC-Adresse genannt. Bei einigen Interfaces,
insbesondere bei vielen WLAN-Karten, kann die Adresse auch per Software konfiguriert werden
(Speicherung im EEPROM).
5.5
Signallaufzeiten, Slot Time
Bei jedem Kabel gibt es eine Konstante, welche die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektrischen
Signale in dem Kabel angibt. Die Maximalgeschwindigkeit, die Lichtgeschwindigkeit c, wird jedoch nie
erreicht. Die Ausbreitungszeit für elektromagnetische Wellen ist abhängig vom Medium:
29
AusbreitungsMedium
faktor
1.00
Vakuum
0.77
Koax-Kabel
0.60
Twisted-pair-Kabel
Aber wozu ist dieser Wert bei Netzen interessant? Nehmen wir als Beispiel für die folgenden
Berechnungen das 10Base2-Ethernet-Kabel.
Nehmen wir nun an, daß zwei Stationen A und B, die sich an gegenüberliegenden Enden des
Kabelsegments befinden. Die Station A sendet zum Zeitpunkt t ein Datenpaket ab. Die Station B
sendet ihrerseits zum Zeitpunkt t + (T - dt), also kurz bevor das Signal von A bei B ankommt. Damit A
die Kollision erkennen kann, vergeht nochmals die Zeit (T - dt), also insgesamt t + 2*(T - dt).
Für den Grenzfall können wir dt gegen 0 gehen lassen, woraus folgt, daß die Dauer der Übertragung
eines Datenblocks mindestens 2*T betragen muß, damit eine Kollision bei CSMA/CD sicher erkannt
wird. Ein Datenblock muß also mindestens diese Zeit 2*T zur Übertragung benötigen.
Die kleinste erlaubte Packetgrösse von 64 Byte benötigt bei 10Base2 51.2 µs, um komplett gesendet
zu werden.
Ein Signal, das 51.2 µs dauert, legt im Coax-Medium folgende Strecke zurück:
0.77 * 3 * 108 = 231 * 106 m/s
231*106 * 51.2*10-6 = 11827.20 m = 11.82 km
Das 64-Byte-Ethernetpacket benötigt also für die Strecke von 2 * 2,5 = 5 km im idealen Fall nur etwa
die Hälfte der minimalen Übertragungsdauer von 51.2 µs. - die LAN-Sepzifikation beinhaltet somit
eine Sicherheitsreserve um dem CSMA/CD-Protokoll des Ethernet auch im realen Fall zu genügen.
Das ideale Beispiel ist sehr weit von der Realität entfernt. Es liefert jedoch ein Gefühl für die
Zeiträume, mit denen beim Ethernetverkehr gerechnet wird. Für jeden Planer eines Netzes ist es
wichtig, möglichst genau den "worst case" seines Netzes zu kennen, damit sicher gestellt ist, daß die
Kollisionsbehandlung korrekt arbeitet. Dazu werden die jeweils am weitesten entfernten
Netzwerkdevices einer Kollisionsdomäne betrachtet. Hierbei ist sowohl die Entfernung, als auch die
zwischen Ihnen liegende Netzhardware zu beachten.
Entsprechend jedem physikalischen Element auf der Strecke zwischen den Netzwerk-Devices (Hinund Rückweg) werden bestimmte Werte addiert. Dies sind die sogenannten "Bitzeiten", die
spezifisch für jede Hardware sind. Diese Bitzeiten sind entweder aus der Literatur oder der jeweiligen
Herstellerbeschreibung zu entnehmen. Aber nicht immer findet man alle Werte; dann muß man
allgemeingültige Werte benutzen, z. B. 8 Bitzeiten für einen Repeater. Diese Zahl soll das Zeitintervall
repräsentieren, die ein Repeater benötigt um das Ethernetpaket weiterzuleiten.
Ist jede auf der Strecke befindliche Hardware in die Rechnung eingeflossen, so erhält man den Round
Trip Delay (RTD). Der RTD muß unter einem definierten Schwellwert liegen. Dieser Schwellwert von
30
51,2 µs entspricht 512 Bitzeiten. Zur Erinnerung: das kleineste Paket hat 64 Byte = 512 Bit Länge.
Dieser Wert wird auch als "Slot-Time" bezeichnet.
Das Kabel zwischen AUI (Attachment Unit Interface) und MAU (Media Attachment Unit) hat
abweichende Spezifikationen (Twisted-Pair, jeweils für Senden und Empfangen getrennt,
abgeschirmt), seine Maximallänge beträgt 50 m, die Mindestsignalausbreitungsgeschwindigkeit
beträgt 0,65*c = 195000 km/s. Daraus folgt eine maximale Laufzeit von 0,05/195000 s = 0,256
Mikrosekunden.
Da sich maximal drei 10Base2-Netzsegmente über Verstärker (Repeater) verbinden lassen, ergibt sich
eine Maximallänge von 1500 m, und so eine Laufzeit von 13 Mikrosekunden. Dabei ist noch zu
berücksichtigen, daß bis zu sechs Transceiverkabel beteiligt sein können (je eines an den Stationen
und je zwei an den beiden Repeatern). Die maximale Verzögerung ist hier also 3,08 Mikrosekunden.
Wenn man noch die Zeiten für die Collisionserkennung im Ethernet-Interface und weitere
Hardwareparameter berücksichtigt, kommt man auf die im Ursprungsdokument von 1980
angegebene maximale Laufzeit von 45 Mikrosekunden.
Zu lange Kabel, zuviele hintereinandergeschaltete Repeater, aber auch das Ausreizen der im
Standard angegebenen Parameter kann durchaus im Zusammenspiel mit Komponenten, die am
Rande der Toleranzgrenze liegen, zu Fehlfunktionen führen. Daher sollte man die angegebenen
Längen immer unterschreiten. Auch bei der Planung von Netzen ist zu berücksichtigen, daß Kabel
niemals in "Luftlinie" verlegt werden und die Kurven und Schleifen in den Kabelkanälen sich schnell
addieren.
Nicht verkleinern läßt sich jedoch der Overhead, der durch die Verwaltungsinformation im EthernetFrame (Adressen, Control-Info) entsteht. Der Overhead wird umso kleiner, je größer der
Nutzdatenanteil ist. Die folgende Tabelle zeigt die Abhängigkeit von Overhead und Nutzdaten
(berechnet):
Im folgenden Diagramm ist der prozentuale Overhead gegen die Nutzdaten-Bytes aufgetragen.
31
5.6
Einordnung Ethernet ins OSI-7-Schichten-Referenzmodell
Layer
Aufgabe
7 bis
4
Application
Presentation
Session
Transport
Später weitere Erläuterungen
3
Network
Wegewahl,
Vermittlung
2
Data Link
Zusammenfassung der Bits in Blöcke (Bytes, Frames), Flußsteuerung,
Reihenfolgesicherung Fehlererkennung in Blöcken und Korrektur
1
Physical
mechanische Charakteristika (z.B. Pin-Belegung, etc.), elektrische,
elektromagnetische, akustische, optische Charakteristika,
Übertragungsart (z.B. analog/digital, synchron/asynchron, Modulation
etc.)
Ethernet und IEEE 802.3 sind im OSI-7-Schichten-Modell in der zweiten Schicht angesiedelt, wobei
man diese Schicht beim IEEE802.3 zusätzlich einmal unterteilt in die Schichten 2a: Media Access
Control (MAC) und 2b: Logical Link Control (LLC).
32
Der Ethernet-Standard umfaßt Schicht 1 des OSI-Modells (Physikalische Schicht) und den unteren Teil
von Schicht 2, der Verbindungsschicht. Dieser Teil wird MAC (Media Access Control) genannt. MAC
und LLC (Logical Link Control) füllen zusammen Schicht 2 aus. Der Standard ist in drei Unterebenen
eingeteilt. Von oben sind dies die eben genannte MAC und in Schicht 1 "PLS" (Physical Signaling)
sowie "PMA" (Physical Medium Attachment). Die Schnittstelle zwischen ihnen ist auch im Standard
definiert. Die Verbindung zwischen Medium und PMA wird "MDI" (Medium Dependent Interface)
genannt. Die Einheit zwischen PMA und PLS wird mit "AUI" (Attachment Unit Interface) bezeichnet.
"MDI" ist der Anschluß zum Netzkabel.
33
MAC (Media Access Control)
Die MAC-Ebene hat zwei Funktionen. Die eine ist die Datenhandhabung und umfaßt die
Paketverwaltung (Datenaufbereitung, Adressierung und Fehlerkontrolle). Die andere ist die
Zugangskontrolle, die dafür sorgt, daß die Pakete ohne Kollisionen ins Netz gelangen. Zudem
handhabt die Zugangskontrolle die Kollisionen, die trotzdem entstehen. Die Datenhandhabung auf
der MAC-Ebene arbeitet mit zwei Dienstprimitiven zur LLC: "Request" und "Indication". Request wird
von der LLC generiert und ist die Anforderung nach Übertragung von Daten der eigenen LLC zur LLC
in einer anderen Station. Parameter sind Zieladresse, Dateneinheit und Dienstklasse. Indication ist
ein Hinweis an die LLC, daß MAC ein ankommendes Paket entgegengenommen hat. Hier sind die
Parameter Zieladresse, Quelladresse, Dateneinheit und Empfangsstatus. Die Kollisionshandhabung
benutzt mehrere Mechanismen. Beim Senden arbeitet ein Prozeß, der "Deference" (defer:
nachgeben) genannt wird. Dieser kontrolliert, ob eine Aktivität im Kabel stattfindet (Carrier Sense). In
diesem Fall beginnt ein Deferring-Zustand. Wenn das Kabel frei ist, wird eine Verzögerung von einem
"inter frame spacing" initiiert und ein eventuell wartendes Paket losgeschickt. Wenn eine Kollision
eintritt, wird ein Störungssignal gesandt, wonach die Sendung abgebrochen wird und der BackoffProzeß startet (siehe vorhergehendes Kapitel). Die Aufgaben der MAC-Ebene können wie folgt
zusammengefaßt werden:
1. Sendet Frames, indem sie:
a. Daten von der LLC entgegennimmt,
b. kontrolliert, ob ein PAD-Feld notwendig ist, und wenn ja, dieses erzeugt und es am
Ende anfügt,
c. kontrolliert, daß das Frame ganze Bytes enthält (daß die Anzahl der Bits ein
ganzzahliges Vielfaches von 8 ist), die CRC berechnet (CRC = Cyclic Redundancy Check
= Polynomprüfsumme) und am Ende als FCS (Frame Check Sum) ablegt,
d. Preamble, Start Frame Delimiter und Adreßfeld am Anfang hinzufügt,
e. das ganze Frame in serieller Bitform an die PLS schickt.
2. Empfängt Frames, indem sie:
a. ein Frame nach dem anderen in serieller Bitform von der PLS akzeptiert,
b. untersucht, ob die Zieladresse mit der lokalen Station übereinstimmt (individuelle
Adresse, Gruppenadresse oder Broadcast),
c. kontrolliert, daß das Frame ausreichend lang ist, daß er ganze Bytes enthält und daß
die CRC stimmt,
d. Preamble, SFD (Starting Frame Delimiter) und Adreßfeld abschneidet, das Längenfeld
liest und eventuelle PAD-Bytes abschneidet,
e. Daten an die LLC schickt.
3. Vermeidet Kollisionen und hält einen ausreichenden Abstand zwischen Frames im Medium
aufrecht indem sie:
34
a. vom Senden absieht, wenn das Medium belegt ist,
b. wenn das Medium frei wird, einen festgesetzten Zeitraum (Inter Frame Gap)
abwartet, ehe mit der Sendung begonnen wird.
4. Handhabt Kollisionen, indem sie, wenn die Station während des Sendens eine solche
feststellt:
a. ein Störsignal in Form eines zufälligen Bitmusters von einer bestimmten Länge (Jam
Size) sendet, damit die Betroffenen Stationen die Kollision entdecken können,
b. eine Zufallzahl generiert und in dem Zeitraum nicht sendet (Backoff), der von der
Zufallszahl vorgegeben wird,
c. wenn das Medium frei ist, nach dieser Zeit sendet,
d. wenn eine neue Kollision stattfindet den Versuch mehrmals bis zu einer
vorgegebenen Höchstgrenze wiederholt (Attempt Limit) und dann gegebenenfalls
eine Fehlernachricht generiert.
MAC-Adressen als physikalische Adressen
Die Aufgabe der MAC-Adresse liegt darin, die miteinander kommunizierenden Stationen eindeutig zu
identifizieren. MAC-Adressen haben eine feste Länge von 48 bit. Mit einer MAC-Adresse wird der
physikalische Netzanschluß oder Netz-Zugriffspunkt einer Station adressiert. Sie heißt daher auch
physikalische Adresse. Eine Station kann durchaus mehrere MAC-Adressen haben, wenn es über
mehrere Netzanschlüsse verfügt.
In manchen Dokumentationen ist zu lesen, dass es für Ethernet ganz spezielle, sogenannte EthernetAdressen gäbe. Dies ist absolut falsch. Alle bekannten Zugriffsverfahren der MAC-Schicht (wie z.B.
CSMA/CD bzw. Ethernet, Token Bus, Token Ring, FDDI) verwenden einheitlich das im folgenden
beschriebene MAC-Adressformat mit 48 bit langen MAC-Adressen.
I/G U/L OUI
OUA
1 bit 1 bit 22 bit
24 bit
I/G = 0:
Individual-Adresse (Unicast Address), die genau ein Interface identifiziert.
I/G = 1:
Gruppen-Adresse (Multicast Address), die eine Gruppe von Interfaces identifiziert (nur als ZielAdresse, nicht als Quell-Adresse möglich).
U/L = 0:
universelle Adresse (weltweit eindeutig und unveränderbar).
U/L = 1:
35
lokale Adresse (lokal veränderbar).
Für die Festlegung von universellen Individual-Adressen werden von IEEE für die Bits 3 bis 24
weltweit eindeutige Werte vergeben und den Herstellern zugewiesen. Man bezeichnet eine solche
Bitfolge daher als Organizationally Unique Identifier (OUI). Da bei universellen Individual-Adressen
stets I/G = 0 und U/L = 0 gilt, werden diese beiden Bits häufig in den OUI mit einbezogen, so dass der
OUI die ersten beiden Oktette der MAC-Adresse darstellt. Die Werte für die restlichen Bits 25 bis 48
werden von den Herstellern vergeben. Eine solche Bitfolge heißt daher Organizationally Unique
Address (OUA). Die MAC-Schicht einer Station, das einen MAC-Rahmen empfängt, vergleicht die
MAC-Zieladresse des Rahmens mit seiner eigenen MAC-Adresse und gibt den Inhalt des Rahmens nur
dann an die höherliegenden Schichten weiter (LLC oder Schicht 3), wenn beide Adressen
übereinstimmen. Ansonsten wird der Rahmen verworfen. Die MAC-Schicht beinhaltet also eine
Filterfunktion für MAC-Adressen.
Für die Darstellung von MAC-Adressen verwendet man am besten die kanonische Form: Die 48 Bits
werden zu Bytes bzw. Oktetten derart zusammengefaßt, daß 6 Oktette entstehen, wobei die
Bitreihenfolge nicht verändert wird und das I/G-Bit im 1. Oktett links steht und als Least-SignificantBit (LSB) interpretiert wird. Unter der Festlegung, daß in jedem der 6 Oktette das LSB links steht, wird
dann jedes Oktett durch zwei hexadezimale Ziffern dargestellt und die Ziffernpaare werden durch
Bindestriche getrennt. Ein Beispiel mag dies veranschaulichen.
Bitmuster:
00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001
Kanonische Form:
AC-DE-48-00-00-80
Wenn ein MAC-Rahmen an mehrere bzw. an alle Stationen eines Netzes verschickt werden soll,
spricht man von einem Multicast bzw. einem Broadcast. Entsprechende Multicast- bzw. BroadcastAdressen gibt es verständlicherweise nur als Ziel-Adressen. Bei einem Broadcast lautet die MAC-(Ziel)Adresse FF-FF-FF-FF-FF-FF. Einige standardisierte Multicast-Adressen sind:
01-80-C2-00-00-00: Spanning Tree Protocol
01-80-C2-00-00-10: Brücken-Management
01-00-5E-00-00-00: Internet Protocol (IP) Multicast
CF-00-00-00-00-00: Ethernet Configuration Test Protocol (Loopback)
PLS (Physical Level Signaling)
PLS kommuniziert teils mit der eigenen MAC, teils mit MACs in anderen Stationen. Die Service
Primitive, die für die Datenübertragung benutzt wird, ist "DATA.request" von der MAC, die über
"DATA.indication" auf Bitebene Daten an alle MACs im Netz sendet. Damit erhält auch die eigene
MAC ihre ausgehenden Bits als Echo von PLS. Zur MAC gibt es auch die zwei Primitive,
"CARRIER.indication" und "SIGNAL.indication". Diese werden benutzt, um der MAC die
Zugangskontrolle zu ermöglichen.
CARRIER hat zwei Stellungen ("on" und "off") und wird durch die PMA generiert, wenn diese
feststellt, daß ein Bitstrom im Netzkabel eingeleitet oder beendet wird. Es wird benutzt, um
36
anzuzeigen, ob das Medium frei ist oder nicht.
SIGNAL zeigt die Qualität des Signals an und wird unter anderem dazu benutzt, Kollisionen
anzuzeigen.
MAU (Medium Attachment Unit)
Von der PLS definiert der Standard eine Schnittstelle (Attachment Unit Interface oder AUI) zum
Physical Medium Attachment (PMA) und von diesem eine weitere Schnittstelle (Medium Dependent
Interface oder MDI) zum Medium. Zusammen bilden diese die MAU (Medium Attachment Unit), die
auch als "Transceiver" bezeichnet wird. Bei 10Base5 hängt der MAU fest angekoppelt am Kabelstrang
und versorgt den Rechner über Twisted-Pair-Stichleitungen (AUI-Kabel). Der Hauptstrang ist damit
von den Benutzern entkoppelt. Bei 10Base2 verzichtet man darauf.
5.7
1972
1976
1980
1981
1982
Historisches
Entwicklung begann bei Xerox
erste Vorstellung (3 Mbit/s Datenrate)
Standard "Ethernet V1.0" (DEC, Intel, Xerox)
Standard IEEE 802
Standard "Ethernet V2.0"
Zitat aus The Ethernet Sourcebook, ed. Robyn E. Shotwell (New York: North-Holland, 1985):
``The diagram ... was drawn by Dr. Robert M. Metcalfe in 1976 to present Ethernet ... to the National
Computer Conference in June of that year. On the drawing are the original terms for describing
Ethernet. Since then other terms have come into usage among Ethernet enthusiasts.''
Die erste Skizze ist auch noch überliefert:
37
For a report on the experimental Ethernet system by two of the inventors see: Ein Bericht der
Erfinder über das Experimental-Ethernet findet man in dem Zeitschriftenartikel:
Robert M. Metcalfe and David R. Boggs.``Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer
Networks,'' Association for Computing Machinery, Vol 19/No 7, July 1976.
Eine Zusammenfassung des Patents ist im WWW unter
http://patent.womplex.ibm.com/details?patent_number=4063220 zu finden.
Sehr umfassende Informationen über das Ethernet sind auch unter
http://wwwhost.ots.utexas.edu/ethernet/ gespeichert.
Weitere Quellen:
•
•
•
•
•
•
•
•
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•
•
Why is it called Ethernet?
10 Mbit/s Ethernet
100 Mbit/s Fast Ethernet
Gigabit Ethernet
10 Gigabit Ethernet
Ethernet Auto-Negotiation
Ethernet Analyzers and Network Software
Ethernet Numbers
Ethernet Standard Documents
Frequently Asked Questions (FAQ) lists
Papers and Reports
5.8
Entwicklung der Übertragungsmedien (IEEE 802.3)
10Base5 (Thick-Ethernet, Yellow-Cable)
•
•
•
•
Ethernet mit einer Bandbreite von 10
Mbit/s Über Yellow-Cable.
Die maximale Kabellänge eines Segments
beträgt 500 Meter.
Die beiden Kabelenden müssen mit
Abschlußwiderständen abgeschlossen
werden.
Pro Segment dürfen 100 Endgeräte
angeschlossen werden.
10Base2 (Thin-Ethernet, Cheapernet)
•
•
•
•
•
•
•
Ethernet über RG58 50-Ohm-Koax-Kabel
Nur für 10Mbit/s
BNC-Stecker und T-Stücke zur Verbindung
An beiden Enden ein 50-OhmAbschlußwiderstand
Maximale Segmentlänge: 185m
Mindest Stationsabstand: 0,5m
Maximale Anzahl Stationen: 30
38
•
•
Der Abstand zwischen zwei
Stichleitungen muß ein Vielfaches von
2,5m betragen.
Die Stichleitungen dürfen nicht länger als
50 Meter sein.
10Base-T
•
•
•
•
•
•
•
Übertragung von 10 Mbit/s über TwistedPair-Kabel
Hub notwendig
Maximale Entfernung 100m
Es werden zwei Adernpaare benötigt
Kabel ab Kategorie drei
Mit Switch Full-Duplex-Betrieb möglich
Verbindung von 2 Stationen ohne Hub
mit Cross-Over-Kabel möglich
•
Keine Stichleitungen erlaubt
100Base-T
•
•
•
•
•
•
•
Übertragung von 100 Mbit/s über
Twisted Pair Kabel
Hub notwendig
Maximale Entfernung 100m
Es werden zwei Adernpaare benötigt
Kabel ab Kategorie fünf
Mit Switch Full-Duplex-Betrieb möglich
Verbindung von 2 Stationen ohne Hub
mit Cross-Over-Kabel möglich
10BaseFB
10BaseFL
•
•
•
•
•
•
•
•
"B" für Backbone
Übertragung von 10 Mbit/s Über LWL
Maximal 15 Repeater
Maximale Segmentlänge 2000m
Signalisierung ist synchron mit
Fehlererkennung
100BaseFX
•
•
•
Übertragung von 100 Mbit/s über LWL
Maximale Segmentlänge von 400m
Max. Distanz zwischen zwei 100BaseFX
Switches 2000m
1000BaseLX
•
•
•
•
•
"L" für Long Wavelength von 1300nm
Max. Distanz mit Multimodefasern 550m
Max. Distanz mit Monomodefaser 3000m
Full-Duplex
100BaseT4
•
•
•
•
"C" für Copper.
Übertragung von 1000 Mbit/s über STP-
Übertragung von 100 Mbit/s über Cat-5Kabel
Es werden alle 4 Adernpaare benutzt
1000BaseSX
•
•
•
•
•
1000BaseCX
Maximal 5 Repeater
Maximale Segmentlänge 2000m.
"S" für Short Wavelength 850nm
Max. Distanz mit 62,5μm
Multimodefasern 270m
Max. Distanz mit 50μm Multimodefasern
550m
Full-Duplex
1000BaseT
•
Übertragung von 1000 Mbit/s über CAT5-Kabel
39
•
•
Kabel 150 Ohm Wellenwiderstand
Max. Distanz 25m
Full-Duplex
10GBaseLX4
•
•
•
•
•
•
•
Übertragung von 10000 Mbit/s Über LWL
"L" für Long Wavelength
"X" für WWDW (Wide Wave Division
Multiplexing) 8B/10B-Encoding
"4" für die vier Bereiche:
o 1269,0nm - 1282,4nm
o 1293,5nm - 1306,9nm
o 1318,0nm - 1331,4nm
o 1342,5nm - 1355,9nm
Max. Distanz mit 10μm Monomodefasern
10km
300m
nur Full-Duplex
10GBaseSR
•
•
•
•
•
"S" für Short Wavelength von 850nm
"R" für Serial 64B/66B Encoding
Max. Distanz mit 50μm-Multimodefasern
65m
nur Full-Duplex, nur Fiber
•
•
•
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10GBaseSX4
•
•
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•
•
•
•
•
•
•
•
•
"W" für Serial WIS (WAN Interface
Sublayer) Encoding Ethernet in SONET
STS192c
Max. Distanz mit 10μm-Monomodefasern
10km
10GBaseER
•
•
"E" für Long Wavelength von 1550nm
"S" für Short Wavelength
"X" für CWDW (Coarse Wave Division
Multiplexing)
"4" für die vier Bereiche:
o 773,5nm - 786,5nm
o 789,5nm - 811,5nm
o 823,5nm - 836,5nm
o 848,5nm -861,5nm
100m
300m
nur Full-Duplex, nur Multimodefasern
kein Standard
10GBaseSW
•
•
•
•
•
10GBaseLW
"T" für Twisted Pair
Max. Distanz 100m.
Alle vier Paare sind notwendig
Full-Duplex
"S" für Short Wavelength von 850nm
STS192c
Max. Distanz mit 50μm-Multimodefasern
65m
10GBaseLR
•
•
•
•
•
10km
10GBaseEW
•
•
"E" für Long Wavelength von 1550nm
40
•
•
•
40km
•
•
•
5.9
STS192c
40km
Promiscous Mode
Normalerweise nimmt ein Netzwerkinterface nur Datenpakete an, die an seine Hardwareadresse
gerichtet sind und leitet diese an die höheren Schichten weiter. Manche Interfaces lassen sich aber in
den sogenannten "promiscous mode" schalten. In diesem Modus werden alle Frames an die höheren
Schichten weitergeleitet. Dieser Modus wird beispielsweise von Netzwerk-Überwachungstools oder
transparenten Bridges verwendet.
5.10 Power over Ethernet
Die Stromversorung von Endgeräten in der Netzwerktechnik wurde bisher den Herstellern der
Endgeräte selber überlassen. Die lösten die Stromversorgung mit geringen Leistungen meist über
Steckernetzteile. Dazu ist neben jeder Netzwerkdose auch eine Steckdose des 230V-Netzes
erforderlich. Mit dem IEEE-Standard Power-over-Ethernet (PoE) bzw. IEEE 802.3af wurde dieses
Problem gelöst. Laut Spezifikation wird eine Leistung von 12,95 Watt zu Verfügung gestellt. Damit
eignet sich diese Technik hervorragend um Webcams, Print-Server, IP-Telefone (Voice-over-IP),
Wireless LAN Access Points, Handheld-Computer und sparsame Notebooks mit Strom zu versorgen.
Die Stromversorgung über die Signalleitungen wirkt sich bei 10BaseT (10 Mbit/s) und 100BaseTX (100
Mbit/s) nicht allzu störend auf das Ethernet-Signal aus. Auf 1000BaseT Gigabit-Ethernet ist PoE zwar
möglich, wird aber nicht empfohlen, da 1000BaseT alle 8 Adern im Kabel belegt und man deshalb in
jedem Fall auf das ohnehin empfindliche Gigabit-Ethernet-Signal einwirken würde.
Bis alle eingesetzten Switches und Hubs über PoE verfügen muss man noch auf eine Bastellösung
zurückgreifen. Bei einzelnen Komponenten, die über Power-over-Ethernet mit Strom versorgt
werden können, tut es ein einfacher Power Injektor, der im Leitungsnetz zwischen Hub/Switch und
Endgerät geschaltet wird. Gibt es in einem Netzwerk mehrere Power-over-Ethernet-Endgeräte, dann
ist ein Power Hub nötig, der dann beim Hub/Switch installiert sein sollte.
Die Technologie von Power over Ethernet erlaubt es kleinere Netzwerkgeräte, wie z.B. IP-Telefone,
Accesspoints, Netzwerkameras etc., ohne eine externe Stromquelle zu betreiben. Die Idee der
Stromversorgung über die Netzwerkleitung ist jedoch schon älter, nur gab es bislang keinen gültigen
Standard, so daß verschiedene Hersteller eigene Lösungen entwickelten. Dadurch war die Gefahr
groß, daß man aus Versehen inkompatible Komponenten durch das Anschließen beschädigt. Im IEEE
802.3af wird zwischen 2 Kernkomponenten unterschieden.
•
Power Sourcing Equipment (PSE). Diese Komponenten speisen das Netz mit Strom. Es sind
meistens aktive Netzkomponenten oder Patchfelder mit PoE-Support.
•
Powered Devices (PD). Dies sind die Energieverbraucher. Sie müssen PoE unterstützen.
41
Bei den Stromeinspeisungen unterscheidet man zwischen Endspan und Midspan Insertion. Die
Endspan-Systeme sind aktive Komponenten (hauptsächlich Switches), die die angeschlossenen
Geräte direkt über die Ethernetports mit Strom versorgen. Der Nachteil dieser Geräte ist die hohe
Leistungsaufnahme und eine hohe Abwärme. Die Midspan-Systeme nehmen die Daten der aktiven
Komponente entgegen und leiten sie gemeinsam mit der Versorgungsspannung an die Endgeräte
weiter.
Die Übertragung der 48-V-Gleichspannung ist für maximal 100 Meter ausgelegt, was auf das Ethernet
abgestimmt wurde. Die angeschlossenen Geräte dürfen 350 mA Strom abnehmen und die maximale
Speiseleistung beträgt 15,4 W. Die Versorgung der Endgeräte erfolgt über Cat.5 Kabel mit RJ-45
Steckern. Das PoE-Verfahren macht sich die Tatsache zu nutze, dass von den 4 vorhandenen
Adernpaaren lediglich 2 zur Datenübertragung benutzt werden.
Schutzmechanismen
Da man in einem LAN natürlich nicht nur PoE-Geräte betreiben will, hat das IEEE ein Verfahren
erarbeitet, das Endgeräte vor möglichen Schäden schützt. Dieses Verfahren wird Resistive Power
Discovery genannt. Hierbei prüft der PSE das PD auf Kompatibilität, indem es in zyklischen Abständen
einen minimalen Strom einspeist und daran erkennt, ob das PD einen 25-KiloohmAbschlusswiderstand besitzt. Wenn nicht ist das Endgerät nicht PoE-fähig. Wenn ja kann der PSE das
PD mit Energie versorgen.
Jetzt wird das PD mit einer geringen Leistung versorgt. Das PD signalisiert nun dem PSE welcher der 5
Leistungsklassen es angehört. Die Erkennung erfolgt innerhalb einer Sekunde. Einen weiteren Schutz
bietet der Disconnect-Schutzmechanismus. Wenn ein PD entfernt wird, deaktiviert der PSE
automatisch die Stromversorgung des entsprechenden Ports. Dieser Mechanismus soll das
Vertauschen von PoE-fähigen mit Standardgeräten verhindern. Es werden folgende Leistungsklassen
unterschieden:
Klasse Verwendung Max. Einspeiseleistung (PSE) Max. Entnahmeleistung (PD)
0
default
15,4 W
0,44 bis 12,95 W
42
1
optional
4,0 W
0,44 bis 3,84 W
2
optional
7,0 W
3,84 bis 6,49 W
3
optional
15,4 W
6,49 bis 12,95 W
1
reserviert
15,4 W
Reserviert
Belegung des RJ45-Steckers bei Power-over-Ethernet
Für die Übertragung der Stromversorgung wird das Adernpaar 4/5 für den Pluspol und das Adernpaar
7/8 für den Minuspol verwendet.
Pin Leitung Pin Leitung
1
TX+
5
PoE/G
2
TX-
6
RX-
3
RX+
7
PoE/-48V
4
PoE/G 8
PoE/-48V
Wird die Netzwerkverkabelung auch für andere Anwendungen, z. B. für Telefonie, genutzt, dann ist
Vorsicht beim Einsatz von Power-over-Ethernet-Netzwerk-Komponenten geboten. Mit einem
Mechanismus sollten die Power-over-Ethernet-Netzwerkkomponenten vor dem Einschalten der PoEStromversorgung alle angeschlossenen Endgeräte auf PoE-Unterstützung überprüfen. Auf einen
Anschluss sollte nur dann Spannung geschaltet werden, wenn dort auch ein Endgerät mit PoEUnterstützung angeschlossen ist.
43
6. Übertragungsmedien
Egal wie das Kabel letztendlich aussieht, gibt es bei allen Kabeln ein paar grundlegende
Eigenschaften. Jeder Leiter hat einen gewissen Gleichstromwiderstand, der abhängt vom
spezifischen Widerstand des Materials (r), vom Querschnitt des Leiters (A) und von seiner Länge (l):
R = r * l/A
Für die Anwendung im Netz wesentlich wichtiger ist der Wechselstromwiderstand des Kabels. Wenn
wir ein kurzes Leitungsstück betrachten, bildet die Leitung eine Induktivität L, die in Serie zum
ohmschen Widerstand liegt. Die nebeneinanderliegenden Leiter und der Rückleiter bilden eine
Kapazität C. Schließlich gibt es zwischen beiden Leitern noch einen sehr hohen Isolationswiderstand
G. Man kann das Leiterstück also durch eine Ersatzschaltung wie im Bild annähern.
Das Kabel setzt sich dann aus vielen dieser kleinen Schaltungen zusammen, die
hintereinandergeschaltet sind. Die Leitungs-Induktivität besitzt bei einer Frequenz f den induktiven
Widerstand
XL = 2 * Pi * f * L
Daraus ergibt sich eine proportionale Steigerung des induktiven Widerstandes mit der Erhöhung der
Frequenz auf der Leitung. Je länger die Leitung ist und umso höher damit die Leitungsinduktivität
wird, desto höher ist die Dämpfung durch die Längsinduktivität. Die Leitungsinduktivität ist als eine
eigene Materialkonstante zu verstehen, die in der Einheit mH/km angegeben wird.
Neben der Längsinduktivität gibt es noch eine weitere und bedeutend einflußreichere
frequenzabhängige Größe einer Leitung: die Parallelkapazität. Auch diese stellt für die
hochfrequenten Signalströme ein Problem dar. Der Scheinwiderstand des Kondensators errechnet
sich wie folgt:
XC = 1/(2 * Pi * f * C)
Auch dabei ist wieder der klare Zusammenhang mit der Frequenz zu erkennen, wobei jedoch der
kapazitive Widerstand mit zunehmender Frequenz kleiner wird. Das Problem liegt jedoch darin, daß
es sich um eine Parallelkapazität handelt, deren immer kleiner werdende Widerstand für die
hochfrequente Signalspannung nahezu einem Kurzschluß gleichkommt. Durch Einsatz
kapazitätsarmer Leitungen kann die Dämpfung infolge der Kabelkapazitäten erheblich reduziert
werden. Anders ausgedrückt: Mit gutem kapazitätsarmem Kabel lassen sich bei ansonsten gleichen
Qualitäts- und Leistungseigenschaften erheblich längere Reichweiten erzielen, als es mit
Standardkabeln möglich ist. Jedes Kabel bildet also ein Tiefpaßfilter, d. h. bei höheren Frequenzen
wird das Signal immer weiter abgeschwächt.
44
Der Wellenwiderstand eines Kabels ist der Widerstand, den es der Ausbreitung einer
elektromagnetischen Welle entgegenbringt. Er ist die Kenngröße eines Kabels, die angibt, mit
welchem Ohmschen Widerstand eine Leitung abgeschlossen werden muss, damit Anpassung erfolgt
(keine Reflexionen). Zur Berechnung des Wellenwiderstandes werden die physischen Eigenschaften
einer Leitung benötigt, also konstante Größen, die von Leitungsmaterial und der Leitungsgeometrie
abhängen. Der Wellenwiderstand wird in Ohm angegeben. Er ist ein Wechselstromwiderstand. In der
Informations- und Kommunikationstechnik werden üblicherweise Kabel und Leitungen mit einem
Widerstand abgeschlossen, um Reflexionen der Signale an den Kabelenden zu vermeiden.
Mißt man den Wechselstromwiderstand eines Kabels indem man ein Wechselspannungssignal
einspeist, erhält man den spezifischen Wellenwiderstand des Kabels. Dazu misst man den Strom bei
offenen und kurzgeschlossenen Leitungsenden. Nach den Strommessungen berechnet man aus der
Generatorspannung UG und gemessenem Strom den Kurzschluss- und Leerlaufwiderstand, RK und RL:
RK = UG/IK (= Z K)
RL = UG/IL (= Z L)
Der Wellenwiderstand ZW der Leitung, ergibt sich aus Kurzschluss- und Leerlaufwiderstand:
Beim Ethernet ist der Wellenwiderstand auf 50 Ohm festgelegt. Die Grenzfrequenz ist erreicht, wenn
die Ausgangsspannung 70% der Eingangsspannung erreicht hat. Die digitalen Signale, die auf das
Netzwerkkabel geleitet werden, bilden auch eine (sehr oberwellenreiche) Wechselspannung.
Zu Beginn hat man sich beim Ethernet für Koaxialkabel entschieden. Sie bestehen aus einem äußeren
Leiter, der einen innenliegenden Leiter vollständig umschließt und dadurch abschirmt. Die beiden
Leiter sind durch einen Isolator elektrisch getrennt. Koaxkabel gibt es in verschiedenen
Ausführungen, für das Ethernet werden Typen mit einem Wellenwiderstand von 50 Ohm verwendet.
Die Konstruktion dieses Kabels ist aber nicht nur wegen der Abschirmung des inneren Leiters günstig,
da sie noch einen anderes Phänomen der Hochfrequenztechnik ausnutzt: den Skineffekt. Bei sehr
hohen Frequenzen fließt der Strom fast nur noch in einer dünnen Schicht an der Leiteroberfläche,
während tiefer im Leiterinneren fast kein Strom mehr fließt.
Durch dieses Verhalten wirkt allein der Außenleiter des Koaxkabels genauso wie ein massiver Leiter
gleichen Durchmessers. Deshalb ist die 'Füllung' des Leiters verzichtbar und ein 'Rohr' zu verwenden.
Im Inneren dieses Rohres ist Platz für den zweiten Leiter. Da der Skineffekt auf Innen- und
Außenleiter wirkt, läßt sich die Leitfähigkeit des Kabels durch eine dünne Silberbeschichtung auf dem
Innenleiter weiter erhöhen.
Seit einigen Jahren werden auch verdrillte Zweidrahtleitungen (10BaseT) oder Glasfaserleitungen
verwendet.
Die Definition des physikalischen Kanals ist aber nur ein Teil der IEEE 802.3-Spezifikation. Der
Standard beschreibt physikalische Übertragung, die auch unser Thema ist, und Zugriffsverfahren, die
sogenannten Protokolle. Auf der physikalischen Ebene sind Bezeichnungen wie 10Base5, 10Base2
und 10BaseT von Belang. Entscheidend sind dabei drei Parameter:
die Übertragungsrate, das Übertragungsverfahren (Basis- oder Breitband; 'Base' oder 'Broad') sowie
45
Aussagen zur räumlichen Ausdehnung. Zur Unterscheidung und Charakterisierung der einzelnen
Übertragungsmedien wurde folgende Systematik für die Kabelbezeichnung entwickelt:
<Datenrate in MBit/s><Übertragungsverfahren><Max. Länge/100 m>
Auch der Kabeltyp kann unterschiedlich sein. Vom Koaxkabel über Glasfasern bis zu verdrillten
Zweidrahtleitungen ist alles vertreten.
6.1
Standard-Ethernet, 10Base5
Im weiteren wollen wir aber nur auf die Ethernet-Verkabelung eingehen. Das Standard-Ethernet
besteht aus dem, meistens gelb isoliertem, 50-Ohm-Koaxialkabel mit ca. 10 mm Durchmesser (10,3
mm bei PVC-Isolierung, 9,5 mm bei PEP). Ein Kabelsegment darf maximal 500 m lang sein. Im
Mindestabstand von 2,50 m können Media Attachment Units (MAUs) gesetzt werden. Zu diesem
Zweck sind auf dem Kabel Markierungen angebracht. Die Ursache für den vorgeschriebenen
Mindestabstand liegt darin, daß man eine Beeinflussung der MAUs untereinander ausschließen
wollte. Das Bild zeigt schematisch den Anschluß an das Kabel.
An einen MAU kann über ein maximal 50 m langes Transceiverkabel eine Ethernet-Station
angeschlossen werden. Maximal 100 Stationen können an einem Kabelsegment hängen. Der
Biegeradius darf 20 cm nicht unterschreiten. Das Kabel muß zur Vermeidung von Reflexionen an
beiden Enden mit einem 50-Ohm-Widerstand (1 Watt) terminiert werden.
Der Transceiver im MAU wird über einen TAP angeschlossen, bei dem Mittelleiter und Schirm
kontaktiert werden, ohne das Kabel - und damit den Datenfluß auf dem Netz - zu unterbrechen.
46
Bei einem Defekt im Transceiverkabel wird das Netz nicht beeinflußt; lediglich die betroffene Station
ist von der Kommunikation getrennt. Die paarweise verdrillten Leitungen im Transceiverkabel
werden über Differenztreiber angesteuert, auf Empfangsseite sitzen Differenzverstärker. Störungen
können sich so nur gering bemerkbar machen.
Anbindung der Arbeitsplätze direkt an das Yellow-Cable
Zum Anschluß der einzelnen Arbeitsplätze an das Netzwerk benötigt man pro Arbeitsplatz den oben
erwähnten MAU. Er stellt die Verbindung von Rechner über den AUI-Port mit dem Netzwerk her.
Diese Vorgehensweise birgt allerdings einige Probleme (z. B. Netzlast, usw.). Es existieren strenge
Verlegevorschriften bezüglich Biegeradius, Anschlußmöglichkeiten der einzelnen Stationen usw.
Das Yellow Cable ist heute veraltet und sollte für Neuinstallationen nicht mehr eingesetzt werden. Es
ist aber noch relativ häufig anzutreffen. Bei Anschlußfehlern werden die benachbarten Teile des
Netzes betroffen. Außerdem wird für den Anschluß des MAU ein Spezialwerkzeug benötigt.
47
6.2
AUI-Kabel (Transceiver-Kabel)
An einen MAU kann über ein maximal 50 m langes AUI-Kabel (Impedanz 100 Ohm) eine EthernetStation angeschlossen werden, z. B. eine Workstation, ein Terminalserver oder ein PC mit EthernetEinschubkarte. Das Kabel bietet die nötige Bewegungsfreiheit bei dem doch recht sperrigen "yellow
cable". Im Transceiver-Anschlußkabel existieren zwei Leitungspaare für die beiden Senderichtungen.
Der eigentliche Sender ist im wesentlichen eine Stromschleife, die zirka 65 mA treibt. Der Empfänger
realisiert einen hochohmigen Abgriff des Signals vom Kabel, damit das Signal auf der Leitung nicht zu
stark gedämpft wird. Weitere Leitungen liefern Informationen über Kollisionen. Zusätzlich erfolgt
über das Kabel auch noch die Stromversorgung des Transceivers. Die Verbindung zum Transceiver
bzw. zum Ethernet-Contoller erfolgt über 15polige SUB-D-Stecker. Das Kabel trägt die Stecker an den
Netzkomponenten sind die Buchsen angebracht. Die Belegung der Stecker ist so gehalten, daß
übereinanderliegende Pins jeweils die zueinander inversen Signale leiten:
Pin Signal
Pin Signal
1
Schirm für Kollisionserkennung
2
Kollisionserkennung +
9
Kollisionserkennung -
3
Sendedaten +
10
Sendedaten -
4
Schirm für Empfangsdaten
11
Schirm für Sendedaten
5
Empfangsdaten +
12
Empfangsdaten -
6
Masse
13
+ 12 bis 15 V DC
7
Control Out +
14
Schirm für Stromversorgung
8
Schirm für Control Out
15
Control Out -
6.3
Thinwire-Ethernet (Cheapernet), 10Base2
Eine weitere Abweichung vom ursprünglichen Standard besteht im Einsatz dünnerer Koaxialkabel.
Diese haben zwar eine höhere Dämpfung und geringere Störfestigkeit als das Yellow Cable, sind aber
für kleinere Netze vollkommen ausreichend. Sie sind nicht nur billiger (daher auch der Spitzname
'Cheapernet'), sondern auch besser zu verlegen. Bei diesem Netz entfallen auch die externen
Transceiver und die Anschlußkabel. Das Kabel wird unmittelbar an der Netzwerkkarte des Rechners
vorbeigeschleift und mittels eines BNC-T-Stücks angeschlossen. Dazu muß das Koaxkabel durchtrennt
und mit zwei BNC-Steckern versehen werden - das Netz wird also kurzzeitig unterbrochen. Der
Transceiver ist mit auf dem Netzwerkinterface integriert. Es handelt sich um ein 50-Ohm-Kabel
RG58A/U oder RG58C/U mit einem Durchmesser von 4,7 - 4,9 mm Durchmesser. Die maximale Länge
48
eines Segmentes beträgt 185 m (nicht etwa 200 m, wie die "2" bei 10Base2 vermuten läßt) und es
können bis zu 30 Stationen angeschlossen werden, deren Minimalabstand 0,5 m betragen muß. Beim
Verlegen des Kabels darf der Biegeradius 5 cm nicht unterschreiten. Durch geeignete Repeater
können Standard-Ethernet-Segmente mit dem Cheapernet verbunden werden.
Die 50-Ohm-Abschlußwiderstände sind in BNC-Stecker integriert und werden bei den beiden äußeren
Stationen direkt auf das T-Stück gesetzt. Ein Defekt im Kabel, das ja an allen Stationen über die TStücke angeschlossen ist, betrifft somit auch alle Stationen.
Das direkte Vorbeischleifen des Kabels am Interface ist für das 10Base2-Interface zwingend
notwendig, ein Verlängern des T-Stückes mit einer 'Stichleitung' ist aufgrund der Funktionsweise des
Transceivers nicht möglich. Wenn man versuchen würde, einen 10Base2-Anschluß durch eine
Stichleitung zu verlängem, wäre die saubere Ausbreitung der Welle nicht mehr gewährleistet und
Reflexionen am Anfang und Ende der Stichleitung die Folge.
Den Nachteil des Vorbeischleifens macht das 10Base2-Kabel dadurch wett, daß es bei deutlich
geringerem Preis einfacher zu verlegen ist als das herkömmliche Ethernet. Moderne Netzwerkkarten
bieten übrigens Anschlußmöglichkeiten für Transceiver-Kabel (also konventionelles Ethernet), für
BNC-T-Stücke (10Base2) und für 10BaseT-Kabel (siehe unten) und sind standardmäßig mit einem
OnBoard-Transceiver ausgestattet. Damit ist eine große Flexibilität in der Installation gegeben, es
muß lediglich auf der Netzwerkkarte die gewünschte Konfiguration eingestellt werden.
Anschluß der Arbeitsplätze an einen BNC-Strang
Die Ausführung eines Netzwerksegmentes mit BNC-Kabeln ist wesentlich kostengünstiger als mit
Yellow-Cable. Das BNC-Kabel wird an einen BNC-Hub o. ä. angeschlossen welcher selbst
beispielsweise am Yellow-Cable angeschlossen ist.
49
Das oben erwähnte T-Stück wird direkt an der Netzwerkkarte angeschlossen, die im Rechner
eingebaut ist. Sollte es sich um den ersten bzw. letzten Rechner im Segment handeln, so wird dieser
auch mit einem T-Stück angeschlossen. Jedoch wird hier der freibleibende Anschluß durch einen 50
Ohm-Abschlußwiderstand bestückt. Der Kabelanfang und das Kabelende müssen jeweils mit einem
50 Ohm Abschlußwiderstand abgeschlossen werden.
Die Verlängerung der einzelnen Segmente erfolgt mit Repeatern. Sie werden als Signalverstärker
zwischen die einzelnen Segmente geschaltet. Mittels Multiportrepeatern kann man das Netzwerk an
diesen Stellen auch aufsplitten und in verschiedene Einzelsegmente aufteilen. Allerdings sollte immer
darauf geachtet werden, daß bei einer solchen Installation nicht zu viele Arbeitsplätze angeschlossen
werden. Jede Arbeitsstation bedeutet zusätzliche Netzlast. Je geringer die Netzlast ist, desto höher ist
die Arbeitsgeschwindigkeit des Netzwerkes.
50
BNC-Netz mit eigenem Server
Bei den beiden vorgenannten Versionen sind die Installationen abhängig von einem abgesetzten FileServer. Er liefert die notwendige Netzwerksoftware und evtl. die benötigten Programme. Soll nun
aber ein bestimmter Bereich des Netzes unabhängig vom File-Server betrieben werden, so ist es
unerläßlich, einen Server nur für diesen Bereich zu beschaffen.
Allerdings ist die BNC-Verkabelung - wie das Yellow Cable - ein aussterbender Standard, da man mit
dieser Technik bereits an die Grenzen des technisch Möglichen angelangt ist. Die
Übertragungsgeschwindigkeit von 10 Mbit/s kann hier nicht überschritten werden kann. Für
"Wohngemeinschaftsnetze" wird es wegen seiner Preisgünstigkeit aber immer noch verwendet.
6.4
Twisted-Pair, 10BaseT
Twisted-Pair ist ein vieradriges, paarweise verdrilltes Kupferkabel, bei dem zwischen Sender und
Empfänger für jede Übertragungsrichtung zwei Kupferadern genutzt werden. Die typische Dicke der
Adern beträgt 0,5 oder 0,6 mm. Die maximale Übertragungslänge variiert mit der Dämpfung und ist
abhängig davon, ob die Drähte abgeschirmt sind oder nicht. Das Twisted-Pair-Kabel eignet sich für
verschiedene Uebertragungsmethoden wie Token Ring und Ethernet. Bei einer Datenrate von 10 100 MBit/s kann ein Twisted-Pair-Kabel bis zu 100 m lang sein. Die Mindestlänge des Kabels beträgt
0,6 m. Das Kabel verbindet genau zwei Stationen miteinander.
51
Zum Anschluß mehrerer Stationen müssen sogenannte Hubs (engl. "Hub" = Nabe eines
Speichenrades) eingesetzt werden, es lassen sich dann bis zu 1024 Stationen miteinander koppeln.
Als Verbinder kommen normalerweise RJ-45-Stecker (Western-Stecker) und -Dosen zum Einsatz.
Auch hier werden wieder Differenztreiber und -empfangsverstärker eingesetzt. Der Pegel wechselt
zwischen -2,5 V und +2,5 V.
Mit der Twisted-Pair-Verkabelung hielt auch eine kaum überschaubare Anzahl unterschiedlicher
Kabelvarianten Einzug in die Datentechnik. UTP, FTP, S/UTP, S/STP oder ITP beschreiben den
Kabelaufbau, CAT 3, 5 oder 7 beschreiben die Kategorie hinsichtlich der Anforderung der Kabel und
Steckverbinder. Die Kabelklasse (A - 100 kHz, B - 1 MH z, C - 16 MHz, D - 100 MHz, E - 300 MHz, F - 600
MHz) definiert die Anforderungen hinsichtlich der Übertragungsbandbreite.
•
CAT-1 für Alarmsysteme und analoge Sprachübertragung
•
CAT-2 für Sprache und RS232-Schnittstellen
•
CAT-3 Datenübertragung bis 16 MHz
•
CAT-4 Datenübertragung bis 20 MHz (IBM Token-Ring 16 MHz)
•
CAT-5 Datenübertragung bis 100 MHz
Kategorie
Übertragungs
geschwindigk
eit
(Mbit/s)
Frequenz
(MHz)
1
4
1
2
3
4
5
4
10
16
100
Dämpfun NEX Dämpfun NEX Dämpfun NEX Dämpfun NEX
g
T
g
T
g
T
g
T
(dB/100 (dB) (dB/100 (dB) (dB/100 (dB) (dB/100 (dB)
m)
m)
m)
m)
2,6
Dämpfun NEX
g
T
(dB/100 (dB)
m)
2,6
41
2,1
56
2,1
62
5,6
32
4,3
47
4,3
53
52
8
8,5
28
6,2
42
5,9
48
10
9,9
26
7,2
41
6,6
47
16
13,1
23
8,9
38
8,2
44
10,2
36
9,2
42
25
10,5
41
31,25
11,8
40
62,5
17,1
35
100
22
32
20
Bemerkung :
Bei Kategorie 1 liegt die Impedanz im Bereich von 84 bis 113 Ohm
Bei Kategorie 2 - 5 beträgt die Impedanz 100 Ohm ± 15%
Die Bauart der Kabel hat einen ganz wesentlichen Einfluß auf die Störleistungsunterdrückung und
damit die Störsicherheit der Kabel. Während UTP-Kabel eine typische Störteistungsunterdrückung
von 40 dB haben, erreichen S/STP-Kabel Werte bis zu 90 dB.
•
UTP-Kabel (Unshielded Twisted Pair, nicht abgeschirmte verdrillte Leitungen) gehörten
früher typischerweise der Kategorie 3 an. Inzwischen gibt es sie auch als CAT-5-Kabel. UTPKabel haben im industriellen Bereich oder in der Datentechnik mit hohen Datenraten nichts
verloren.
•
S/UTP-Kabel (Screened/Unshielded Twisted Pair) haben einen Gesamtschirm aus einem
Kupfergeflecht zur Reduktion der äußeren Störeinflüsse.
•
FTP-Kabel (Foileshielded Twisted Pair) besitzen zur Abschirmung einen Gesamtschirm,
zumeist aus einer alukaschierten Kunststoff-Folie.
•
S/FTP-Kabel (Screened/Foileshielded Twisted Pair) sind heute Stand der Technik bei der
Verkabelung sogenannter UTP-Dosen. Der Aufbau besteht aus einem Gesamtschirm aus
53
alukaschierter Polyesterfolie und einem darüberliegenden Kupfergeflecht. Gute Kabel
erreichen eine Störleistungsunterdrückung über 70 dB.
•
STP (Shielded Twisted Pair) bezeichnt eine Kabelgattung mit Gesamtschirmung ohne weitere
Spezifikation.
•
S/STP-Kabel (Screened/Shielded Twisted Pair) besitzen eine Abschirmung für jedes Kabelpaar
sowie eine Gesamtschirmung. Hierdurch kann eine optimale Störleistungsunterdrückung
erreicht werden. Auch das Übersprechen zwischen den einzelnen Adernpaaren kann so
wirksam unterdrückt werden.
•
ITP (Industrial Twisted Pair) ist die industrielle Variante von S/STP. Während typische
Netzwerkadern jedoch vier Adernpaare besitzen, beschränkt sich ITP auf zwei Paare.
Die Preisunterschiede zwischen Cat-3-Kabeln und Cat-5-Kabeln ist so gering, daß es sich bei
Neuinstallation auf jeden Fall empfiehlt, Cat-5-Kabel einzusetzen - schon, um mit 100 MBit/s arbeiten
zu können.
54
Elektrische Eigenschaften für installierte 100-Ohm-Kabel
gemäß DIN EN 50173 bzw. ISO/IEC 11801, Kategorie 5
Größter Schleifenwiderstand
300 Ohm/km
Größter Widerstandsunterschied
3%
Isolationswiderstand
150 MOhm x km
Impedanz Zo bei 0,064 MHz
125 Ohm +/- 25%
Impedanz Zo bei 1 - 100 MHz
100 Ohm +/- 15%
Kopplungswiderstand
bei 10 MHz < 100 Ohm/km
Rückflußdämpfung an 100 m Länge: 1..20 MHz
>23 dB
Rückflußdämpfung an 100 m Länge: >20 MHz
23 dB - 10 log (f/20)
Erdunsymmetriedämpfung dB/BZL = 1000 m
bei 64 kHz > 43 dB
Größte Erdkopplung bei 0,001 MHz
1600 pF/km
Kleinste Ausbreitungsgeschwindigkeit bei 1 MHz
0,60 c
0,65 c
0,65 c
55
Die konventionelle Twisted-Pair-Ethernet-Verkabelung verwendet RJ-45-Steckverbinder. Auch hier
gibt es die unterschiedlichsten geschirmten und ungeschirmten Ausführungen. Sie sind für den
industriellen Einsatz nur teilweise geeignet. Von den acht Leitungen des RJ45-Steckers werden nur
vier verwendet:
Pin Signal
1
Sendesignal +
2
Sendesignal -
3
Empfangssignal +
6
Empfangssignal -
Zwischen Rechner und Hub verbindet das Kabel die beiden Stecker 1:1. Bei speziellen Kabeln für die
direkte Verbindung zweier Computer oder für das Kaskadieren von Hubs müssen die Leitungen
gekreuzt werden. Die Verbindung ist dann:
Pin
(Signal)
Pin
(Signal)
1 (TX+)
- 3 (RX+)
2 (TX-)
- 6 (RX-)
3 (RX+)
- 1 (TX+)
6 (RX-)
- 2 (TX-)
Die RJ-45-Buchsen sind inzwischen auch keine profanen Steckkontakte mehr, sondern in ihnen sind
auch gleich Übertrager, Drosseln und Widerstände integriert. Damit wird nicht nur Leiterplattenplatz
eingespart, sondern auch bessere EMV-Eigenschaften erzielt und Layoutfehler vermieden. Das
folgende Bild zeigt die elektrische Beschaltung einer solchen Buchse:
56
Die Übertrager sorgen gleichzeitig für eine Potentialtrennung zwischen der Buchse und der restlichen
Schaltung und für die Ausblendung von Störungen. Im folgenden Bild ist eine typische Buchse für die
Platinenmontage abgebildet und darunter sind die Abmessungen (Vorder- und Seitenansicht)
gezeigt. Oft sind in die Buchsen noch ein oder zwei LEDs integriert.
Twisted-Pair-Verkabelung
Wie gesagt, verlegt man pro Rechner ein eigenes Kabel. Während BNC-Netze eine Bus-Struktur
haben, zeichnen sich Twisted-Pair-Netze durch eine Baumstruktur aus. Die einzelne Kabellänge zu
einem Rechner darf 100 m nicht überschreiten. Die Anzahl der im Netz verfügbaren Rechner ist
abhängig von den eingesetzten Repeatern, die hier "Hub" heißen (4-Port, 8-Port; usw.).
57
6.5
Lichtwellenleiter
Seit einiger Zeit werden Netzwerkleitungen teilweise als Lichtwellenleiter verlegt. Der zusätzliche
Aufwand zum Konvertieren von Strom in Licht und zurück lohnt sich. Der Hauptvorteil liegt in der
sehr hohen Übertragungskapazität der durchsichtigen Faser, die bis in den Bereich von GBit/s reicht.
Die Datenübertragung via Lichtsignal läßt sich außerdem durch elektrische und elektromagnetische
Störungen kaum beeinträchtigen. Dadurch ist das Glasfaserkabel besonders für die
Datenübertragung in elektrisch verseuchten Räumen wie zum Beispiel einer Maschinenhalle
geeignet. Auch spielt die schon beschriebene Problematik des sich unweigerlich immer weiter
verschlechternden Rauschabstandes keine Rolle mehr. Lichtwellenleiter bieten gegenüber dem
Kupferkabel entscheidende Vorteile:
•
Lichtwellenleiter können beliebig mit anderen Versorgungsleitungen parallel verlegt werden.
Es gibt keine elektromagnetische Störeinflüsse.
•
Wegen der optischen Übertragung gibt es keine Störstrahlungen, Kontakt- oder
Masseprobleme.
•
Entfernungsbedingte Verluste des Signals aufgrund der Leitungs-Induktivitäten, -Kapaziäten
und -Widerständen treten nicht auf.
•
Weitgehend frequenzunabhängige Leitungsdämpfung der zu übertragenen Signale.
•
Übertragungsraten sind durch mehrere Trägerwellen mit unterschiedlichen Wellenlängen
(Farbspektrum) erweiterbar.
Allerdings sind Lichtwellenleiter teurer als Kupferleitungen. Dies betrifft nicht nur die Materialkosten
sondern auch den Aufwand für die Verlegung. Und ganz so einfach ist die Datenübertrag via
58
Lichtwellenleiter (LWL) auch nicht. Die Eigenschaften des Leiters hängen vom geometrischen Aufbau
und den physikalischen Eigenschaften des verwendeten Materials ab. Physikalische Grundlage des
LWL ist das Prinzip von Brechung und Reflexion. Allgemein bekannt ist das Brechungsgesetz: Licht
wird, wie das Bild zeigt, beim Übergang von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium
vom Einfallslot weg gebrochen.
Die Ursache dafür liegt in der sich ändernden Ausbreitungsgeschwindigkeit. Diese hat in jedem
Medium einen anderen Wert. In einem optisch dichteren Medium bewegt sich Licht langsamer fort
als in einem optisch dünneren. Das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit c in Vakuum zur
Lichtgeschwindigkeit v in einem anderen Medium ergibt die Brechzahl:
n = c/v
Typische Werte für die Brechzahl sind:
für Glas etwa 1,5,
für Wasser 1,33 und
für das Vakuum 1.
Bei jedem Medienübergang wird ein Teil des Lichts reflektiert je stumpfer der Einfallswinkel, desto
stärker die Reflexion. Der Reflexionsgrad hängt vom Unterschied der beiden optischen Dichten und
vom Einfallswinkel ab. Erreicht der Einfallswinkel einen kritischen Wert, gelangt überhaupt kein Licht
aus dem Medium mit der höheren Brechzahl heraus. Auf dieser Totalreflexion beruht das Prinzip des
Lichtwellenleiters. Die Aufgabe des Leiters besteht ja darin, das Licht verlustlos und ohne
Impulsverformung über lange Strecken zu transportieren. Da sich Licht aber nach allen Seiten
ausbreitet, muß man einen Käfig bauen, der das Licht im Leiter hält. Denn bei jeder Biegung des
Kabels würde sonst nur ein Bruchteil des ursprünglichen Lichts im Kabel verbleiben und eine längere
Übertragungsstrecke wäre völlig unmöglich. Deshalb konstruiert man den Lichtwellenleiter als
optische Röhre. Im Innern der Röhre kann sich das Licht ungehindert fortpflanzen und an den
Wänden wird es total reflektiert. So wird der Lichtstrahl gezwungen, sich innerhalb der Faser
fortzubewegen.
Der LWL mit dem einfachsten Aufbau besteht aus einem konzentrischen optischen Kern mit einer
hohen Brechzahl n1, der mit einem optischen Mantel kleinerer Brechzahl n2 versehen ist. Licht, das
in einem gewissen Winkelbereich in den LWL eintritt, wird durch fortlaufende Totalreflexion an der
Grenze Kern/Mantel weiterbefördert.
59
Neben dem reinen Transport ist die Verformung, die die Lichtimpulse während der Leitung erleiden,
von Bedeutung. Sehen Sie sich dazu das Einspeisen des Lichts in den LWL etwas genauer an: Trifft das
Licht in einem Winkel nahe dem maximalen Einfallswinkel für den Lichtleiter auf, wird es sehr oft im
LWL reflektiert. Es heißt dann Licht hohen Modes. Entsprechend heißt Licht, welches in relativ guter
Übereinstimmung mit der optischen Achse des LWL eintrifft, Licht niedrigen Modes. Licht hohen
Modes legt insgesamt einen längeren Weg im Kabel zurück und benötigt dadurch mehr Zeit für den
Durchlauf. Fällt nun Licht mit nicht genau definiertem Winkel in den LWL ein, kommt es bis zum
Ausgang wegen der unterschiedlichen Laufzeiten für jeden Einfallswinkel zu einer Dehnung des
Lichtimpulses. Dieser unschöne Effekt, die Dispersion, verbreitert die Signalimpulse und beschränkt
damit die erreichbare Übertragungsrate.
Unter Dispersion versteht man die Verbreitung eines Lichtimpulses durch Laufzeitunterschiede
(Gruppenlaufzeit) der Moden (Eigenwellen), was eine Begrenzung der Übertragungsbandbreite von
LWLs zur Folge hat. Man unterscheidet die Modendispersion und die chromatische Dispersion, die
sich aus Materialdispersion und Wellenleiterdispersion zusammensetzt. Die Modendispersion ist ein
Effekt der unterschiedlichen Signallaufzeiten der Moden, was zu einer Signalverzerrung führt. Die
Materialdispersion, auch Manteldispersion bezeichnet, ist die Wellenlängenabhängigkeit der
Brechzahl eines Materials. Die Wellenleiterdispersion (Waveguide Dispersion) ist gerade bei
Singlemode-LWL von Bedeutung und bezieht sich auf die Wellenlängenabhängigkeit der
Lichtverteilung zwischen Kern und Mantel. Die nutzbare Übertragungsbandbreite ist umgekehrt
proportional zur Dispersion. Die Dispersion wird in einer Zeit- zu Längeneinheit (ns/km) angegeben
und ist der reziproke Wert des Bandbreitenlängenproduktes. Beispiel: Dispersion 5ns/km <->
Bandbreite 200 MHz * km.
Abhilfe schafft ein nach außen hin stetig abnehmender Brechungsindex. Dadurch gleichen sich die
Geschwindigkeiten und Laufzeiten für die verschiedenen Einfallswinkel bei genügender Kabellänge
60
wieder aus. Wegen des stetigen Übergangs von Kern zu Mantel werden diese Leiter
Gradientenprofilfasern genannt. Es ergibt sich beim Einfall der unterschiedlichen Lichtwellen trotz
unterschiedlich langer Wege in der Faser eine nahezu gleiche Laufzeit aller Wellen.
Eine noch geringere Dispersion liefern die Monomode-Fasern. Im Gegensatz zu den MultimodeFasern leiten sie nur Licht einer bestimmten Wellenlänge. Ihr Kerndurchmesser ist so klein, daß sich
das Licht fast nur noch entlang der Längsachse ausbreiten kann. Mit diesen Monomode-Fasern sind
also die steilsten Flanken und damit die größten Übertragungsraten zu erzielen.
Wellenlängen
Mit zunehmender Wellenlänge nimmt der Streuverlust eines LWL ab. Verunreinigung, z.B.
Sauerstoffionen oder OH-Ionen, die bei der Herstellung in die Faser gelangen, absorbieren das Licht
bei verschiedenen Wellenlängen. Bedingt durch die Absorptionsspitzen gibt es Dämpfungsspitzen bei
ca. 950, 1.200 und 1.400 nm und günstige Wellenlängenbereiche, die auch "Fenster" oder
"Arbeitswellenlängenbereiche" genannt werden. Heute werden bei LWL-Systemen drei Fenster bei
850 nm, 1300 nm und 1550 nm genutzt.
Typische LWL haben folgende Daten.
61
MultimodeStufenindexFaser
Multimodefase
rn mit
Stufenprofil
haben einen
Durchmesser
von 200 µm.
Durch sie
werden
mehrere
Lichtwellen
gleichzeitig
geschickt. An
den Wänden
der Faser wird
das Signal hart
reflektiert. Das
Ausgangssignal
wird dadurch
verbreitert (je
nach
Einfallswinkel
dauert das
Signal
unterschiedlich
lang, weil der
Weg mal länger
und mal kürzer
ist) und
bedämpft. Sie
werden z.B. als
Verbindungska
bel beim
Patchfeld
verwendet.
62
MultimodeGradientenFaser
Multimodefase
rn mit
Gradientenprof
il haben einen
Durchmesser
von 50 µm.
Durch sie
werden
mehrere
Lichtwellen
gleichzeitig
geschickt. An
den Wänden
der Faser wird
das Signal
weich
reflektiert. Das
Ausgangssignal
wird zwar auch
verbreitert,
aber nicht so
stark
bedämpft. Sie
werden für
Verbindungen
von Gebäuden
oder Etagen
eingesetzt.
63
MonomodeStufenindexFaser
MonomodeFasern
(SinglemodeFasern) haben
einen
Durchmesser
von 10 µm.
Durch sie
werden die
Lichtwellen
gerade
hindurchgeleite
t. Das Signal
wird wenig
bedämpft und
auch nicht
verbreitert. So
ist eine hohe
Bandbreite
möglich. Sie
werden für
weite Strecken
eingesetzt.
Als Sender für die LWL-Übertragung stehen Leuchtdioden (LEDs) und Laserdioden (LD) zur Verfügung.
dabei werden LEDs am besten im Bereich von 850/860 nm eingesetzt und LDs im Bereich von 1300
nm.
LED
LD
Licht-Typ
inkohärent
kohärent
Wellenlänge
850/860 nm und 1300 nm 1300 nm
Spektralbreite 30 - 40 nm
1 - 3 nm
Abstrahlwinkel mittel bis hoch
gering
einkoppelbare
gering
Leistung
hoch
64
Lebensdauer
10 6 Stunden
10 5 Stunden
Die unten stehende Abbildung zeigt die Zusammenhänge von Faserart und Sendertyp im Hinblick auf
das Einsatzgebiet bezüglich Übertragungsstrecke und Übertragungsrate.
Die optischen Sender und Empfänger (meist Laserdioden) müssen genau auf die Faser abgestimmt
sein, um verlustarm und reflexionsfrei übertragen zu können. Ein großes technisches Problem beim
Verlegen von LWL ist immer noch der Übergang von einem Leiterstück auf ein anderes, das
sogenannte 'Spleißen'. Im Gegensatz zum elektrischen Leiter, bei dem eine Klemm- oder
Lötverbindung ohne große Sorgfalt genügt, müssen die Glasfasern genau in der optischen Achse plan
miteinander verschweißt werden. Unter Laborbedingungen stellt das natürlich längst kein Problem
mehr dar, aber im mobilen Einsatz sieht das schon etwas anders aus.
Beim sogenannten 'Spleißen' von Glasfaserkabeln gibt es zahlreiche Fehlermöglichkeiten. Das
beginnt nach dem Entfernen des Sekundärschutzes mit mangelhaftem Reinigen der Faser. Weitere
Fehlermöglichkeiten sind zu sparsame Verwendung des Leims zum Verkleben der Faser im
Kontaktkörper oder zu wenig Sorgfalt beim anschließenden Schleifen der Kontaktfläche. Das beste
'Meßinstrument' ist hier eine Lupe mit mindestens 10-facher Vergrößerung. Man leitet sichtbares
Licht in die Faser und prüft die Fläche auf Verunreinigungen oder Kratzer. Zum Reinigen der
Kontaktfläche verwendet man nicht-denaturierten reinen Alkohol.
Dämpfung
Bei Lichtwellenleitern ist die Dämpfung der Energieverlust des Lichtstrahls, der beim Durchlaufen der
Faser in Form von Streuung und Absorption auftritt. Sie wird in dB angegeben und meistens auf eine
Länge von einem Kilometer (dB/km) bezogen. Die Dämpfung ist abhängig von der verwendeten
65
Wellenlänge. Günstige Wellenlängen für Quarzglas liegen bei 850 nm, 1.300 nm und 1.550 nm. Die
Dämpfung sollte so niedrig wie möglich sein, um die Signalverluste bei der Übertragung so gering wie
möglich zu halten. Typische Dämpfungswerte liegen bei ca. 3 dB/km für 850 nm Wellenlänge. Zum
Vergleich haben Koaxialkabel eine Dämpfung von ca. 17 dB/km.
10Base-F Ethernet
Schon früh wurden Glasfasern als Link-Segmente für die Verbindung zweier Repeater-Komponenten
standardisiert (Fiber Optic Inter Repeater Link - FOIRL). Unter Beachtung der Repeaterregel und des
Laufzeitverhaltens lassen sich so entfernte Segmente untereinander verbinden. Dieser Standard
wurde mittlerweile so erweitert (10Base-F), daß sich auch Stationen über Glasfasern an
Glasfaserrepeater anschließen lassen. Die Konfiguration entspricht etwa der von 10Base-T. Für die
Verbindung werden sogenannte ST-Stecker vorgeschrieben.
Link-Segmente mit FOIRL-Geräten können bis zu 1000 m lang sein und Segmente mit 10Base-F
Geräten bis zu 2000 m.
Maximale Länge von Glasfaserkabeln ohne Verstärkung:
Typ
Stufenindex
Gradientenindex
Monomode
Dämpfung
20dB/km bei 900nm 3dB/km bei 850nm 0,1dB/km bei 1300nm
66
Bitratenlängen5 MHz * km
produkt
1,5 GHz * km
250 GHz * km
max. Länge
1 km
(ohne Repeater)
10 km
50 km
6.6
Gigabit-Ethernet
Während die Normierung der neuen Verkabelungsklassen bzw. Kategorien E/6 (250 MHz) und für die
Bewertung von Verkabelungsanlagen F/7 (600 MHz) im Jahr 2001 zum Endspurt ansetzte, ist mit
Gigabit-Ethernet eine Anwendung nachgerückt, die deutlich mehr Bandbreite als bisherige
Übertragungsprotokolle beansprucht. Hierdurch sind Klasse C/Kategorie-3- und -4-Verkabelungen
endgültig überholt. Aber auch Klasse D/Kategorie-5-Verkabelungen sind "Auslaufmodelle",
insbesondere dann, wenn zukunftssichere Konzepte für Neuinstallationen gefragt sind.
Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z, 802.3ab)
Gigabit Ethernet kann sowohl über Kupferkabel als auch über Glasfaser laufen: 1000Base-T Cat 5
UTP
1000Base-CX STP/Twinax
1000Base-SX Multimode Fiber (850nm)
1000Base-LX Monomode Fiber oder Multimode (1300nm)
STP- und Fiber-Standards sind verabschiedet, zur Festlegung des UTP-Standards wurde ein eigenes
IEEE-802.3ab-Subkommitee gebildet. Dieses hat das Ziel, einen Standard für eine Reichweite von
100m auf UTP Cat. 5 Kabeln zu erzielen.
Gigabit Ethernet: 1000Base-T über Kupfer
Auf Grund der schwachen Auslegung von Klasse D/Kategorie-5-Verkabelungen sind bei 2-paariger
Übertragung und Schwerpunktfrequenzen bis etwa 60 MHz Übertragungsraten bis 155 MBit/s (ATM)
möglich. Der Bandbreitenengpaß bei Kategorie-5-Verkabelungen (bis 100 MHz) erfordert deshalb die
Verwendung von 4 Paaren, um die Übertragung von Gigabit Ethernet zu ermöglichen. 1000Base-T
67
verwendet eine Symbolrate von 125 Mbaud und eine 5-Level-Codierung (PAM 5). Da bei 1000Base-T
auf allen 4 Paaren gleichzeitig in beiden Richtungen gesendet und empfangen wird, übernimmt jedes
Paar 250 MBit/s und in Summe (alle Paare) 1 GBit/s. Bei der Voll-Duplex-Übertragung über 4 Paare
wechseln die Sende- und Empfangszustände der GigaBit-Ethernet-Bausteine ständig einander ab. Die
gleichzeitige Übertragung in zwei Richtungen und die wechselnden Sende- und Empfangszustände
haben neue Übertragungsparameter für die Bewertung von Verkabelungen generiert:
1. Leistungssumme des Nahnebensprechens(PSNEXT)
Power Sum NEXT (PSNEXT) beschreibt die Summe aller Störleistungen, die durch
Nahnebensprechen in ein Paar eingekoppelt werden. Das kommt dem tatsächlichen
Einsatzfall, d.h. wenn alle Paare in Betrieb sind, nahe. Maßgeblich ist immer der stärkste
Störer. Nur bei hohen Paarzahlen gibt es deutliche Unterschiede zwischen NEXT und Power
Sum NEXT.
2. Fernnebensprechen (FEXT)
Mit FEXT (Far End Cross Talk) wird das Nebensprechen am fernen (empfängerseitigen) Ende
bezeichnet, das im Allgemeinen geringere Störungen verursacht als das
Nahnebensprechen.Man unterscheidet beim FEXT zwischen:
o
Input-Output-FEXT (l/O-FEXT) und
o
Equal-Level-FEXT (EL-FEXT).
Beide Größen sind durch die Gleichung EL-FEXT = I/O - FEXT - Dämpfung verbunden, wobei das
ELTEXT in etwa dem ACR beim NEXT entspricht.
3. Leistungssumme des Fernnebensprechens (PSFEXT)
Power Sum FEXT (PSFEXT) beschreibt die Summe aller Störleistungen, die durch
Fernnebensprechen in ein Paar eingekoppelt werden. Das kommt dem tatsächlichen
Einsatzfall, alle Paare in Betrieb, nahe.
4. Delay und Skew
Propagation Delay (Verzögerung der Ausbreitung) bezeichnet die Verzögerungszeit/Laufzeit
der Signalübertragung über ein Paar. Sind die Signalverzögerungen frequenzabhängig, führt
das zu Signalverzerrungen, auch "Dispersion" genannt. Der Wert "Delay Skew" gibt die
Differenz der Verzögerungszeiten/Laufzeiten zwischen zwei Paaren an.
5. Rückflußdämpfung (RL)
Die Rückflußdämpfung, auch "Return Loss" genannt, beschreibt die
Inhomogenitäten/Fehlanpassungen entlang des Übertragungskanals anhand des
Verhältnißes von rücklaufender zu hinlaufender elektromagnetischer Welle.
6. Störleistungsunterdrückung
Die Störleistungsunterdrückung ist ein Maß für die Fähigkeit eines Kabels, elektrische externe
Störungen zu bedämpfen. Je höher die Störleistungsunterdrückung ist, umso besser ist die
elektromagnetische Verträglichkeit.
Gigabit Ethernet: konkurrierende Eigenschaften
68
Die untereinander konkurrierenden Parameter für die Übertragung von Gigabit Ethernet haben
Einfluß auf die konstruktive Gestaltung der Kabel. Die Problematik läßt sich anhand der
unterschiedlichen Übertragungsparameter in Abhängigkeit der bekannten Kabelbauarten mit
verseilten Paaren aufzeigen. Je nach Anforderung werden dem Datenkabel möglichst kleine und
unterschiedliche (für NEXT und FEXT) oder möglichst lange und gleiche Paarschlaglängen) (für
Dämpfung, Return Loss, propagation delay und delay skew) abverlangt. Ein Kompromiß bei UTP und
S/UTP-Kabeln ist äußerst diffizil und führt zu Einbußen bei dem einen oder anderen Parameter. Eine
Ausnahme stellen die S/STP-Kabel dar. Hier werden die NEXT-, FEXT- und ACR-Anforderungen
wesentlich durch Einzelschirmung der Paare (PiMF) sichergestellt. Dies erlaubt erhebliche
Freiheitsgrade bei der Gestaltung der Paarschlaglängen. S/STP-Kabel stehen deshalb für sicheres
Einhalten aller Eigenschaften bis 600 MHz und darüber hinaus (1200 MHz). Zudem verfügen sie auf
Grund der doppelten Abschirmung über hervorragende EMV-Eigenschaften.
Anmerkung: Die "Schlaglänge" ist die Länge (z. B. in Millimetern), bei der sich eine Ader vom
Anfangspunkt A bis zum Endpunkt B einmal um 360 Grad gedreht hat.
Zusammenfassung: 1000Base-T auf UTP Kabeln
•
Verwendung einer 5 Level Codierung
•
gleichzeitig Verwendung von 4 Adernpaaren
•
Vollduplex Betrieb auf allen 4 Paaren
•
Trellis Codierung (nicht 8B10B)
Zugriffsverfahren: CSMA/CD
Bei Erhöhung der Übertragungsrate auf 1 Gbit/s möchte man auf die vorhandenen
Verkabelungsstrukturen aufsetzen, d. h. die Leitungslängen sollen gleich sein wie bei 100Base-T (rein
rechnerisch müßten die Kabel maximal 10m lang sein - nicht praktikapel). Daher muß bei gleicher
Leitungslänge die minimale Paketgröße vergrößert werden. Es gilt daher beim Gigabit-Ethernet eine
minimale Paketlänge von 512 Byte. Da hierdurch ein Nachteil bei kleinen Paketen besteht (die auf die
512 Byte aufgefüllt werden müßen), wird ein Burst-Modus eingeführt, der es erlaubt, mehrere
Pakete bis auf eine Gesamtlänge von 1500 Byte bis 8 KByte zusammenzufassen. Es soll ebenfalls ein
Full-Duplex-Ethernet (2Gbit/s) geben (Gigabuffer Repeater).
Für die Optik-Version bestehen folgende Randbedingungen:
Bezeichnung Medium
mm Max. Länge (m)
1000Base-SX Multimode Fiber (850nm) 62,5 260
1000Base-SX Multimode Fiber (850nm) 50
550
1000Base-LX Multimode Fiber (850nm) 62,5 440
1000Base-LX Multimode Fiber (850nm) 50
550
69
1000Base-LX Monomode Fiber
8,3 3000
Fibre Channel
Ursprünglich entwickelt von HP, IBM und Sun als Möglichkeit einer Hochgeschwindigkeitsanbindung
von Rechnern zu Peripheriegeräten. Fibre Channel (ANSI-T11) ist allerdings auch als LAN-Technologie
denkbar. Fibre Channel definiert die Schichten 1 und 2 des OSI-Modells. Übertragungsraten von 1
Gbit/s sind heute verfügbar (2 Gbit/s als Dual Channel), 4 Gbit/s ist in Entwicklung und 8 Gbit/s
geplant. Vorteilhaft sind die Ausfallsicherheit bei Verwendung eines Dual Channel, der geringe
Protokoll-Overhead und gesicherte Übertragung (keine Zellverluste wie bei ATM). Es ist eine
Kabellänge bis 10 km möglich. Der Adreßraum umfaßt 16'000'000 Adressen im lokalen FibreChannel-Netz und ist so mit klassischen LAN-Technologien vergleichbar. Fibre Channel bildet die
Grundlage für andere Technologien, z. B. ATM over Fibre Channel oder Gigabit Ethernet auf Fibre
Channel.
6.7
Anzeige-LEDs
In den Slotblechen von Netzwerkkarten finden Sie in den meisten Fällen einige Leuchtdioden, welche
die gleiche Aufgabe wie bei den Hubs haben. Typische Bezeichnungen und die damit verbundenen
Funktionen sind in der Tabelle angegeben, wobei - je nach Typ - auch nur eine Teilmenge davon
vorhanden sein kann.
Bezeichnung
Bedeutung
10 LNK
Diese LED signalisiert, dass die Karte im 10 MBit/s-Mode (StandardEthernet) arbeitet.
100 LNK
Diese LED signalisiert, dass die Karte im 100 MBit/s-Mode (FastEthernet) arbeitet.
ACT Action
Es werden Daten gesendet oder empfangen, wenn diese LED aktiv
ist.
COL Collision
Die LED blinkt bei auftretenden Datenkollisionen (CSMA/CD).
FDX Full Duplex
Diese LED signalisiert, dass eine Voll-Duplex-Verbindung besteht, also
gleichzeitiges Senden und Empfangen möglich ist.
Link (Beat) Link
Die LED leuchtet, wenn eine Netzwerkverbindung besteht (Kabel
angeschlossen, Datenverbindung möglich, usw.).
LNK Link
Die LED leuchtet, wenn eine Netzwerkverbindung besteht (Kabel
angeschlossen, Datenverbindung möglich, usw.).
NML Normal
Der Hub arbeitet in der normalen Betriebsart und kann zum Test per
70
Schalter in einen Testmodus geschaltet werden, woraufhin diese
Diode dann nicht leuchtet.
POL Polarity
Diese LED ist eher selten zu finden und ist normalerweise aus. Sie
leuchtet nur dann, wenn die Polarität der Datenempfangsleitungen
vertauscht ist. In der Regel können Netzwerkkarten mit einer
derartigen Anzeige automatisch die richtige Polarität herstellen, und
dann leuchtet auch die LED.
PWR Power
Die Spannungsversorgung des Hubs ist vorhanden, wenn diese LED
leuchtet.
REC Receive
Die LED blinkt, wenn gerade Daten von der Einheit empfangen
werden.
RX (DATA) Receive
Data
Die LED blinkt, wenn gerade Daten von der Einheit empfangen
werden.
T/R
Die LED blinkt, wenn gerade Daten von der Einheit gesendet oder
Transceive/Receive empfangen werden.
TX (DATA) Transmit
Die LED blinkt, wenn gerade Daten von der Einheit gesendet werden.
Data
Die Receive- und Transmit-Leuchtdioden sind nützlich, um den augenblicklichen Status einer
Netzwerkkarte ablesen zu können. Falls keine LED leuchten will, ist der Treiber für die Karte
wahrscheinlich (noch) nicht korrekt installiert worden oder die Karte wurde nicht korrekt mit dem
Netz verbunden. Die Anzeige LNK (Link) oder ACT (Activity) sollte auf jeden Fall dann leuchten, wenn
das Netzwerk aktiv ist. Außerdern sollte an einer Netzwerkkarte auch die Receive-Anzeige leuchten
oder blinken, wenn Pakete im Netz übertragen werden.
6.8
Ethernetkarten konfigurieren unter Linux
Um die Parameter eines Netzwerk-Interfaces anzusehen oder um eine optimale Performance zu
erzielen, braucht man ein Programm, das die Konfiguration des Interfaces gestattet. Unter Linux gibt
es dafür "ethtool". Leider arbeiten nicht alle Treiber mit dem Programm zusammen.
In der Regel funktioniert eine Verbindung im Ethernet auch ohne weitere Konfiguration. Um die
verfügbare Bandbreite optimal auszunutzen, gilt es einige Grundregeln: Die Duplexeinstellung
mussebei beiden Linkpartnern gleich sein. Also entweder beide Seiten eines Link auf Autonegotiation
oder beide Seiten fest auf die selben Parameter einstellen. Viele preiswerte Switches bieten keine
Einstellmöglichkeiten und arbeiten immer mit Autonegotiation. Die Netzwerkkarten der
angeschlossenen Clients müssen also auch auf "Auto" stehen.
Zur Anzeige der aktuellen Parameter wird "ethtool" mit dem entsprechenden Interface als Parameter
aufgerufen. Hier die Ausgabe für das Interface eth0:
71
netzmafia:~# ethtool eth0
Settings for eth0:
Supported ports: [ TP MII ]
Supported link modes:
10baseT/Half 10baseT/Full
100baseT/Half 100baseT/Full
Supports auto-negotiation: Yes
Speed: 10Mb/s
Duplex: Half
Port: MII
PHYAD: 0
Transceiver: internal
Auto-negotiation: off
Supports Wake-on: d
Wake-on: d
Mit ethtool ist es auch möglich, Einstellungen der Netzwerkkarte zu verändern. Das folgende
Kommando stellt das Interface eth0 auf 100 MBit/s und Halbduplex ein.
ethtool -s eth0 speed 100 duplex half
Für "speed" sind die Parameter 10, 100 und 1000 erlaubt. Der Duplexmode kann auf "half" oder
"full" eingestellt werden. Autonegotiation wird mit dem Paramter "autoneg on" eingeschaltet und
mit "autoneg off" abgeschaltet.
ethtool -s eth0 autoneg on
Für Netzwerkinterfaces die WakeOnLAN (WOL) beherrschen (siehe oben), bietet ethtool auch einige
Konfigurationsoptionen. Der Benutzer kann festlegen welche Art von Frame ein Aufwachen auslösen
soll und ein Kennwort für Wake-on-LAN festlegen. Nicht alle Interfaces unterstützen diese Option.
ethtool -s eth0 wol <argument>
Das Argument von "wol" ist eine Kombination aus folgenden Buchstaben:
p
u
m
b
a
g
s
d
Wake on phy activity
Wake on unicast messages
Wake on multicast messages
Wake on broadcast messages
Wake on ARP
Wake on MagicPacket(tm)
Enable SecureOn(tm) password for MagicPacket(tm)
Disable (wake on nothing).
Die Option "d" löscht auch alle anderen Optionen.
ethtool -s eth0 sopass xx:yy:zz:aa:bb:cc
Setzt das Wake-on-LAN-Passwort. Das Passwort wird als Folge von 6 Hexzahlen angegeben, die durch
Doppelpunkte getrennt sind.
Neuere Netzwerkkarten haben mitunter die Möglichkeit, eine LED manuell blinken zu lassen. Das ist
zum Identifizieren einer Karte in komplexen Umgebungen sehr hilfreich. Dazu dient der Parameter "p":
ethtool -p eth1
72
6.9
Tabellen
Normen
Abkürzung,
Begriff
Erläuterung
ISO
International Standard Organization, internationale Normungsorganisation.
www.iso.ch
IEC
International Electrotechnical Commission , Internationale Elektrotechnische
Kommission, erstellt und veröffentlicht internationale Normen für
Elektrotechnik, Elektronik und verwandtze Gebiete. www.iec.ch
IEC 11801
Die internationale Entsprechung der TIA568B: Norm zur Definition strukturierter
Gebäudeverkabelungen. Legt auch die bekannten ISO-Klassen D, E, und F fest.
Klasse D
Leistungsklasse für strukturierte Gebäudeverkabelung nach ISO/IEC 11801 bis
100MHz
Klasse E
250MHz (Entwurf)
Klasse F
600MHz (Entwurf)
OSI
Open Systems Interconnection, globaler Rahmen für die Standardisierung
"Offener Kommunikation" zwischen kooperierenden Systemen. Die 7 Schichten
des OSI-Referenzmodells zerlegen, losgelöst von speziellen Implementierungen,
den Funktionskomplex Kommunikation in sieben schichtdiskrete hierarchische
Teilprozesse.
TIA
Telecommunications Industry Association, US-amerikanische
Normungsorganisation für (u.a.) Netzwerkstandards. http://www.tiaonline.org
TIA 568A
Commercial Building Telecommunications Cabling Standard, US-Norm zur
Definition strukturierter Gebäudeverkabelungen. Legt auch die bekannten Cat 5,
Cat 5e, Cat 6 etc. fest.
TIA 568B
Heute (seit April 2001) gültige Version der US-Norm
73
Cat 5
Engl. Abk. für Category 5 (Kategorie 5), Leistungsklasse für strukturierte
Gebäudeverkabelung nach TIA568 bis 100MHz, legt (unter anderem) die bei der
Endabnahme (Zertifizierung) anzuwendenden Grenzwerte für die zu messenden
Parameter fest.
Cat 5e
"verbesserte" (engl. enhanced) Cat 5 mit etwas verschärften Grenzwerten bis
100MHz, die ausreichende Reserven zur Übertragung von Gigabit Ethernet
(1000BaseT), für die Cat 5 ursprünglich nicht vorgesehen war, sicherstellen soll.
Entspricht ISO 11801 Klasse D.
Cat 6
Leistungsklasse für strukturierte Gebäudeverkabelung nach TIA568 bis 250MHz
(Entwurf)
Cat 7
Leistungsklasse für strukturierte Gebäudeverkabelung nach TIA568 bis 600MHz
(Entwurf)
EN
European Norm, dt. Europäische Norm. Oberbegriff für die vom CEN (Comité
Européenne de Normalisation) und CENELEC (Comité Européenne de
Normalisation Electrotechnique) erarbeiteten Normen.
EN 50173
"Europäisierte" Entsprechung der IEC 11801: Norm zur Definition strukturierter
Gebäudeverkabelungen.
Schnittstellendefinitionen/Steckernormen
Abkürzung,
Begriff
Erläuterung
RJ-45
Registered Jack, 8-Poliger Stecker
BNC
Bayonet Neill Concelman, für Koax-Verkabelungen üblicher BayonetSteckverbindertyp
RS-232, RS-232C
Recommended Standard 232, serielle Schnittstelle, an PCs heutzutage meist mit
DB-9 Steckergesicht
DB-9, DB-9M, DB9F
In der Computer- und Telekommunikationstechnik verbreiteter 9-poliger
Standard-Steckerverbinder. Einsatzbeispiele: Token-Ring- und FDDI-Netze (STP),
serielles Interface DB-9M (IBM AT Standard) eines Personalcomputers.
74
10 Base T
Standard: IEEE 802.3, steht für Ethernet mit 10 Mbit/s
Übertragungsgeschwindigkeit, Basisbandübertragung und TP-Verkabelung
(Twisted Pair)
100 Base TX
"Fast Ethernet" mit 100 Mbit/s
Twinax
Twinaxialkabel, elektrisches Nachrichtenkabel, dessen Aufbau dem Koaxialkabel
ähnelt, das jedoch zwei Innenleiter aufweist
Siemon Tera
"CAT 7" Steckverbinder, bei dem bis zu 4 Aderpaare einzeln geschirmt durch die
Steckverbindung geführt werden. Weist gegenüber RJ-45 Steckverbinder weit
bessere Leistungsdaten auf und kann daher bis zu weit höheren Frequenzen
eingesetzt werden. www.siemon.com
Kerpen E-Line 600 Weiterer "CAT 7" Steckverbinder, bei dem bis zu 4 Aderpaare einzeln geschirmt
durch die Steckverbindung geführt werden. Weist gegenüber RJ-45
Steckverbinder weit bessere Leistungsdaten auf und kann daher bis zu weit
höheren Frequenzen eingesetzt werden. www.kerpen.com
75
7. Störquellen
Auf die Verkabelung eines Netzes wirken die mannigfachsten elektromagnetischen Störquellen ein, z.
B. elektrisch angetriebene Maschinen, Leuchtstofflampen, die Computer, Kopierer, und vieles
andere. Aber auch die Kabel selbst verändern das Signal durch ihren ohmschen Widerstand und die
Tiefpaßcharakteristik. Alle Einflüsse ändern das eingespeiste digitale Signal - unter Umständen bis hin
zu Fehlern auf Empfängerseite. Das Bild zeigt die wichtigsten Störeinflüsse und deren Auswirkungen.
7.1
Dämpfung
Wie schon erwähnt, wirkt die Leitung wie ein Tiefpaßfilter: sie läßt nur niedrige Frequenzen durch,
hohe werden herausgefiltert. Diese Tiefpaßeigenschaft der Leitung zwingt dazu, nach einer gewissen
Leitungslänge Verstärker (Repeater) einzubauen, um das Signal wieder zu regenerieren. Das
Verhältnis von Aus- zu Eingangsspannung wird Dämpfung genannt und in Dezibel (dB) angegeben.
Dabei gilt:
1 dB = 20 * log(Eingangsspannung/Ausgangsspannung)
Ideal ist natürlich ein Verhältnis von 1:1 zwischen Ein- und Ausgangsspannung, also eine Dämpfung
von 0 dB. Das bleibt aber ein Ideal, da jede Leitung einen gewissen Widerstand hat. Die
naheliegendste Abhilfe liegt im Einsatz der Zwischenverstärker. Doch auch diesen sind prinzipielle
Grenzen gesetzt.
Auch mit Verstärkerelementen, sogenannten Repeatern, sind nicht beliebig lange Leitungen
realisierbar. Auf jede Leitung wirken Störungen ein. Diese elektrischen Signale weisen meist ein
zufällig verteiltes Frequenzspektrum auf. Alle möglichen Nutzfrequenzen werden also mehr oder
76
weniger stark gestört. Wichtig ist dabei,daß das Nutzsignal noch eindeutig erkennbar bleibt. Das
Amplitudenverhältnis von Nutz- und Rauschsignal (in dB) nennt man Störabstand oder auch SignalRausch-Abstand. Repeater können aber in der Regel nicht zwischen Nutz- und Störsignal
unterscheiden, sondern verstärken das gesamte Eingangssignal. Damit hat zwar das Ausgangssignal
einen hohen Pegel, aber der Signal-Rausch-Abstand hat sich dabei nicht verbessert. Auf der nächsten
Leitungsstrecke kommt zwangsläufig wieder Rauschen dazu, so daß mit wachsender Leitungslänge
das Nutzsignal von immer mehr Rauschen überlagert wird.
Wenn der Rauschpegel genauso groß ist wie der Nutzpegel, kann kein Empfänger mehr Nutz- und
Störsignal voneinander unterscheiden. Einige Tricks gibt es doch, der einfachste ist natürlich eine
möglichst undurchlässige Abschirmung der Leitung, um das Eindringen des Rauschens zu verringern.
Sonst wäre das weltumspannende Telefonnetz überhaupt nicht funktionsfähig.
Bei der Verlegung von Datenleitungen kommt es aber nicht allein auf eine gute Abschirmung an.
Immer dann, wenn es um die elektrische Anpassung der Leitung an ein Gerät oder eine andere
Leitung geht, kommt es auch auf die Beachtung des Eingangswiderstands oder der Impedanz der
Leitung an. Anpassung ist immer dann gegeben, wenn der Ausgangswiderstand der einen Leitung
genauso groß ist wie der Eingangswiderstand der anderen. Denn nur in diesem Fall kommt es nicht
zu Reflexionen an den Übergangsstellen. Sonst geht eine ankommende Welle nicht vollständig in das
neue Medium über, sondern wird teilweise an der Nahtstelle reflektiert und damit zum Störsignal.
7.2
Begrenzung der Bandbreite
Man kann sich ein typisches Digitalsignal auch zusammengesetzt aus einer größeren Anzahl von
Sinussignalen unterschiedlicher Freqenzen vorstellen. Je höher die Frequenz ist, desto geringer ist die
Amplitude des jeweiligen Signals. Von diesen Frequenzen gelangen nur die Anteile zum Empfänger,
die innerhalb der Bandbreite der Übertragungsstrecke liegen. Je geringer die Bandbreite des
Mediums ist, desto mehr wird das Rechtecksignal "verschliffen". Am Empfangsort muß dann die
Rechteckform wieder regeneriert werden. Nyquist hat eine Formel abgeleitet, mit der sich die
maximale Datenübertragungsrate bei gegebener Bandbreite ermitteln läßt. Bei einem Digitalsignal
(also zwei unterschiedliche Signalpegel) können bei einer Bandbreite von B (in Hertz) 2*B Bit pro
Sekunde Übertragen werden. Allgemein lautet die Formel für die Übertragungsrate C (in Bit/s) bei
einer Bandbreite B und einer Anzahl der Signalpegel M:
C = 2*B*ld(M)
In der Praxis wird dieser Idealwert natürlich nicht erreicht, weil andere Störgrößen (z. B. Rauschen)
dies verhindern. Eine Begrenzung der Bandbreite kann durch zu hohe Dämpfungswerte oder falsche
Kabeltypen hervorgerufen werden. Insbesondere sollte man bei der Twisted-Pair-Verkabelung die
geringe Mehrausgabe nicht scheuen und gleich Typ-5-Kabel für 100 MBit/s verwenden, auch wenn
man noch mit 10 MBit/s arbeitet. Bei einer späteren Aufrüstung ist das Neuverlegen wesentlich
teuerer. Meist tritt jedoch die Bandbreitenbegrenzung bei WAN-Verbindungen über Modem in
Erscheinung. Die derzeit erreichbaren Raten von 33600 bps und mehr sind bei normalen
Telefonverbindungen schon am Rande des technisch möglichen.
77
7.3
Verzerrungen durch Laufzeit
Die Geschwindigkeit, mit der ein sinusförmiges Signal in einem Medium transportiert wird, variiert
mit der Freqenz. Wenn also ein Rechtecksignal übertragen wird, das wir uns als Gemisch von
Sinussignalen unterschiedlicher Frequenz vorstellen, dann kommen die einzelnen Frequenzanteile zu
verschiedenen Zeiten beim Empfänger an (Laufzeitverzerrungen). Die Verzerrungen nehmen mit
steigender Datenrate noch zu, weil das Signalgemisch nicht homogen wie bei einem stetigen 0-1Wechsel ist. Die Signalanteile, die durch die Flanken des Digitalsignals hervorgerufen werden,
kommen häufiger vor und interferieren zusätzlich mit anderen Signalanteilen. Man spricht deshalb
auch von 'Intersymbol-Interferenzen'. Diese können dazu führen, daß bei der Abtastung des Signals
beim Empfänger in der nominellen Bitmitte Fehler auftreten können. Bei manchen
Empfängerschaltungen versucht man diesen Fehler zu umgehen, indem der Abtastzeitpunkt adaptiv
geändert wird. Die Laufzeitverzerrungen sind auch der Grund dafür, daß nicht beliebig viele Repeater
hintereinandergeschaltet werden können.
7.4
Rauschen
In einem idealen Übertragungskanal sind in Übertragungspausen außer dem Ruhepegel keinerlei
elektrische Signale festzustellen. In der Praxis stahlen jedoch mannigfache elektromagnetische
Wellen auf das Kabel ein. Quellen solcher Störsignale sind alle elektrischen Geräte und Maschinen in
der Umgebung der Leitung und nicht zuletzt auch die natürliche Strahlung von Erde und Atmosphäre.
Die Freqenzen und Feldstärken sind von zufälligen Faktoren abhängig. Alle diese auf das
Übertragungsmedium einwirkenden zufälligen Signale nennt man 'Rauschen'. Dieses Rauschen läßt
sich durch keinerlei Maßnahmen vollständig beseitigen, sondern nur mildern, z. B. durch
abgeschirmte Kabel.
Aber auch innerhalb der Übertragungsstrecke, etwa durch die Bewegung der Elektronen im Leiter
wird ein, wenn auch sehr schwaches, zusätzliches Signal erzeugt. In den Übertragungsweg
geschaltete Verstärker, z. B. Repeater, verstärken natürlich nicht nur das Nutzsignal, sondern auch
den Rauschanteil. Wenn das Rauschen einen gewissen Pegel übersteigt, kann dies zu
empfängerseitigen Fehlern führen.
Von besonderem Interesse ist das Verhältnis von Nutzsignal zum Störsignal, da dieses 'SignalRauschverhältnis' wie schon die vorher erwähnte Bandbreite die maximale Übertragungsrate
beeinflußt. Speziell bei der modulierten Übertragung spielt dieser Faktor eine wichtige Rolle. Das
Signal-Rauschverhältnis wird meist in Dezibel angegeben:
SR = 10 * log(Signalpegel/Rauschpegel) dB
Ein hoher Wert für SR impliziert einen weiten Abstand zwischen Signalpegel und Rauschpegel. Ein
niedriger Wert steht für 'schlechte' Leitungen. Ein schlechter Wert läßt sich immer auf zwei Wegen
verbessern; entweder durch Anheben des Signalpegels oder durch reduzieren des Rauschpegels. Das
theoretische Maximum der Datenübertragungsrate C abhängig von SR und der Bandbreite B wird
durch das Gesetz von Shannon-Hartley definiert:
C = B * ld(1 + SR) bps
Maßnahmen zur Senkung des Rauschpegels sind einerseits Abschirmung (beim Koaxkabel), im
Einstreuung von Störsignalen zu verhindern, und andererseits Differenzsignale (bei Twisted Pair), bei
denen sich die eingestreuten Störungen auf den beiden Leitungen kompensieren.
78
7.5
Reflexionen, Rückflussdämpfung, Nebensprechen
Die meisten Netzverkabelungen setzen mittlerweile auf einer einheitlichen physischen Infrastruktur
auf die bestimmten Anforderungen genügen muß. Die international wichtigsten Normen für
Netzwerkverkabelungen sind: TIA 56813, ISO/IEC 11801 und DIN/EN 50173. Die Normen
unterscheiden verschiedene Leistungsklassen der Netzwerkverkabelung: die TIA, die bekannten
Kategorien Cat 3, Cat 5, Cat 5E, Cat 6 und Cat 7, und die ISO/IEC und EN die Klassen C, D, E und F.
Category Type Spectral B/W Length LAN Applications
Notes
Cat3
UTP 16 MHz
100m 10Base-T, 4Mbps
Now mainly for telephone cables
Cat4
UTP 20 MHz
100m 16Mbps
Rarely seen
Cat5
UTP 100MHz
100m 100Base-Tx,ATM, CDDI Common for current LANs
Cat5e
UTP 100MHz
100m 1000Base-T
Common for current LANs
Cat6
UTP 250MHz
100m
Emerging
Cat7
ScTP 600MHz
100m
Die Normen definieren verschiedene Verbindungsarten, englisch "Link". Die Basic Link Definition
schließt die Messkabel mit ein.
79
Inzwischen wird aber normkonform nur noch nach Permanent Link oder Channel gemessen. Bei der
Permanent-Link-Messung (PL) darf der Einfluss der Messkabel nicht in die Messwerte eingehen.
Damit belegt der Installateur seinem Auftraggeber die Funktion genau der Strecke, die er installiert
hat, üblicherweise das fest verlegte Kabel inklusive der Dosen an beiden Enden. Die dritte LinkDefinition, der Channel, schließt die Patchkabel mit ein, mit der die Endgeräte an die fest installierte
Strecke angeschlossen werden. Bei dieser Messung wird der gesamte Übertragungsweg, über den die
Netzkommunikation läuft, erfasst. Nicht in den Messwerten niederschlagen dürfen sich nach der
normgemäßen Channel-Definition die Anteile der letzten Steckverbinder, mit denen die Patchkabel
an die Messgeräte angeschlossen werden. Ein automatischer Test an einer Netzverkabelungs-Strecke
schließt nach Norm die folgenden Messungen und Prüfungen ein:
•
Verdrahtungsplan (Wiremap): Überprüft werden alle vier Aderpaare und Schirme auf
Durchgang, Schluss und Vertauschung, wobei der Fehler "Split" besonders tückisch ist:
80
•
Laufzeit, Laufzeitunterschied und Längen (Delay, Delay Skew und Length): Das Messgerät
ermittelt die Signallaufzeiten auf allen Aderpaaren. Aus der Laufzeit errechnet der
Kabelscanner unter Verwendung des NVP-Werts die Kabellänge. Auf Grund der
unterschiedlichen Verdrillung sind die Laufzeiten auf den vier Aderpaaren leicht
unterschiedlich. Damit Übertragungen, die Daten parallel über mehrere Aderpaare
versenden, zuverlässig funktionieren, muß gewährleistet sein, daß die parallel gesendeten
Daten auch gleichzeitig ankommen.
•
Gleichstrom-Schleifenwiderstand (DC Loop Resistance): Den GleichstromSchleifenwiderstand sollte man nicht mit der Kabelimpedanz (komplexe Kabeleigenschaft)
verwechseln, deren Ermittlung im Rahmen einer normalen Abnahmemessung einer
installierten LAN-Verkabelung von keiner aktuellen Norm verlangt wird.
•
Dämpfung bzw. Ein fügedämpfung (Attenuation/Insertion Loss): Es wird die Dämpfung im
Frequenzbereich der zu Grunde gelegten Norm für jedes Aderpaar erfasst und bewertet.
•
Nahnebensprechen (Near End Crosstalk, NEXT): Da dieser Effekt frequenzabhängig ist,
wobbelt der Tester alle Frequenzen durch (daher der Name Cable-Scanner, WobbelMesstechnik), die die Norm für die betreffende Kategorie bzw. Klasse fordert, für Cat
6/Klasse E also von 1,0 bis 250 MHz. Im NEXT-Test sendet das Messgerät jeweils auf einem
Paar ein Signal und misst, wie viel davon in die verschiedenen benachbarten Paare
eingekoppelt wird. Bei einem 4-Paar-Kabel ergeben sich so sechs Aderpaar-Kombinationen,
nämlich 12-36, 12-45, 12-78, 36-45, 36-78 und 45-78, Entsprechend ergeben sich sechs
Frequenzgangkurven. Da das NEXT von beiden Seiten der Leitung gemessen werden muß,
erhält man insgesamt 12 Kurven. Starkes Übersprechen (niedriger Zahlenwert!) ist eine der
häufigsten Ausfallursachen bei Abnahmemessungen. Gute Kabelscanner zeigen das NEXT im
Abstand vom Messpunkt so, daß man Aufschluß darüber erhält, wie viel NEXT an den
Steckverbindungen oder auf der eigentlichen Kabelstrecke auftritt.
•
Attenuation to Crosstalk Ratio, ACR: Dies ist die Differenz von Dämpfung und NEXT und gibt
Auskunft über den Störabstand zwischen dem (gedämpften) Nutzsignal und dem Störsignal
81
NEXT. Der ACR wird nicht direkt gemessen, sondern auf Grundlage der gemessenen
Dämpfungs- und NEXT-Werte vom Tester errechnet.
•
Rückflussdämp fung (Return Loss, RL): Impedanzvariationen entlang der Verbindung führen
zu Signalreflexionen, die einerseits das zum anderen Ende gelangende Signal schwächen
(Anteile die reflektiert werden dringen nicht bis zur anderen Seite durch), andererseits aber
auch vom anderen Ende ankommende, entsprechend gedämpfte Signale stören könnten.
Speziell die Steckverbindungen sind, ähnlich wie beim NEXT, für RL kritisch. Allerdings
können auch schlechte oder bei der Installation beschädigte Kabel RL-Probleme verursachen.
Ein häufig unterschätztes Problem sind außerdem Impedanzsprünge zwischen Installationsund Patchkabel. Auch RL wird von beiden Seiten gemessen und in dB angegeben. Je größer
der Zahlenwert, umso besser. Ausnahmeregel: Liegt die Dämpfung der gemessenen Strecke
unter 3dB, wird das RL nicht bewertet, sondern nur informativ angegeben. Bei kurzen
Strecken "sieht" der Kabelscanner nämlich nicht nur die Reflexion vom Anfang der Strecke,
sondern teilweise auch vom anderen Ende (auf längeren Kabeln wird das vom fernen Ende
reflektierte Signal auf dem Rückweg zum Scanner so stark gedämpft, daß es keine
nennenswerte Rolle mehr spielt). Diese dann fast doppelt so starken Reflexionen können bei
Messgeräten, die diese normgemäße Ausnahmeregel nicht berücksichtigen, zu
Fehlbewertungen führen.
•
FEXT/ELFEXT (Far End CrossTalk/Equ al Level Far End CrossTalk): Hierbei wird, im Gegensatz
zu NEXT, das Übersprechen von einem Aderpaar auf die anderen am fernen Ende gemessen.
Da für den Signalempfang natürlich der Störabstand entscheidend ist und das Signal am anderen
Ende gedämpft ankommt, bezieht man den gemessenen FEXT-Wert nicht auf das Sendesignal in
seiner Originalstärke, sondern auf den Empfangspegel. ELFEXT ist also ein errechneter Wert, der aus
der Subtraktion der Dämpfung vom gemessenen FEXT entsteht und in dB angegeben wird. Anders als
NEXT kann FEXT richtungsabhängig sein, darum gibt es für jedes Ende der gemessenen Verbindung
12 Messwerte (Paarkombinationen), insgesamt also 24.
•
Power Sum NEXT, ACR und ELFEXT (PSNEXT, PSACR, PSELFEXT): Bei Gigabit-EthernetÜbertragungen über Klasse D Verkabelungen wird auf allen vier Aderpaaren gleichzeitig in
beide Richtungen gesendet und empfangen. Das auf jedem einzelnen Paar empfangene
Signal kann also von den Signalen gestört werden, die gleichzeitig auf drei anderen Paaren
übertragen werden. Das heißt, die Störungen, die von den drei anderen Paaren im Kabel
82
verursacht werden, addieren sich. Genauso werden auch die Power-Sum-Werte pro Paar
durch Addition der auf jedes Paar einwirkenden Störgrößen ermittelt. Es handelt sich also
nicht um Messungen, sondern um eine rechnerische Auswertung der zuvor mit den
Messungen von Dämpfung, NEXT und ELFEXT ermittelten Werte.
Ein genereller Problempunkt bei Messungen von Cat 6/Klasse E-Verkabelungen ist die elektrische
Kompatibilität von Stecker und Buchse. Natürlich paßt jeder RJ-45-Stecker mechanisch in jede RJ-45
Dose, aber harmonieren Stecker und Dose auch elektrisch? Die Hersteller müssen spezielle
Maßnahmen ergreifen, um die für Cat 6/Klasse E festgelegten Grenzwerte der Steckverbinder zu
garantieren. Meist sind das kleine Leiterplatten mit Kondensatoren, die durch geeignete
Verschaltung das in der gesteckten Verbindung (RJ-45 Stecker in Dose eingesteckt) entstandene
Übersprechen kompensieren. Der Kompensationsschaltkreis kann dabei in Stecker oder Dose
eingebaut sein. Wichtig für die Übertragungseigenschaften ist nur das hochfrequenztechnische
Gesamtergebnis von Dose und Stecker.
Die Erfüllung der Cat 6/Klasse E-Leistungsdaten von Steckern und Dosen verschiedener Hersteller
miteinander ist nicht garantiert. Das betrifft leider auch die Stecker an den Permanent-Link-Adaptern
der Kabeltester!
Für den Installateur bringt eine Channel-Messung Vorteile. Bei Messungen nach Permanent Link
werden ja die Permanent-Link-Adapter für jede Strecke einmal ein- und ausgesteckt. Die Stecker
unterliegen also ständigem Verschleiß. Da sie Teil des Messaufbaus sind, kann man die Stecker an
den Permanent-Link-Adaptern nicht einfach ersetzen, denn damit verändern sich die elektrischen
Eigenschaften des Messaufbaus, was zu Verfälschungen der Messwerte führt. Der Permanent-LinkAdapter ist also ein Verschleißteil, das normalerweise nach einigen tausend Messungen ersetzt
werden muß.
Im Gegensatz dazu werden Messungen mit dem Channel-Adapter und einem Patchkabel
durchgeführt. Das zum Zertifizieren verwendete Patchkabel kann dabei am Channel-Adapter
eingesteckt bleiben, hier gibt es also kaum Verschleiß am Adapter. Nur der Stecker am anderen Ende
des Patchkabels verschleißt, so daß nur dieses Kabel ersetzt werden muß.
CAT5, CAT5e, and CAT6 UTP Solid Cable Specifications Comparison
Category 5
Category 5e
Category 6
83
Frequency
100 MHz
Attenuation (Min. at 100 MHz) 22 dB
100 MHz
250 MHz
22 dB
19.8 dB
Characteristic Impedance
100 ohms ± 15% 100 ohms ± 15% 100 ohms ± 15%
NEXT (Min. at 100 MHz)
32.3 dB
35.3 dB
44.3 dB
PS-NEXT (Min. at 100 MHz)
no specification 32.3 dB
42.3 dB
ELFEXT (Min. at 100 MHz)
27.8 dB
PS-ELFEXT (Min. at 100 MHz)
24.8 dB
Return Loss (Min. at 100 MHz) 16.0 dB
Delay Skew (Max. per 100 m)
20.1 dB
no specification 45 ns
20.1 dB
45 ns
Erdschleifen
(Ground Loops) entstehen durch einen Potentialunterschied zwischen Sender und Empfänger. Durch
Erdschleifen werden u. U. sehr große Ströme auf der Abschirmung oder den Masseleitungen
hervorgerufen, wodurch auch Störungen auf die Signalleitungen gelangen (Induktion). Durch das nur
einseitige Erden der Abschirmung (meist im Verteiler oder am Patchfeld) lassen sich Erdschleifen
vermeiden. Eine aufwendigere Methode ist der Einsatz von Optokopplern, die Sender und Empfänger
galvanisch trennen.
Eine Erdung von Datenkabeln erfolgt eigentlich nur im Bereich explosionsgefährdeter
Industrieanlagen. Bei unsachgemäßer Verkabelung richtet die Erdung mehr Schaden als Nutzen an.
84
8. Repeater, Bridge, Router
Um die Längenbeschränkung eines Ethernet-Segmentes aufzuheben, verwendet man Repeater. Ein
klassischer Repeater verbindet zwei Ethernet-Segmente (10Base5 oder 10Base2), er ist mit je einem
Transceiver an jedes Segment angeschlossen. Ein Remote-Repeater ist ein Repeater-Paar, das durch
einen max. 1000 m langen Lichtwellenleiter verbunden ist. In jedem Netz dürfen höchstens vier
Repeater vorhanden sein, man erreicht so eine Gesamtlänge von 2500 m. Ein Remote Repeater-Paar
zählt dabei wie ein lokaler Repeater. An den Lichtwellenleiter können keine Ethernet-Stationen
angeschlossen werden. Der Repeater ist als reines Verstärkerelement in der untersten Schicht des
OSI-Modells angesiedelt.
8.1
Multiport-Repeater
Der Multiport-Repeater bietet die Möglichkeit, mehrere (typischerweise bis zu acht) CheapernetSegmente zusammenzuführen und über einen Transceiveranschluß mit dem Standard-Ethernet zu
verbinden. Bei zwei oder mehr anzuschließenden Cheapernet-Segmenten ist die Lösung
kostengünstiger als der Einsatz von Standard-Repeatern.
8.2
Hub
Analog dem Multiport-Repeater besteht die Funktion eines Hub darin, mehrere Twisted-PairKabelsegmente über einen Transceiveranschluß mit dem Ethernet zu verbinden. Das englische Wort
"Hub" bezeichnet die Nabe eines Speichenrades - wie die Speichen des Rades verteilen sich die
Leitungen sternförmig vom Hub aus. Der Begriff "Hub" steht also für fast alle
Verstärkerkomponenten, die eine sternförmige Vernetzung ermöglichen. Hubs haben immer
mehrere Ports zum Anschluß von mehreren Rechnern. Bei Twisted-Pair-Verkabelung ist meist einer
der Ports als "Uplink" schaltbar, d. h. es werden wie im 4. Kapitel beschrieben die Leitungen
gekreuzt. Auf diese Weise lassen sich die Hubs kaskadieren. Typisch sind Hubs mit 4, 8, 12, 16, 24 und
32 Ports.
Manche Repeater/Hubs lassen sich über spezielle Busports und in der Regel sehr kurze Buskabel
verbinden. Vorteil dieser herstellerspezifischen Kaskadierung ist, daß alle so verbundenen
Repeater/Hubs als ein Repeater bezüglich der Repeaterregel zählen.
85
8.3
Repeaterregel (5-4-3-Regel)
Die Anzahl der hintereinanderschaltbaren Repeater bei 10Base5 und 10Base2 ist jedoch limitiert
(Addition von Laufzeiten, Phasenverschiebungen, usw.). Ein Remote-Repeater-Paar (10Base5,
10Base2) mit einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen beiden Hälften wird als ein Repeater
betrachtet. Weiterhin gilt: Es dürfen nicht mehr als fünf (5) Kabelsegmente verbunden werden. Zur
Verbindung werden vier (4) Repeater benötigt und nur drei (3) der Segmente dürfen Rechner
angeschlossen haben. Bei Ethernet (10Base5) können so 5 Segmente zu je 500 m verbunden werden,
das gesamte Netz darf damit eine Ausdehnung von 2,5 km haben.
Man kann diese Regel auch auf Twisted-Pair-Hubs anwenden - auch hier kann man nicht beliebig
viele Hubs kaskadieren. Hier ist die Leitungslänge sogar auf ca. 100 m je Segment begrenzt. Eine
Erweiterung ist durch aktive Elemente möglich (Switch, Router).
8.4
Lichtwellenleiter (10BaseF, FOIRL) und Sternkoppler
Zur Verbindung von Gebäuden werden oft Lichtwellenleiter (LWL) verwendet. Außerdem können mit
ihnen in Gebäuden längere Entfernungen als mit Koaxkabeln überbrückt werden. Lichtleiter können
wie TwistedPair auch im Ethernet-Verkehr nur für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen eingesetzt werden.
Lichtleiter werden zwischen Bridges, Switches und/oder Repeatern, einem Repeater und einer
einzelnen Station mit Transceiver oder zwischen zwei Stationen mit Transceivern verwendet.
Als Industriestandard für Lichtleiterprodukte hatte sich ursprünglich FOIRL (Fiber Optic
InterrepeaterLink) durchgesetzt. Inzwischen wurde FOIRL vom offiziellen IEEE 802.3 10BASE-FLStandard abgelöst, daher sollte man heute nur noch 10BASE-FL konforme Geräte einsetzen. An
einem FOIRL-Segment kann ein FOIRL-kompatibles Gerät mit einem 10BASE-FL-Transceiver gemischt
werden. In diesem Fall gelten jedoch die strengeren FOIRL-Regeln. Normalerweise ist das eingesetzte
LWL-Kabel ein Multimode- (MMF-) Kabel mit ST- oder SC-Steckern. Die maximale Länge des Kabels ist
2000 m beim Einsatz von 10BASE-FL-Komponenten, 1000 m bei FOIRL.
86
Sternkoppler können als Verstärker betrachtet werden, jedes Datenpaket, das von einem
angeschlossenen Segment stammt, wird in alle anderen Segmente verbreitet, einschließlich
Kollisionen und fehlerhafter Pakete.
An einen Sternkoppler können Koax- oder Cheapernet-Segmente angeschlossen werden. Zudem gibt
es direkte Transceiver-Anschlüsse und mittlerweile auch Anschlüsse für Twisted-Pair-Kabelsegmente.
8.5
Bridge
Eine Bridge trennt zwei Ethernet-LANs physikalisch, Störungen wie z. B. Kollisionen und fehlerhafte
Pakete gelangen nicht über die Bridge hinaus. Die Bridge ist protokolltransparent, d. h. sie überträgt
alle auf dem Ethernet laufenden Protokolle. Die beiden beteiligten Netze erscheinen also für eine
Station wie ein einziges Netz. Durch den Einsatz einer Bridge können die Längenbeschränkungen des
Ethernets überwunden werden, den sie verstärkt die Signale nicht nur, sondern generiert
senderseitig einen neuen Bitstrom. Die Bridge arbeitet mit derselben Übertragungsrate, wie die
beteiligten Netze. Die Anzahl der hintereinandergeschalteten Bridges ist auf sieben begrenzt (IEEE
802.1). Normalerweise wird man aber nicht mehr als vier Bridges hintereinanderschalten.
Jede lokale Bridge ist über Transceiver an zwei Ethernet-LANs angeschlossen. Die Bridge empfängt
von beiden Netzsegmenten, mit denen sie wie jede normale Station verbunden ist, alle Blöcke und
analysiert die Absender- und Empfängeradressen. Steht die Absenderadresse nicht in der
brückeninternen Adreßtabelle, so wird sie vermerkt. Die Bridge lernt und speichert so die
Information, auf welcher Seite der Bridge der Rechner mit dieser Adresse angeschlossen ist. Ist die
Empfängeradresse bekannt und der Empfänger auf derselben Seite wie der Absender, so vewirft die
Bridge das Paket (filtert es). Ist der Empfänger auf der anderen Seite oder nicht in der Tabelle, wird
das Paket weitergeschickt. Die intelligente Bridge lernt so selbständig, welche Pakete weitergeschickt
werden müssen und welche nicht. Bei managebaren Bridges können zusätzliche Adreß-Filter gesetzt
werden, die regeln an welche Adressen die Bridge Informationen immer weiterschicken muß oder
nie weiterschicken darf. Eine Bridge arbeitet auf der Ebene 2 des OSI-Schichtenmodells.
Bridges können Ethernet-Segmente auch über synchrone Standleitungen, Satellitenverbindungen,
Funkverbindungen, öffentliche Paketvermittlungsnetze und schnelle Lichtleiternetze (z.B. FDDI)
verbinden. In der Regel müssen solche Bridges immer paarweise eingesetzt werden.
87
Bridges sind komplette, relativ leistungsfähige Rechner mit Speicher und mindestens zwei
Netzwerkanschlüssen. Sie sind unabhängig von höheren Protokollen (funktionieren also z.B. mit
TCP/IP, DECnet, IPX, LAT, MOP etc. gleichzeitig) und erfordern bei normalem Einsatz keine zusätzliche
Software oder Programmierung. Nach Außen bildet ein mittels Bridge erweitertes LAN weiterhin eine
Einheit, welches eine eindeutige Adressierung bedingt. Eine Bridge interpretiert die MAC-Adressen
der Datenpakete. Weitere Features einer Bridge sind:
•
Ausfallsicherheit
Störungen gelangen von der einen Seite einer Bridge nicht auf die andere Seite. Sie werden
auch in diesem Sinne zum Trennen von sog. Kollisions-Domänen (collision domain)
eingesetzt.
•
Datensicherheit
Informationen, die zwischen Knoten auf einer Seite der Bridge ausgetauscht werden, können
nicht auf der anderen Seite der Bridge abgehört werden.
•
Durchsatzsteigerung
In den durch Bridges getrennten Netzsegmenten können jeweils unterschiedliche DatenBlöcke gleichzeitig transferiert werden. Hierdurch wird die Netzperformance erhöht.
Allerdings erzeugen Brücken dadurch, daß sie die Blöcke zwischenspeichern eine zusätzliche
Verzögerung und können deswegen bei kaum ausgelasteten Netzen die Performance sogar
verschlechtern.
•
Vermeidung von Netzwerkschleifen
Eine Bridge unterstützt den sog. "Spanning-Tree-Algorithmus", wodurch es möglich ist, auch
Schleifen- oder Ring-Konfigurationen (= redundante Verbindungen) im Netz zu erlauben. Die
Bridges im Netz kommunizieren miteinander, im Gegensatz zu "dummen" Repeatern oder
Hubs, und stellen über den Algorithmus sicher, daß bei mehreren redundanten
Verbindungen immer nur eine gerade aktiv ist.
Weitere Kenndaten einer Bridge sind die Größe der Adreßtabelle, die Filterrate, und die Transferrate.
Die Größe der Adreßtabelle gibt an, wieviele Adressen (Knoten) insgesamt in der Bridge gespeichert
88
werden können. Die Filterrate gibt an, wieviele Pakete pro Sekunde (packets per second, pps) eine
Bridge maximal empfangen kann. Bei voller Last und minimaler Paketlänge können in einem
Ethernet-Segment theoretisch bis zu 14.880 Pakete pro Sekunde auftreten. Auf beiden Ports hat eine
2-Port-Bridge also insgesamt maximal 29.760 Pakete pro Sekunde zu filtern. Alle modernen Bridges
erreichen diese theoretisch möglichen Maximalwerte. Die Transferrate gibt an, wieviel Pakete pro
Sekunde die Bridge auf die andere Seite weiterleiten kann. Der Maximalwert ist hier 14.880 pps, da
bei dieser Transferrate beide Segmente voll ausgelastet sind.
8.6
Switch
Der Switch ist wie die Bridge ein Gerät des OSI-Layers 2, d. h. er kann LANs mit verschiedenen
physikalischen Eigenschaften verbinden, z. B. Koax- und Twisted-Pair-Netzwerke. Allerdings müssen,
ebenso wie bei der Bridge, alle Protokolle höherer Ebenen 3 bis 7 identisch sein! Ein Switch ist somit
protokolltransparent. Er wird oft auch als Multi-Port-Bridge bezeichnet, da dieser ähnliche
Eigenschaften wie eine Bridge aufweist. Jeder Port eines Switch bildet ein eigenes Netzsegment.
Jedem dieser Segmente steht die gesamte Netzwerk-Bandbreite zu Verfügung. Dadurch erhöht ein
Switch nicht nur - wie die Bridge - die Netzwerk-Performance im Gesamtnetz, sondern auch in jedem
einzelnen Segment. Der Switch untersucht jedes durchlaufende Paket auf die MAC-Adresse des
Zielsegmentes und kann es direkt dorthin weiterleiten. Der große Vorteil eines Switches liegt nun in
der Fähigkeit seine Ports direkt miteinander verschalten zu können, d. h. dedizierte Verbindungen
aufzubauen.
Was ist nun der Unterschied zwischen einem Switch und einer Multiport-Bridge? Bei den Produkten
der meisten Hersteller gibt es keinen. "Switch" klingt nach Tempo und Leistung, deswegen haben
viele Hersteller ihre Multiport-Bridges Switches genannt. Der Begriff Switch für Multiport-Bridges
wurde von der Firma Kalpana (inzwischen von Cisco aufgekauft) kreiert, da deren Produkte nicht der
IEEE-Spezifikation einer Bridge entsprachen, konnte Kalpana die Produkte nicht Bridges nennen und
hat den Namen Switch gewählt. Kalpana war nun sehr erfolgreich mit dem Marketing ihrer Switches.
Deswegen haben andere Hersteller ihre Bridges auch Switch, Switch mit Bridge-Eigenschaften oder
"Bridging Switch" genannt. Switches brechen die Ethernet-Busstruktur in eine Bus-/Sternstruktur auf.
Teilsegmente mit Busstruktur werden sternförmig über je einen Port des Switch gekoppelt. Zwischen
den einzelnen Ports können Pakete mit maximaler Ethernet-Geschwindigkeit übertragen werden.
Wesentlich ist die Fähigkeit von Switches, mehrere Übertragungen zwischen unterschiedlichen
Segmenten gleichzeitig durchzuführen. Dadurch erhöht sich die Bandbreite des gesamten Netzes
entsprechend. Die volle Leistungsfähigkeit von Switches kann nur dann genutzt werden, wenn eine
geeignete Netzwerktopologie vorhanden ist bzw. geschaffen werden kann. Die Datenlast sollte nach
Möglichkeit gleichmäßig über die Ports verteilt werden. Systeme, die viele Daten übertragen, müssen
unter Umständen an einen eigenen Switch-Port angeschlossen werden. Dies bezeichnet man dann
als Private Ethernet. Außerdem sollte man versuchen, Systeme die viel miteinander kommunizieren,
an einen gemeinsamen Port des Switches anzuschließen, um so die Datenmengen, die mehr als ein
Segment durchlaufen müssen, zu reduzieren.
89
Es haben sich drei grundlegende Realisierungsformen für Switches etabliert:
•
Shared Memory: Alle Schnittstellen kommunizieren über einen zentralen Speicher. Bei dieser
meist recht preisgünstigen Realisierung steht oft nur ein einfacher interner Rechnerbus zur
Verfügung.
•
Common Bus: Die Schnittstellen verfügen über einen lokalen Speicher und werden über
einen gemeinsamen Bus mit den anderen Schnittstellen verbunden. Der interne Bus ist in der
Regel schneller getaktet als die externen Schnittstellen (Zeitmultiplex) oder erlaubt als so
genannte Backplane mehrere parallele Verbindungen (Raummultiplex).
•
Crosspoint Matrix: Die Schnittstellen verfügen über einen lokalen Speicher und werden über
eine flexible und leistungsfähige Schaltmatrix mit den anderen Schnittstellen verbunden.
Diese Realisierungsform erlaubt in der Regel die höchste Leistungsfähigkeit, bedingt aber den
größten Hardwareaufwand.
90
Allgemein haben sich in der Switch-Technologie zwei Methoden der Weiterleitung
herauskristallisiert:
•
Cut-Through bzw. On The Fly
Der Ethernet Switch wartet im Gegensatz zu normalen Bridges nicht, bis er das vollständige
Paket gelesen hat, sondern er überträgt das ankommende Paket nach Empfang der 6-ByteDestination-Adresse. Da nicht das gesamte Paket bearbeitet werden muß, tritt eine
Zeitverzögerung von nur etwa 40 Mikrosekunden ein. Sollte das Zielsegment bei der
Übertragung gerade belegt sein, speichert der Ethernet Switch das Paket entsprechend
zwischen. Bei den Switches werden, im Gegensatz zu Bridges, mit Ausnahme von short
frames (Pakete, die kleiner als die minimal zulässigen 64 Bytes sind), fehlerhafte Pakete auch
auf das andere Segment übertragen. Grund hierfür ist, daß die CRC-Prüfung (Cyclic
Redundancy Check) erst bei einem vollständig gelesenen Paket durchgeführt werden kann.
Solange der Prozentsatz von fehlerhaften Paketen im Netz gering ist, entstehen keine
Probleme. Sobald aber (z.B. aufgrund eines Konfigurationsfehlers, fehlerhafter Hardware
oder extrem hoher Netzlast bei gleichzeitig langen Segmenten mit mehreren Repeatern) der
Prozentsatz der Kollisionen steigt, können Switches auch dazu führen, daß die Leistung des
Gesamtnetzes deutlich sinkt. Cut-Through-Switching bietet dann einen Vorteil, wenn man
sehr geringe Verzögerungen bei der Übertragung zwischen einzelnen Knoten benötigt. Diese
Technologie sollte also eingesetzt werden, wenn es darum geht, in relativ kleinen Netzen
eine große Anzahl Daten zwischen wenigen Knoten zu übertragen.
•
Store-and-Forward
Die Switches dieser Kategorie untersuchen im Gegensatz zu den vorher erwähnten das
gesamte Datenpaket. Dazu werden die Pakete kurz zwischengespeichert, auf ihre Korrektheit
und Gültigkeit überprüft und anschließend verworfen oder weitergeleitet. Einerseits hat dies
den Nachteil der größeren Verzögerung beim Weiterschicken des Paketes, andererseits
werden keinerlei fehlerhafte Pakete auf das andere Segment übertragen. Diese Lösung ist bei
größeren Netzen mit vielen Knoten und Kommunikationsbeziehungen besser, weil nicht
91
einzelne fehlerhafte Segmente durch Kollisionen das ganze Netz belasten können. Bei diesen
Anwendungen ist die Gesamttransferrate entscheidend, die Verzögerung wirkt sich hier
kaum aus.
Inzwischen sind Switching-Produkte (z.B. von 3Com, Cisco oder Allied Telesyn) am Markt, die beide
Technologien unterstützen. Dies geschieht entweder per Konfiguration (Software) oder automatisch
anhand der CRC-Fehler-Häufigkeit. Wird eine vorgegebene Anzahl von fehlerhaften Paketen
überschritten, schaltet der Switch automatisch von "Cut Through" auf "Store and Forward" um.
Die Performance eines Netzes kann man auf Basis vorhandener Standalone-Switches erhöhen, indem
zusätzliche Switches über die Ethernetports kaskadiert werden. Alle Switches erlauben die
Kaskadierung über einen einzelnen Ethernet-Port mit einer maximalen Transferrate von 10 Mbit/s
(bzw. 100 Mbit/s bei Fast Ethernet Switches). Kann man das Netz in Teilnetze unterteilen, zwischen
denen diese Transferrate ausreicht, ist dies eine sinnvolle Lösung. Doch meistens ist das nicht der
Fall. Die nächste und wohl beste Möglichkeit der Kopplung von Switches ist der Einsatz von
Produkten, die den Anschluß an einen High Speed Backbone erlauben. Im Gegensatz zu kaskadierten
Standalone-Switches können weitere Geräte an den Backbone gehängt werden, ohne daß Ports für
die Switch-zu-Switch-Verbindung verlorengehen. Eine Backbone-Lösung ist nicht nur schneller und
flexibler sondern für große Netze auch kostengünstiger. Man muß unterscheiden zwischen Lösungen,
die eine herstellereigene Verbindung benutzen (proprietär) und solchen, die auf einen Standard wie
Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, FDDI oder ATM setzen.
Unterschiede Hub - Switch:
Hub
•
Es kann immer nur ein Datenpaket nach dem anderen den Hub passieren
•
Geschwindigkeit 10 oder 10/100 Mbps bei Dual Speed Hubs
•
Hubs wissen nicht, an welchem Port welche Station angeschlossen ist, sie können es auch
nicht lernen. Hubs müssen nicht konfiguriert werden.
92
Switch
•
Mehrere Datenpakete können den Switch gleichzeitig passieren
•
Die Gesamtbandbreite (der Datendurchsatz) ist wesentlich höher als bei einem Hub
•
Switches lernen nach und nach, welche Stationen mit welchen Ports verbunden sind, somit
werden bei weiteren Datenübertragungen keine anderen Ports unnötig belastet, sondern nur
der Port, an dem die Zielstation angeschlossen ist
•
Geschwindigkeiten sind heute 10, 10/100 oder 1000 MBit/s (Gigabit Ethernet)
•
Switches müssen nicht konfiguriert werden
•
inzwischen preisgünstiger als Hubs
Latenzzeiten von Ethernet Switches
Aufgrund der Arbeitsweise unterscheiden sich das Cut-Through-Verfahren und Store-and-ForewardVerfahren in ihren Latenzzeiten. Der Cut-Through-Switch benutzt die Zieladresse als ein
Entscheidungskriterium, um einen Zielport aus einer Adresstabelle zu erhalten. Nach der
Bestimmung des Zielports wird eine Querverbindung durch den Switch geschaltet, und der Frame
wird zum Zielport geleitet Da diese Switching-Methode nur die Speicherung eines kleinen Teils des
Frames erfordert, bis der Switch fähig ist, die Zieladresse zu erkennen und den Switching-Vorgang
einzuleiten, ist die Latenzzeit in diesem Fall nur minimal. Die Latenzzeit für einen 10-Mbps-EthernetFrame berechnet sich wie folgt: Der Switch muss zunächst 14 Bytes einlesen (8 Bytes für die
Präambel und 6 Bytes für die Zieladresse). Für die Latenzzeit TL eines Cut-Through Ethernet-Switches
ergibt sich
TL = TI G + 14*8*TBK [µs]
Mit einem Interframe-Gap von TIG = 9,6 µs und einer Bitdauer von TBK = 0,1 µs:
TL = 9,6 + 14*8*0,1 = 9,6 + 11,2 = 20,8 µs
Ein Store-and-Forward-Switch speichert erst den gesamten Frame, bevor die Verarbeitung der
Datenfelder des Frames beginnt. Wenn der gesamte Frame im Zwischenspeicher angekommen ist,
wird ein CRC-Check durchgeführt, optional auch weitere Filteraktionen. Ist der Frame fehlerfrei, wird
er von Zwischenspeicher zum Zielport geleitet, anderenfalls verworfen. Für die Latenzzeit TL eines
Ethernet Store-and-Foreward Switches gilt also theoretisch mit der Framegröße FG:
TL = TI G + FG*8*TBK [µs]
Da die minimale Größe eines 10-Mbps-Ethernet-Frames 72 Bytes beträgt, gilt für die minimale
Latenzzeit TL min eines Store-and-Foreward Ethernet-Switches:
TL = TI G + 72*8*TBK [µs]
Mit einem Interframe-Gap von TIG = 9,6 µs und einer Bitdauer von TBK = 0,1 µs ergibt sich:
TL = 9,6 + 72*8*0,1 = 67,2 µs
93
Aufgrund der Speicherung des gesamten Frames ist die Latenzzeit beim Store-and-Foreward
Switching abhängig von der Framegröße, so daß für Frames maximaler Größe (1526 Bytes) gilt:
TL = 9,6 + 1526*8*0,1 = 1,23 ms
8.7
Router
Große Netzwerke wie das Internet bestehen aus vielen kleineren Teilnetzwerken. Die Verbindung der
verschiedenen Netze wird durch spezielle Rechner hergestellt. Das sind, neben Bridges, Switches und
Gateways, im Internet vor allem Router. Diese haben die Aufgabe, Daten zwischen Rechnern in
verschiedenen Netzen auf möglichst günstigen Wegen weiterzuleiten. Zum Beispiel wenn Rechner 1
im Netz B Daten an Rechner 2 im Netz C schicken möchte.
Router verbinden, im Gegensatz zu Bridges, in OSI-Schicht 3 auch Netze unterschiedlicher
Topologien. Sie sind Dreh- und Angelpunkt in strukturiert aufgebauten LAN- und WAN-Netzen. Mit
der Fähigkeit, unterschiedliche Netztypen sowie unterschiedliche Protokolle zu routen, ist eine
optimale Verkehrslenkung und Netzauslastung möglich. Routing wird erst dann erforderlich, wenn
Kommunikation zwischen Stationen in unterschiedlichen Subnetzen erfolgen soll. Sie sind nicht
protokolltransparent, sondern müssen in der Lage sein, alle verwendeten Protokolle zu erkennen, da
sie Informationsblöcke protokollspezifisch umsetzen. Klassische Beispiele in Heim- und KMU-Netzen
sind die ISDN- oder DSL-Router, welche die Verbindung zum Provider herstellen.
Router operieren in der Ebene 3 des OSI-Referenzmodells. Sie verbinden Netzwerke über die
entsprechenden Netzwerkprotokolle. Sie ermöglichen die Zerlegung großer Netzwerke in kleinere
94
Verwaltungseinheiten. Sie leiten Datenpakete der Netzwerkschicht weiter (forwarding) und treffen
Entscheidungen über Wegewahl und Erreichbarkeit zu anderen Netzwerken (routing). Der Router
muß dafür die Adressierungsstruktur in der Netzwerkschicht kennen. Bevor ein Router ein Paket mit
einer bestimmten IP-Adresse weiterleiten kann, muß er für diese Adresse zunächst den Weg durch
das Netz zum Zielrechner bestimmen. Das geschieht mit Hilfe spezieller Protokolle wie ARP, RIP,
OSPF, EGP/BGP. Er ist jedoch von der Schicht 2 unabhängig und kann deswegen verschiedene
Schicht-2-Welten (zum Beispiel Ethernet und Token Ring) miteinander verbinden. Ein Router
unterscheidet sich u.a. von einer Bridge darin, dass die Bridge für die Netzwerkteilnehmer völlig
transparent ist, während die Adresse eines Routers jedem Host im Netzwerk explizit bekannt sein
muß, wenn er dessen Dienste nutzen will. Ein Router kann einen von mehreren potentiellen Wegen
zur Weiterleitung der Daten aussuchen, wobei er seine Entscheidung mit Hilfe von Parametern, wie
zum Beispiel Übertragungszeiten, Knotenlast oder auch nur einfach Knotenanzahl, trifft. Wie Router
die Wegeentscheidung treffen, hängt wesentlich vom konkreten Protokoll der Schicht 3 ab.
In der Routingtabelle ist aber nicht der gesamte Weg zu einem Rechner mit einer bestimmten IPAdresse gespeichert. Vielmehr kennt der einzelne Router nur die nächste Zwischenstation (engl. next
hop) auf dem Weg zum Ziel. Das kann ein weiterer Router oder der Zielrechner sein.
Grundlegende Komponenten von Routern
Der Router besteht, wie ein Computer auch, aus CPU und Speicher. Dazu kommen mehrere
Netzwerkadapter, die eine Verbindung zu jenen Netzen herstellen, die mit dem Router verbunden
sind. Die Adapter sind meist über einen Systembus mit der CPU des Routers verbunden. Die CPU
wiederum hält im Hauptspeicher des Rechners die Routingtabelle vor.
LAN Interfaces:
Die meisten Router haben ein oder mehrere LAN-Interfaces, je nach Topologie für Token-Ring,
Ethernet, 100BASE-T Fast Ethernet, FDDI oder auch ATM. Für den Anschluß entsprechender Medien
sind entweder alternativ nutzbare Ports (z.B. Ethernet AUI, BNC, RJ45) vorhanden oder der Anschluß
ist als Einschub realisiert und kann daher den Erfordernissen angepaßt werden.
WAN Interfaces:
WAN-Leitungen werden von unterschiedlichen Anbietern mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten
angeboten. Entsprechend variieren die Kosten und die Schnittstellen. Für kleinere Anbindungen (z.B.
Workgroups) werden Verbindungen mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 64 Kbit/s
95
empfohlen. Es gibt natürlich Applikationen, wo eine geringere Übertragungsrate ausreicht. Werden
höhere Übertragungsraten benötigt, so bietet sich die in Europa übliche E1-Verbindung (im Prinzip
ein ISDN Primärmultiplexanschluß) mit einer Übertragungsrate von 2048 kbit/s an. Router haben
einen oder mehrere WAN-Ports, die entweder fest eingebaut sind oder bei modularen Modellen mit
entsprechenden Schnittstellenmodulen aufgerüstet werden können. Übliche physikalische
Schnittstellen für Synchronbetrieb sind RS449, V.35 und X.21, für asynchronen Betrieb das RS232Interface. Für den Anschluß an ISDN wird die S0-Schnittstelle verwendet.
Routing
Da, wie gesagt, Routing auf Schicht 3 stattfindet, wird in diesem Abschnitt auf das Internet-Protocol
vorgegriffen (siehe Kapitel 10: 10 TCP/IP).
Wenn einer der Netzwerkadapter ein Datenpaket erhält, so verarbeitet er zunächst die Schicht-2Protokolldaten, extrahiert dann das IP-Paket und reicht es zur weiteren Verarbeitung an die CPU
weiter. Diese entnimmt dem Paketkopf die IP-Adresse des Zielrechners. Wenn nicht der Router
selber adressiert ist, muß das Paket weitergeleitet werden. Dazu sucht die CPU in der Routingtabelle
nach der passenden Next-Hop-Information. Die Next-Hop-Information beinhaltet zum einen die
Nummer des Netzwerkadapters über den das Paket ausgegeben werden soll und zweitens die IPAdresse des Next-Hop. Diese Adresse übergibt die CPU des Routers nun zusammen mit dem IP-Paket
an den entsprechenden Netzwerkadapter. Dieser generiert daraus ein Schicht-2-Paket und sendet es
ab.
Werden auch Informationen im Kopf des Datagramms vor dem Weiterleiten geändert? Zunächst
einmal wird bei Eintreffen eines IP-Datagrammes überprüft, ob die Prüfsumme mit den Daten des
Paketes zusammenpasst. Wenn dies nicht der Fall ist, muß der Router eine Fehlermeldung an den
Absender schicken. Anschließend wird der Zähler "time-to-live" im Kopf des Paketes dekrementiert.
Erreicht er den Wert 0, wird das Paket verworfen. Auf diese Weise können Endlosschleifen
vermieden werden. Da sich der Inhalt des Paketes deswegen verändert hat, muß eine neue
Prüfsumme berechnet werden. Das neue Datagramm wird nun weitergeleitet. Ist eine lokale
Auslieferung möglich, ist die physikalische Zieladresse die MAC-Adresse des IP-Zieles. Im Falle einer
indirekten Auslieferung ist die physikalische Zieladresse die MAC-Adresse des Routers. Also ist die
Information über den Router nicht im Kopf eines IP-Paketes vermerkt. Der Weg eines Datagrammes
kann also nicht verfolgt werden.
Bevor ein Router ein Paket mit einer bestimmten IP-Adresse weiterleiten kann, muß er ggf. für diese
Adresse zunächst den Weg durch das Netz zum Zielrechner bestimmen. Das geschieht mit Hilfe
spezieller Protokolle wie ARP, RIP, OSPF, EGP/BGP.
96
Betrachten wir dazu ein stark vereinfachendes
Beispiel. Dabei werden lokale Netze im
folgenden nur noch als gelbe Ovale dargestellt.
Innerhalb eines lokalen Netzes hat jeder
Rechner eine eigene IP-Adresse. Zwei Netze
werden miteinander über Router (rotes
Rechteck) gekoppelt.
Bei der Verbindung von mehr als zwei Netzen
existieren Knotenpunkte, an denen eine
Richtungsentscheidung getroffen werden muß.
Router mit mehreren Interfaces legen den Weg
eines Paketes durch das Netz fest. Es ginge im
Prinzip auch nur mit einem Interface - aber auf
Kosten der Performance.
Das Konzept wird rasch an vielen Stellen
umgesetzt. Es entstehen miteinander
gekoppelte Netze. Aber noch haben nicht alle
Netze miteinander eine Verbindung.
97
Durch weitere Verbindungen haben nun alle
Netze Kontakt. Jeder Rechner kann mit jedem
anderen Rechner kommunizieren, auch wenn sie
nicht in zwei benachbarten Netzen liegen.
Durch Querverbindungen entsteht ein
vermaschtes System. Auch wenn eine der
Verbindungen ausfällt, kann die Kommunikation
weiterlaufen.
Durch die für das Routen notwendige Untersuchung des Datenpakets, erhöht sich die Verweilzeit der
Daten im Router selbst (Latenzzeit). Die eigentliche Stärke von Routern liegt in ihrer Fähigkeit mittels
bestimmter Algorithmen den bestmöglichen Weg für ein Datenpaket zum Empfänger aus seiner
Routing-Tabelle zu wählen.
Um die Daten "routen" zu können, ist es notwendig, daß der Router alle angeschlossenen
Netzwerkprotokolle versteht und diese auch die Fähigkeit des Routens unterstützen. Der Vorteil des
Routers gegenüber der Bridge ist die logische Trennung und die Bildung von (Sub-)Netzen bei TCP/IP
bzw. von Areas bei DECNET.
Weitere Features von Routern sind ihre Netzwerk-Management- und die Filter-Funktionen. Durch
98
geeignet gewählte Routing-Einstellungen ist es möglich, die Netwerk-Performance je nach
Anforderungen ans Netz zu verbessern. Die Filterfunktionen auf Netzwerk-Protokollebene sind
ähnlich wie bei der Bridge. Router bieten aber eine generell höhere Isolation da sie z. B. Broadcasts in
der Regel nicht weiterleiten. Außerdem können sie zusätzlich als "screening Router" verwendet
werden, indem z. B. bestimmten IP-Adressen der Zugriff auf bestimmte Netzteile verwehrt wird. Aus
den erwähnten Gründen sind Router in der Regel per Software konfigurierbar.
Bei Hochgeschwindigkeitsnetzen im Gigabitbereich ist die oben beschriebene Struktur eines Routers
nicht mehr ausreichend. Die CPU und der Systembus müßten dabei die Summe der
Übertragungsraten aller angeschlossenen Netzwerke verarbeiten können. Bei 2 GBit/s
Datenübertragungsgeschwindigkeit entspricht das bei einer angenommenen Paketgröße von 1000
Bits bis zu zwei Millionen IP-Paketen pro Sekunde und Netzwerkanschluß. Bei solchen
Hochleistungsroutern geht man dazu über, die Aufgabe des Weiterleitens von IP-Paketen den
einzelnen Netzwerkadaptern zu übertragen. Die Netzwerkadapter erhalten zu diesem Zweck eine
eigene CPU und Speicher, in dem sich eine Kopie der zentralen Routingtabelle des Routers befindet.
Trifft bei diesem Routermodell ein IP-Paket bei einem der Adapter ein, bestimmt dieser den NextHop und gibt das Paket direkt an den entsprechenden Ausgangsadapter weiter. Die CPU des Routers
ist nur noch für die Ausführung der Routingprotokolle und die Verwaltung der zentralen
Routingtabelle sowie anderer administrativer Aufgaben zuständig. Die zentrale Routingtabelle wird
im Fall einer Änderung anschließend in die Speicher der einzelnen Netzwerkadapter kopiert.
Die Routingtabelle
Eine einfache Tabelle über alle 2 32 (bei IPv4) bzw. 2 128 (bei IPv6) möglichen IP-Adressen wäre kaum
machbar. Schließlich kann ein Router über die direkt mit ihm verbundenen Netze nur maximal einige
tausend Rechner erreichen. In der Regel sind es sogar weniger als hundert. In der Routingtabelle ist
auch nicht der gesamte Weg zu einem Rechner mit einer bestimmten IP-Adresse gespeichert.
Vielmehr kennt der einzelne Router nur die nächste Zwischenstation (engl. next hop) auf dem Weg
zum Ziel. Das kann ein weiterer Router oder der Zielrechner sein.
Die IP-Adressen sind nicht einzeln wahllos auf Rechner in der ganzen Welt verstreut worden. Bei IPv4
ist der Adreßraum in fünf verschiedene Klassen A-E unterteilt worden, wobei hier nur die Klassen A C interessieren. Jede IPv4-Adresse besteht aus einer Klassenkennung, einer Netzadresse, einer
möglichen Subnetzadresse und einer Rechneradresse. Jede Organisation im Internet bekommt eine
Netzadresse aus einer bestimmten Klasse zugewiesen. Mit den Netzadressen der verschiedenen
Klassen sind unterschiedliche Kontingente von Rechneradressen verbunden, je nachdem wie viele
Adressen von einer Organisation benötigt werden. So sind die Netzadressen der Klasse B 16 Bit lang,
und für die Adreßverteilung innerhalb einer Organisation stehen 16 Bit zur Verfügung. Für die
mögliche Aufteilung in Subnetze und die Verteilung der Adressen an einzelne Rechner innerhalb der
Organisationen sind diese selber zuständig.
•
Class A-Netz: 1 Byte Netzadresse, 3 Byte Rechneradresse.
•
Class B-Netz: 2 Byte Netzadresse, 2 Byte Rechneradresse,
•
Class C-Netz: 3 Byte Netzadresse, 1 Byte Rechneradresse,
•
Class D-Netz: für Multicast-Anwendungen
99
•
Class E-Netz: für Experimente
Beispiel für drei IP-Netze mit Routern
Das folgende Netz besteht aus drei IP-Netzen, die über Router verbunden sind. Jeder Router hat zwei
Netzwerk-Interfaces, die jeweils in zwei der Netze hängen. Es ist nicht unbedingt erforderlich, für
jedes Netz ein eigenes Interface zu verwenden; über sogenannte 'virtuelle Interfaces' kann man
mehrere Netze auf ein Hardwareinterface legen.
Die Routing-Tabellen dazu sehen so aus:
Router 1
Router 2
Empfänger im Netzwerk Zustellung über
Empfänger im Netzwerk Zustellung über
192.168.0.0
direkt
192.168.0.0
192.168.1.1
192.168.1.0
direkt
192.168.1.0
direkt
192.168.2.0
192.168.1.2
192.168.2.0
direkt
Routingverfahren
100
Das Routing (Wegewahl, Pfadsteuerung) hat die Aufgabe, Pfade für die Übertragung durch ein Netz
festzulegen. Jeder Vermittlungsknoten fällt dabei eine Entscheidung auf welcher Übertragungsleitung
ein eingelaufenes Paket weitergeleitet werden soll. Im Prinzip läuft die Entscheidung innerhalb des
Routers folgendermaßen ab:
Beim Routing werden diverse Ziele verfolgt:
•
Geringe Paketverzögerung
•
Hoher Durchsatz
•
Geringe Kosten
•
Fehlertoleranz
Es gibt eine Reihe von Routingverfahren, die sich hinsichtlich Zentralisierung und Dynamik
unterscheiden:
•
•
Zentralisierung:
Wo werden Wegewahlen getroffen?
o
Zentral, in einem Netzkontrollzentrum.
o
Dezentral, verteilt über die Vermittlungsknoten.
Dynamik:
Welche Größen beeinflussen die Wegewahlen?
o
Nicht-adaptive Verfahren. Wegewahl sind fest vorgegeben oder lange Zeit konstant.
Der Zustand eines Netzes hat keinen Einfluß auf die Wegewahl.
101
o
Adaptive Verfahren. Wegewahlen hängen vom Zustand des Netzes ab (Topologie,
Lastveränderungen usw.).
Routing-Algorithmen benutzen zwei grundlegende Verfahrensweisen:
•
Teile der Welt mit, wer deine Nachbarn sind: Link-State-Routing-Protokolle (z. B. OSPF)
sorgen dafür, daß nach einiger Zeit jeder Router die vollständige Topologie des Netzwerkes
kennt und sich die kürzesten Wege darin selbst ausrechnen kann.
•
Teile deinen Nachbarn mit, wie für sie die Welt aussieht: Bei Distanzvektor-Protokollen (z. B.
RIP) teilen sich die Router untereinander nur mit, wie "gut" sie an verschiedene Zielknoten
angebunden sind. Durch Auswahl des für ein bestimmtes Ziel optimalen Nachbarn wird die
Suche nach dem kürzesten Weg auf mehrere Router verteilt.
•
Eine etwas verallgemeinerte Form der Distanzvektorprotokolle mit einer verbesserten Form
der Schleifenerkennung sind die Pfadvektor-Protokolle (z. B. das Border Gateway Protocol
(BGP)).
Weiterhin werden Routing-Algorithmen nach Ihrer Zentralisierung und Dynamik beurteilt:
•
Zentralisierung: Wo ist der Algorithmus lokalisiert? Zentral in einem Netzkontrollzentrum
oder dezentral verteilt auf die Vermittlungsknoten?
•
Dynamik: Bei nicht adaptiven Verfahren bleibt die Routingtabelle im Vermittlungsknoten,
verglichen mit der Verkehrsänderung, über längere Zeit konstant. Ist das Verfahren adaptiv,
hängen die Routingentscheidungen vom Zustand des Netzes ab (Topologie, Lastverhältnisse).
Aus diesen Punkten ergibt sich ein Zielkonflikt, da zentrale, nicht adaptive Verfahren das Netz
weniger mit Routingnachrichten belasten, aber möglicherweise veraltete und unvollständige
Informationen über den Zustand des Netzes benutzen. Je adaptiver und verteilter die
Routingverfahren sind, desto besser sind die Informationen über das Netz verteilt. Durch den
Austausch von häufigen Nachrichten mit Routinginformationen wird das Netz jedoch stärker
belastet. Die Routingverfahren suchen hier einen möglichst idealen Mittelweg.
Routingverfahren lassen sich auf dieser Basis in folgende Teile aufteilen:
•
•
Paketweiterleitung:
o
Verbindungslose Vermittlung (Datagramme)
Für jedes Datagramm wird die Wegewahl neu getroffen.
o
Verbindungsorientierte Vermittlung (Session-Routing)
Die Wegewahl wird bei der Verbindungserstellung getroffen. Alle Pakete einer
(virtuellen) Verbindung verwenden denselben Weg.
Wegewahl (Routing):
o
Routing-Protokoll (Protokoll zum Austausch von Informationen, die für die
Wegewahl benötigt werden).
o
Routing-Algorithmen (Verfahren zur Bestimmung von Wegen).
102
o
Routing-Tabellen (Datenstrukturen, die die Wegeinformationen speichern).
Statisches Routing
Statisches Routing (Static Routing, Directory Routing) ist nicht adaptiv und einfach aber sehr häufig
benutzt. Die Eigenschaften sind:
•
Jeder Knoten unterhält eine Routing-Tabelle, in der jeder mögliche Zielknoten durch eine
Zeile gekennzeichnet ist.
•
Jede Zeile enthält ein oder mehrere Einträge für die zu verwendende Übertragungsleitung in
Richtung des Zieles. Jeder Eintrag enthält auch eine relative Gewichtung.
•
Zum Weiterleiten eines Paketes wird sein Ziel bestimmt, die entsprechende Zeile aus der
Tabelle gesucht und aus ihr die "beste" Übertragungsleitung ausgewählt. Auf dieser wird das
Paket weitergesendet.
Zentralisiertes Routing
Zentralisiertes Routing arbeitet auf einem zentralen Knoten (Routing Control Center RCC). Es handelt
sich um ein adaptives Verfahren:
•
Jeder Knoten sendet periodisch Zustandsinformationen an das RCC (wie den
Leitungszustand, Auslastung, Verkehr usw.).
•
Das RCC sammelt diese Informationen und berechnet optimale Wege durch das gesamte
Netz.
•
Das RCC übermittelt Routingtabellen zu jedem Knoten.
In großen Netzen dauert die Berechnung sehr lange. Durch Ausfall des RCC kann das gesamte Netz
inoperabel werden.
Isoliertes Routing
Beim isolierten Routing wird die Wegewahl von jedem Knoten nur aufgrund von Informationen, die
er selber sammelt, getroffen. Eine Anpassung an den globalen Zustand eines Netzes ist nur mit Hilfe
beschränkter Informationen möglich.
Verteiltes adaptives Routing
Diese Verfahren sind gekennzeichnet durch:
•
Jeder Knoten tauscht periodisch Informationen für die Routing-Entscheidungen mit seinen
Nachbarn aus.
•
Routingtabellen werden anhand der Informationen von den Nachbarn bestimmt.
•
Routing-Informationen werden entweder in bestimmten Intervallen synchron ausgetauscht.
•
Routing-Informationen werden asynchron bei lokalen Änderungen an die Nachbarn
weitergegeben.
103
Hierarchisches Routing
Bei großen Netzen ist die Speicherung und Übermittlung von Routing-Tabellen kaum noch möglich
(Speicherplatz, Netzbelastung). Desweiteren verlangsamt das Durchsuchen langer Tabellen die
Weiterleitung der Pakete erheblich. Daher verfährt man wie folgt:
•
Aufteilung des Netzes in Regionen.
•
Die Knoten in den Regionen haben nur Routing-Informationen über die eigene Region.
•
Mindestens ein Knoten dient als Schnittstelle zu anderen Regionen.
•
Eine Hierarchisierung in Regionen, Zonen usw. ist möglich.
Routing im Internet
Prinzipiell unterscheidet man im Internet je nach Zweck zwei verschiedene Arten von Routing:
•
Intradomain-Routing findet innerhalb eines autonomen Systems statt (Intranet). Es
verwendet sogenannte Interior Gateway-Protokolle (IGP). Es geht in den meisten Fällen um
eine technisch effizienten Nutzung des Netzwerkes. Typisch ist eine Wegewahl entlang
kürzester Pfade. Der Administrator versucht, durch geschicktes Konfigurieren des Routings
das durch das Netzwerk übertragene Datenvolumen zu maximieren (Traffic Engineering).
•
Interdomain-Routing bezeichnet das Routing zwischen autonomen Systemen. Es verwendet
sogenannte Exterior Gateway-Protokolle (EGP), meist das Border Gateway Protocol (BGP). Da
Interdomain-Routing das Routing zwischen verschiedenen Providern regelt, liegt der Fokus
beim Interdomain-Routing normalerweise auf einer finanziell effizienten Nutzung des Netzes.
Dem zugrunde liegt die Idee, daß ein autonomes System nicht allen seinen Nachbarn die
gleichen Informationen (Routen) zukommen lässt. Welche Informationen ausgetauscht
werden, wird vertraglich geregelt und dementsprechend die Router konfiguriert. Man spricht
in diesem Zusammenhang auch von "policy-basiertem Routing".
(Der Namensbestandteil "domain" bezieht sich auf das autonome System, er hat nichts mit den
"DNS-Domains" zu tun.)
Zusammenwirken von Protokollen
Abhängig davon, ob ein Router Teil eines autonomen Systems ist oder dessen Grenze bildet,
verwendet er oftmals gleichzeitig Routing-Protokolle aus verschiedenen Klassen:
•
Interior Gateway Protocols (IGPs)
tauschen Routing-Informationen in einem einzelnen autonomen System aus. Häufig
verwendet werden:
o
IGRP/EIGRP (Interior Gateway Routing Protocol/ Enhanced IGRP)
o
OSPF (Open Shortest Path First)
o
IS-IS (Intermediate System to Intermediate System)
o
RIP (Routing Information Protocol)
104
o
•
•
MPLS (Multi-Protocol Label Switching)
Exterior Gateway Protocols (EGPs)
regeln das Routing zwischen verschiedenen autonomen Systemen. Dazu gehören:
o
BGP (Border Gateway Protocol) ist heute weltweit der de-facto-Standard (BGP4).
o
EGP (Exterior Gateway Protocol) verband früher die Internet-Backbones. Es ist
inzwischen veraltet.
Ad hoc Routing-Protokolle
werden in Netzen mit wenig oder keiner Infrastruktur verwendet.
8.8
o
OLSR (Optimized_Link_State_Routing) findet meist Verwendung im mobilen Bereich.
o
AODV (Ad-hoc On-demand Distance Vector-Routing) findet in kleineren Netzen mit
hauptsächlich statischem Traffic Verwendung.
Layer-3-Switching
Layer-3-Switching ist eine neue Technologie. Sie kombiniert leistungsfähiges Switching (Layer 2) mit
skalierbarem Routing (Layer 3). Herkömmliche Switches verwenden die MAC-Adresse der EthernetFrames zur Entscheidung, wohin die Frames transportiert werden sollen, während Router
Datenpakete anhand von Routingtabellen und Accesslisten auf Layer-3-weitervermitteln. Router sind
in vielen Installationen als reine LAN-to-LAN-Router im Einsatz, um Subnetze zu verbinden und die
Nebeneffekte von rein geswitchten Netzen, wie z. B. Broadcast-Stürme, fehlendes Subnetting etc. zu
verhindern. Router, die auf der Transportebene arbeiten, müssen jedes IP-Paket aus den EthernetFrames zusammenbauen und vielfältige Operationen an IP-Paketen durchführen. Dies führt zu einer
Verzögerungszeit und, im Vergleich zu Switches, geringerem Datendurchsatz. In reinen IP-Netzen
kann das Layer-3-Switching, auch "Fast IP" genannt, diese LAN-to-LAN-Router ersetzen. Der Layer-3Switch liest beim ersten IP-Paket sämtliche Frames dieses Paketes, analysiert die Absender- und
Empfänger-IP-Adressen und leitet das IP-Paket weiter. Alle nachfolgenden Frames dieses
Stationspaars können daraufhin anhand der MAC-Adresse weitergeleitet werden. Der Layer-3-Switch
behandelt IP-Pakete beim ersten Mal wie ein Router, nachfolgende Daten können auf Frame-Ebene
geswitcht werden. Nicht-IP-Daten, wie z. B. IPX-Pakete, werden vom Layer-3-Switch auf Layer 2
geswitcht. Das Konzept des Layer-3-Switching bedingt eine Erweiterung des Ethernet-Frameformats
und ist bisher nur proprietär implementiert. Die Erweiterung des Layer-3-Switching auf andere Layer3-Protokolle wie z.B. IPX ist geplant. Es ist anzunehmen, daß die herstellerspezifischen
Implementationen in einen gemeinsamen Standard münden.
8.9
Terminalserver
Ein Terminal-Server dient dazu, einem beliebigen Endgerät, sofern es eine serielle, asynchrone V.24
(RS 232 C)-Schnittstelle besitzt, die Verbindung zu einem Rechner herzustellen. Der Terminal-Server
ist über einen Transceiver an das Ethernet angeschlossen und stellt dem Terminal-Benutzer eine
Kommandoschnittstelle zur Verfügung, so daß er Verbindungen aufbauen, abbauen und Parameter
(z.B. Echo) setzen kann. Ein Terminal kann meist mehrere Verbindungen haben und zwischen ihnen
wechseln. Es gibt Terminal-Server für verschiedene Protokolle, z. B. für TCP/IP (Telnet) und DECnet
105
(LAT) oder auch beides zugleich. Die meisten Terminal-Server haben acht Ports zum Anschluß von
Endgeräten, sie können auch kaskadiert werden. Der Einsatz eines Terminal-Servers ist immer nötig,
wenn es für das Endgerät keine Möglichkeit gibt, eine Ethernet-Karte einzubauen.
8.10 Gateway
Gateways können völlig unterschiedliche (heterogene) Netze miteinander koppeln. Sie stellen einen
gemeinsamen (virtuellen) Knoten dar, der zu beiden Netzen gehört und den netzübergreifenden
Datenverkehr abwickelt. Gateways werden einerseits für die LAN-WAN-Kopplung (oder die LANWAN-LAN-Kopplung) andererseits für den Übergang zwischen unterschiedlichen Diensten verwendet
(z. B. das Absetzen von Fax-Nachrichten aus einem LAN).
Ein Gateway ist ein aktiver Netzknoten, der von beiden Seiten aus adressiert werden kann. Er kann
auch mehr als zwei Netze miteinander koppeln. Gateways behandeln auf beiden Seiten
unterschiedliche Protokolle bis hinauf zur Schicht 7. Insbesondere ist das Routing über Netzgrenzen
(korrekte Adressierung!) hinweg eine wichtige Aufgabe des Gateways. Man unterscheidet im
wesentlichen zwei Typen:
•
Medienkonvertierende Gateways (Translatoren), die bei gleichem Übertragungsverfahren die
Verbindung zwischen unterschiedlichen Protokollen der unteren beiden Ebenen (bei
unterschiedlichem Transportmedium) herstellen - also dort, wo ein Router nicht mehr
ausreichen würde.
•
Protokollkonvertierende Gateways, die unterschiedliche Protokolle der Ebenen 3 und 4
abwickeln und ineinander überführen.
Der Gateway unterstützt hauptsächlich zwei wichtige Dienste: Die Übermittlung
aufeinanderfolgender Nachrichten zwischen Quelle und Ziel als unabhängige Einheit und das
Etablieren einer logischen Verbindung zwischen Quelle und Ziel. Um auf die unterschiedlichen
Anforderungen der Flußkontrolle der zu verbindenen Netze eingehen zu können, muß der Gateway
gegebenfalls Daten zwischenspeichern. Ist eines der beteiligten Netze leistungsfähiger als das
andere, muß der Gateway dies erkennen und das "schnellere" Netz bremsen. Arbeiten beide Netze
mit unterschiedlichen Paketgrößen, müssen Datenpakete "umgepackt" werden. Dies kann ganz
einfach dadurch geschehen, daß zu große Pakete in kleinere Pakete aufgespalten und am Ziel
gegebenenfalls wieder zusammengesetzt werden.
8.11 Firewall-Rechner
Als Schutz vor Einbruchsversuchen in lokale Netze, die über einen Anschluß an öffentliche Netze
verfügen (z. B. Internet, aber auch ISDN), haben sich Firewall-Rechner, kurz 'Firewalls' bewährt.
Ähnlich der Zugbrücke einer Burg erlauben sie den Zugang nur an einer definierten Stelle. Damit läßt
sich der Datenverkehr von und nach außen kontrollieren. Normalerweise sind zahlreiche Rechner des
Unternehmens, die unter diversen Betriebssystemen laufen, direkt aus dem öffentlichen Netz
erreichbar. Eine Firewall kanalisiert die Kommunikation, indem alle Daten von und nach außen über
dieses System laufen müssen. Die Kanalisierung erhöht zudem die Chancen, einen Einbruchversuch
anhand ausführlicher Protokoll-Dateien zu erkennen, da der Eindringling erst die Firewall passieren
muß.
106
Eine Firewall kann aus einer einzelnen Maschine oder aus einer mehrstufigen Anordnung bestehen.
Eine mehrstufige Anordnung ist vor allem dann sinnvoll, wenn man bestimmte Dienste der
Öffentlichkeit zur Verfügung stellen will, etwa einen WWW- oder FTP-Server. Die entsprechenden
Hosts können dann in einem Zwischennetz isoliert werden.
Architektur mit Dualhomed-Host
Eine Architektur mit Dualhomed-Host wird um einen Rechner herum aufgebaut, der über mindestens
zwei Netzwerkschnittstellen verfügt. Ein solcher Host ist als Router zwischen den Netzen einsetzbar,
die an die Schnittstellen angeschlossen sind. Er kann dann IP-Pakete von Netz zu Netz routen. Für
diese Firewall-Architektur muß diese Routingfunktion jedoch deaktiviert werden.
IP-Pakete werden somit nicht direkt von dem einen Netz (dem Internet) in das andere Netz (das
interne, geschützte Netz) geroutet. Systeme innerhalb der Firewall und Systeme außerhalb (im
Internet) können jeweils mit dem Dualhomed-Host, aber nicht direkt miteinander kommunizieren.
Der IP-Verkehr zwischen ihnen wird vollständig blockiert. Die Netzarchitektur für eine Firewall mit
Dualhomed-Host ist denkbar einfach: der Dualhomed-Host sitzt in der Mitte, wobei er mit dem
Internet und dem internen Netz verbunden ist. Ein Dualhomed-Host kann Dienste nur anbieten,
indem er entsprechende Proxies (Stellvertreter) oder Gateways einsetzt. Es ist jedoch auch möglich,
direkte Nutzerzugriffe zu gestatten (Sicherheitsrisiko).
Architektur mit überwachtem Host
Die "screened host architecture" bietet Dienste von einem Rechner an, der nur an das interne Netz
direkt angeschlossen ist, wobei ein getrennter Router verwendet wird. Der Bastion-Host befindet
sich im inneren Netz. Auf diesem Router verhindern Paketfilter das Umgehen des Bastion-Host. Die
Paketfilterung auf dem Sicherheitsrouter muß so konfiguriert werden, daß der Bastion-Host das
einzige System im internen Netz darstellt, zu dem Rechner aus dem Internet Verbindungen aufbauen
können (das einzige "nach außen sichtbare" System). Zusätzlich sind nur gewisse Dienste zugelassen.
107
Alle externen Systeme, die auf interne Systeme zugreifen wollen, und auch alle internen Systeme, die
externe Dienste wahrnehmen wollen, müssen sich mit diesem Rechner verbinden. Daraus ergibt sich
ein besonderes Schutzbedürfnis für diesen Bastion-Host. Der Vorteil bei dieser Konstruktion ist die
Tatsache, daß ein Router leichter zu verteidigen ist. Dies liegt u. a. daran, daß auf ihm keine Dienste
angeboten werden. Nachteilig wirkt sich aus, daß bei einer eventuellen Erstürmung des Bastion-Host
das interne Netz vollkommen schutzlos ist.
Architektur mit überwachtem Teilnetz
Die "screened subnet architecture" erweitert die Architektur mit überwachtem Host um eine Art
Pufferzone, die als Grenznetz das interne Netz vom Internet isoliert. Diese Isolierzone wird auch
"Demilitarisierte Zone" (DMZ) genannt.
108
Bastion-Hosts sind von ihrer Art her die gefährdetsten Rechner in einer Firewallkonstruktion. Auch
wenn sie in der Regel mit allen Mitteln geschützt sind, werden sie doch am häufigsten angegriffen.
Die Ursache liegt darin, daß ein Bastion-Host als einziges System Kontakt zur Außenwelt unterhält.
Zur Software-Konfiguration einer Firewall existieren zwei Grundstrategien:
•
'Es ist alles erlaubt, was nicht verboten ist'
Dieser Ansatz schließt die Nutzung bestimmter Dienste (z. B. tftp, nfs) generell aus. Er ist
benutzerfreundlich, da neue Dienste automatisch erlaubt sind, aber auch gefährlich, da der
Administrator das Verhalten der Nutzer ständig beobachten und rechtzeitig
Gegenmaßnahmen treffen muß.
•
'Es ist alles verboten, was nicht erlaubt ist'
Diese Strategie könnte von den Nutzern als hinderlich angesehen werden, da diese neue
Dienste erst umständlich beantragen müssen. Sie schützt aber auch vor Sicherheitslücken im
Betriebssystem und in Anwendungsprogrammen, da sie den Zugriff auf unbekannte Ports
unterbindet.
Es gibt drei Arten von Firewall-Softwaresystemen:
•
Paketfilter überprüfen die Quell- und Zieladresse (IP-Adresse und TCP/UDP-Port) eines
Pakets und entscheiden, ob es passieren darf oder nicht. Der Vorteil besteht in der
Transparenz für den Anwender. Diese Transparenz ist aber zugleich von Nachteil: Paketfilter
können nicht zwischen Nutzern und deren Rechten unterscheiden. Paketfilter sind im
allgemeinen auf Routern angesiedelt und werden heute von den meisten Herstellern
mitgeliefert. Intelligente Paketfilter analysieren zusätzlich den Inhalt der Pakete und
109
erkennen auch die Zulässigkeit von Verbindungen, die einfache Paketfilter nicht erlauben
würden (z. B. Datenverbindung bei ftp).
•
Circuit Level Gateways sind mit Paketfiltern vergleichbar, arbeiten jedoch auf einer anderen
Ebene des Protokollstacks. Verbindungen durch solch ein Gateway erscheinen einer
entfernten Maschine, als bestünden sie mit dem Firewall-Host. Somit lassen sich
Infomationen über geschützte Netzwerke verbergen.
•
Application Gateways, auch 'Proxy' (Stellvertreter) genannt, stellen ein anderes FirewallKonzept dar. Hierbei wird auf dem Firewall-Host für jede zulässige Anwendung ein eigenes
Gateway-Programm installiert. Der Client muß sich dabei oftmals gegenüber dem ProxyProgramm authentifizieren. Dieser Proxy führt dann alle Aktionen im LAN stellvertretend für
den Client aus. Damit lassen sich zum einen benutzerspezifische Zugangsprofile (welche
Zeiten, welche Dienste, welche Rechner) erstellen, zum anderen kann man die Festlegung
der zulässigen Verbindungen anwendungsbezogen vornehmen. Die daraus resultierenden
separaten kleinen Regelsätze bleiben besser überschaubar als der komplexe Regelsatz eines
Paketfilters. Application Gateways sind typische Vertreter der 'Verboten-was-nicht-erlaubt'Strategie und als die sicherste, aber auch aufwendigste Lösung einzuschätzen.
Da beim Proxy alle Zugriffe nach außen über eine Instanz laufen, kann man den Proxy
gleichzeitig als Cache (Pufferspeicher) benutzen. Der Proxy speichert alle erhaltenen WWWSeiten zwischen, so daß er bei einem erneuten Zugriff darauf - egal, ob vom selben oder
einem anderen Anwender - keine Verbindung nach außen aufbauen muß.
Der Einsatz von Firewalls bietet sich auch innerhalb einer Organisation an, um Bereiche
unterschiedlicher Sensitivität von einander abzugrenzen. Firewalls bieten jedoch niemals
hundertprozentige Sicherheit! Sie schützen nicht vor dem Fehlverhalten eines authorisierten
Anwenders und können, etwa durch eine zusätzliche Modem-Verbindung, umgangen werden.
Mehr zu diesem Thema finden Sie im Firewall-Kapitel des Sicherheits-Skripts.
8.12 VLAN - virtuelle lokale Netzwerke
Was ist ein VLAN?
Die Abkürzung VLAN steht für "virtuelles LAN", also eine Netzstruktur mit allen Eigenschaften eines
gewöhnlichen LAN, jedoch ohne räumliche Bindung. Während die Stationen eines LAN nicht beliebig
weit auseinander liegen können, ermöglicht es ein VLAN hingegen, weiter entfernte Knoten zu einem
virtuellen lokalen Netzwerk zu verbinden.
VLANs sind geswitchte Netze, die logisch segmentiert werden können. Ohne Beschränkung durch die
räumliche Position ist möglich, Server und Workstations nach ihrer Funktion zu dynamischen
Arbeitsgruppen zusammenzufassen. VLANs können transparent und ohne physikalische
Veränderungen des Netzes eingerichtet werden. Eine Umgliederung ist ohne Umpatchen oder
Verlegen von Rechnern möglich, im Idealfall kann sie über Software erfolgen.
Ein VLAN ist weiters eine Broadcast- und Kollisionsdomäne, die sich auch über mehrere Switches
erstrecken kann. Der Broadcastverkehr ist nur in dem VLAN sichtbar. Diese Möglichkeit, VLANs
komplett voneinander zu isolieren, erhöht die Sicherheit. Der Verkehr zwischen VLANs muß geroutet
110
werden, hier gibt es Lösungen, die die Geschwindigkeit von Switches erreichen. Innerhalb des VLAN
ist hingegen kein Routing nötig.
Beliebige Netzteilnehmer aus verschiedenen Segmenten können nach unterschiedlichen Kriterien
(Switch-Port, MAC-Adresse, Protokoll der Netzwerkschicht, logische Netzwerkadresse, Applikation)
zu einem virtuellen Netz vereint werden, ohne daß das Netz physikalisch umstrukturiert werden
muß.
Warum virtuelle Netze?
•
Broadcasts werden nicht über das gesamte Netzsegment verbreitet
•
Einfache Abbildung der Organisationsstruktur auf die Netzwerkstruktur
•
Unterstützung dynamischer Workgroups
•
Räumliche Entfernung der Mitarbeiter spielt keine Rolle bei der Aufgabenverteilung
•
Jeder Mitarbeiter zieht etwa alle paar Jahre innerhalb des Unternehmens um, verbleibt aber
in seiner logischen Arbeitsgruppe
•
Server in zentralen Technikräumen werden entfernten Arbeitsgruppen zugeordnet
•
Teilweise kein Routing mehr nötig
Bisher wurden Netze mit Hilfe von Routern segmentiert. Router sind teuer, es entstehen viele
Subnetze, die Router beanspruchen viel Rechenzeit und der IP-Adressraum wird schnell zu klein.
VLANs vereinigen die Vorteile von Bridges und Routern: Eine Station kann leicht hinzugefügt,
entfernt oder geändert werden und das Netz kann strukturiert werden. Es können beispielsweise
virtuelle Benutzergruppen gebildet werden und es ist nicht mehr erforderlich, Benutzer nur deshalb
verschiedenen Subnetzen zuzuordnen, weil ihre räumliche Entfernung zu groß ist. Server, die in
zentralen Räumen untergebracht sind, können räumlich entfernten Workgroups zugeordnet werden.
VLANs können helfen, Geld zu sparen, denn Switches sind billiger als Router und leichter zu
administrieren. Gerade das Ändern von Subnetzadressen, das mit VLANs vermieden wird, ist in
großen Netzen sehr aufwändig und damit teuer. Der Broadcast-Traffic wird nicht auf alle Ports
übertragen, sondern bleibt im entsprechenden VLAN. Broadcasts in fremden VLANs sind nicht
sichtbar.
Realisierung von VLANs
VLANs werden mittels Switches gebildet. Diese unterstützen an jedem Port die volle Bandbreite und
transportieren die Daten schneller als Router. Netzteilnehmer können nach verschiedenen Kriterien
zu virtuellen Netzen vereinigt werden, und eine Management-Software ermöglicht ggf. eine
komfortable Verwaltung und Konfiguration der VLANs.
Zur Inter-VLAN-Kommunikation muß Routing eingesetzt werden. Entweder ist ein Router über
mehrere physische Ports als Teil mehrerer VLANs eingerichtet, oder es wird VLAN-Trunking
eingesetzt. In diesem Fall muß der Router VLAN-Tags erkennen und verändern können.
Abbilden von Ports auf VLANs
Ausgangsbasis sind ein Switch oder mehrere miteinander verbundene Switches, bei denen die Ports
111
unterschiedlichen VLANs zugeordnet werden. Die einfachste Form wäre ein Switch, bei dem die
Hälfte der Ports dem VLAN A und die andere Hälfte dem VLAN B zugeordnet ist. Um den
Geltungsbereich eines VLANs festzulegen, gibt es mehrere Strategien:
1. VLAN A belegt die Ports 1 bis k, VLAN B die Ports k+1 bis n.
2. Der Switch kann mit einer VLAN/Port-Zuordnung konfiguriert werden.
3. Der Switch kann mit einer VLAN/MAC -Adressen-Zuordnung konfiguriert werden. Er bestimmt
dann dynamisch die VLAN/Port-Zuordnung aufgrund der MAC-Adresse.
4. Der Switch kann mit einer VLAN/IP-Präfix-Zuordnung konfiguriert werden. Er bestimmt dann
dynamisch die VLAN/Port-Zuordnung aufgrund der Quell-IP-Adresse.
5. Der Switch kann mit einer VLAN/Protokoll-Zuordnung konfiguriert werden. Er bestimmt dann
dynamisch die VLAN/Port-Zuordnung aufgrund des Protokolltyps.
Bei den ersten beiden Punkten spricht man von "Port-basierenden VLANs", bei Punkt drei von "Level2-VLANs" und den letzten Punkten von "Protokoll-basierenden VLANs".
Port-basierende VLANs
Die Ports eines Switches werden unterschiedlichen VLANs zugeordnet. An einem Port können immer
nur Angehörige desselben VLANs angeschlossen sein. Die starre Zuordnung zwischen Port und VLAN
vereinfacht die Fehlersuche. Soll eine Station zu mehreren VLANs gehören, so sind aber mehrere
Netzwerk-Adapter nötig. Bei Broadcasts ist eine hohe Sicherheit gewährleistet. Die Flexibilität bei
Umzügen ist nicht groß, denn ein Umzug einer Station muß durch den Administrator im VLANManager nachgeführt werden. Im Gegensatz zu der Gruppierung nach MAC-Adressen oder IPAdressen kann das Engerät nicht einfach den Umzug bekannt geben und das VLAN automatisch
umgestaltet werden. Dieses Verfahren ist weit verbreitet, es ist durch IEEE 802.1Q standardisiert und
wird von vielen Herstellern unterstützt.
Level-2-VLANs
Die Zugehörigkeit zu einem VLAN richtet sich nach der MAC-Adresse. Der Switch muß bei jedem
empfangenen Datenpaket entscheiden, zu welchem VLAN es gehört. So können an einem Port auch
Stationen verschiedener VLANs angeschlossen sein, aber es kann in diesem Fall auch zu
Performance-Verlusten kommen. Der Umzug von Stationen ist leicht möglich, da die Zuordnung zum
VLAN ja erhalten bleibt. Problematisch ist die Initialisierung, da die MAC-Adressen aller Endgeräte
erfasst werden müssen. Gerade in großen Netzen, wo häufig VLANs eingerichtet werden müssen, ist
dann aber die VLAN-Konfiguration der einzelnen Arbeitsplätze wieder sehr zeitaufwendig.
112
Schema eines Netzwerkes aus zwei Layer-2 Switches und einem Router.
Der Layer-2-Switch interpretiert wie eine Bridge nur die MAC-Adresse der Pakete. Es kann aber im
Unterschied zu dieser parallel arbeiten und mehrere Pakete gleichzeitig weiterleiten, etwa von Port A
nach C und von B nach D.
Sobald jedoch mehrere Switches vernetzt sind, muß sichergestellt werden, daß die Adreßtabellen in
allen Switches konsistent sind. Dazu müssen regelmäßig Informationen über das Netz übertragen
werden. Genau dies ist aber das Hauptproblem der VLANs. Jeder Hersteller verwendet für diesen
Informationsabgleich eigene Verfahren. Deshalb verstehen sich die Switches verschiedener
Produzenten oft nicht. U. a. gibt es:
•
den regelmäßigen Austausch der Adreßtabellen mit MAC-Adressen und VLAN-Nummer. Die
Tabellen werden etwa einmal pro Minute ausgetauscht.
•
das Frame Tagging, bei dem die VLAN-Nummer als Tag vor das MAC-Paket gesetzt. Die
zulässige Paketlänge kann dabei überschritten werden.
•
das Zeitmultiplexverfahren, bei dem der Backbone zwischen den Switches in Zeit-Slots
aufgeteilt wird, die fest den einzelnen VLANs zugeordnet sind.
Protokoll-basierende VLANs
Layer-3-Switches bieten zusätzliche Möglichkeiten durch Basis-Routing-Funktionalität wie z.B. ARP.
Der externe Router wird somit oft überflüssig. Diese Variante ist langsamer, da auch Layer-3Informationen ausgewertet werden müssen. Die Zuordnung einzelner Datenpakete zu verschiedenen
virtuellen LANs geschieht durch Auswertung der Subnetzadressen oder portbasiert. Innerhalb eines
VLAN wird auf Layer 2 geswitcht. Bei der Verwendung nicht routingfähiger Protokolle treten
Schwierigkeiten auf und dynamische Adresszuordnungsverfahren können nicht eingesetzt werden.
113
Layer-3-Switches verwenden Routerfunktionen zur Definition virtueller Netze. Um effizient arbeiten
zu können, wird innerhalb eines VLAN nur gebridged.
Regelbasierende VLANs
Hier werden logische Zuordnungen eingesetzt und die VLAN-Zugehörigkeit wird anhand des Ports,
der MAC-Adresse, des Protokolls oder der Netzadresse bestimmt. Das System ist besonders flexibel,
der Administrator kann selbst eine Balance zwischen Sicherheit, Verkehrsoptimierung und Kontrolle
erreichen, aber dafür ist die Einrichtung aufwendig. Durch die Abarbeitung der einzelnen Regeln
ergibt sich eine hohe Latenzzeit.
Layer-2-Switches
Layer-2-Switches arbeiten unabhängig von darüber liegenden Protokollen auf der Data-Link-Layer
und garantieren eine transparente Verbindung der Endgeräte. Während des Betriebs lernt ein Switch
alle MAC-Adressen und ordnet sie in einer MAC-Tabelle den Anschlussports zu. In dieser Tabelle
sucht der Switch nach der Zieladresse und dem zugeordneten Zielport. Die Adresstabellen der
Switches müssen um die Adressen der VLANs ergänzt und immer am aktuellen Stand gehalten
werden. Dafür stehen hauptsächlich folgende Verfahren zur Verfügung:
•
Austausch der MAC-Adresstabellen
Wie beim Routing tauschen auch die Switches Informationen aus um ihre Adresstabellen
abzugleichen. Wird eine neue Station an das Netz angeschlossen, so erkennt der lokale
Switch am Port, zu welchem VLAN die Station gehört und ergänzt seine Adresstabelle. Dann
sendet er die MAC-Adresse und die Adresse des VLANs an die anderen Switches. Wenn alle
Switches die neue Endstation kennen, können deren Daten übertragen werden.
•
Time Division Multiplexing (TDM)
Beim Zeitmultiplexverfahren wird der Backbone, der die Switches verbindet, in Zeitslots
aufgeteilt und jedes VLAN erhält exklusiv einen oder mehrere Slots zur Datenübertragung.
Die Switches müssen nur wissen, welcher Zeitslot welchem VLAN zugeordnet ist. Es entfällt
zwar der Overhead durch den Austausch von Adresstabellen oder aufgrund von Tags, aber
Bandbreite, die von einem VLAN nicht genutzt wird, steht nicht für andere VLANs zur
Verfügung. Für den sinnvollen Einsatz dieses Verfahrens ist eine an das tatsächliche
Netzverhalten angepasste Zuordnung der Zeitslots nötig.
114
•
Frame Tagging
Das Frame Tagging wird am häufigsten eingesetzt. Beim impliziten Tagging werden keine
zusätzlichen Informationen in das Datenpaket eingefügt, sondern die Tagging-Information
wird aus der vorhandenen Header-Information hergeleitet und vom Switch in Tabellen
gespeichert. Dadurch werden vorhandene Standards nicht verletzt.
Beim expliziten Tagging wird in den Ethernet-Frame ein Marker (Tag) eingesetzt (VLAN-ID), der
angibt, zu welchem VLAN das Datenpaket gehört. Dadurch ist kein Austausch von Adresstabellen
nötig. Der erste Switch, der ein bestimmtes Datenpaket erhält, analysiert es auf seine VLANZugehörigkeit und fügt die Kennung des VLANs als Tag an. Das Paket wird am Backbone von Switch
zu Switch weitergeleitet, der letzte Switch entfernt das Tag und übergibt das Paket der Endstation.
Die Switches müssen sehr leistungsfähig sein, um möglichst mit Wirespeed die Paketinformationen
auswerten und mit den Tabellen vergleichen zu können.
Das Einfügen von zusätzlicher Information in das Paket ist problematisch, wenn die Datenpakete
schon die maximal zulässige Länge erreicht haben. Durch das Hinzufügen eines weiteren Tags
würden dann die Vorgaben des MAC-Protokolls verletzt, das Paket als fehlerhaft erkannt und
vernichtet. Daher setzen die Hersteller spezifische Techniken zur Vermeidung dieses Problems ein
(Kapselung - Encapsulation) - siehe unten.
Layer-2-Systeme sind leichter zu konfigurieren als Ebene-3-VLANs, benötigen weniger Software und
sind meist preisgünstiger und schneller. Außerdem sind sie protokollunabhängig und können auch
nicht routbare Protokolle bedienen.
Layer-3-Switches
Layer-3-Switches arbeiten auf der Netzwerkebene (Layer 3 des ISO/OSI-Modells). Sie integrieren
Routing-Funktionalität in die VLANs und machen externe Router zur Verbindung der VLANs
überflüssig. Daher werden sie auch als "Switched Router" bezeichnet. Layer-3-Switches können
Ebene-3-Informationen auswerten und deshalb VLANs auch abhängig vom verwendeten Protokolltyp
definieren. So kann man z.B. alle IP-Stationen oder alle Netware-Stationen ortsunabhängig zu einem
VLAN zusammenfassen. In Schicht-3-VLANs werden eigentlich nicht Endgeräte, sondern Datenpakete
den VLANs zugeordnet. Diese Zuordnung geschieht durch Auswerten der Subnetzadressen und es ist
kein Informationsaustausch zwischen den Switches wie bei den Layer-2-Systemen nötig.
Obwohl auch die Ebene-3-Informationen ausgewertet werden, muß die Routing-Funktionalität nur
zwischen den VLANs eingesetzt werden. Layer-3-Switches müssen auch Routing-Protokolle
beherrschen. Unbekannte Datenpakete werden innerhalb des VLANs an alle Stationen geschickt
(Broadcast). Der Broadcast-Traffic kann aber durch Bildung von Subnetzen eingedämmt werden.
Im Vergleich zu klassischen Routern erlauben Layer-3-Switches einen sehr schnellen Durchsatz auf
Ebene 3, da die Zuweisung der Daten über spezielle Hardware erfolgt. "Wirespeed Switched Router"
sind in der Lage, Pakete ohne Verzögerung, also mit Leitungsgeschwindigkeit, weiterzuleiten. Für den
Umzug von Mitarbeitern ist keine manuelle Rekonfiguration des Netzwerks nötig, sondern der Switch
lernt automatisch die neuen Verbindungen und baut daraus Routing- bzw. Switching-Tabellen auf.
Layer-3-Systeme sind für komplexe Netzwerke besser geeignet, der Overhead zur Synchronisation
fällt weg. Broadcast kann gezielter übertragen werden und es stehen Filtermöglichkeiten zur
Sicherung der VLANs zur Verfügung.
115
Dynamische VLAN-Bindung, Switch-Switch
Sehen wir uns nun den Fall an, wenn ein Switch an einen anderen Switch angeschlossen ist:
Auf der Verbindung zwischen den beiden Switches können Pakete entweder zu VLAN 1 oder VLAN 2
gehören. Das Schema zum Hinzufügen von zusatzlichen Informationen zu einem Paket ist vom IEEE
standardisiert. Es handelt sich um die "VLAN-Marke", damit Switches wissen, für welches VLAN ein
Paket bestimmt ist. Ein Endgerät wäre jedoch verwirrt, wenn es ein Paket mit einer VLAN-Marke
erhalten würde. Folglich müssen die Switches wissen, an welche Ports Switches und an welche Ports
Endgeräte angeschlossen sind. Ein Switch entfernt die VLAN-Marke vom Paket, bevor er es zu einem
Nicht-Nachbarswitch-Port weiterleitet.
Die VLAN-Marke ist eine 2-Byte-Zahl, die drei Bits für die Prioriät, zwölf Bits für eine VLAN-ID und ein
Bit enthält, das anzeigt, ob die Adressen im kanonischen Format vorliegen. Durch den Ethernet-Typ
81-00 wird angezeigt, daß eine VLAN-Marke vorhanden ist. Beispielsweise ist ein Ethernet-Paket
folgendermaßen aufgebaut:
116
Dasselbe Paket mit VLAN-Marke sieht dann folgendermaßen aus:
Ein Paket im 802.3-Format wird in ein Format mit einer VLAN-Marke umgesetzt, indem dieselben vier
Bytes (81-00 für Ethertype und die 2-Byte-VLAN-Marke) wie im Ethernet-Paket hinzugefügt wurden.
Die Längenangabe und weitere Felder werden analog nach hinten verschoben.
Auf anderen LANs als 802.3 ist es nicht möglich, das Ethernet-Format zu verwenden. In diesem Fall
wird eine andere Kodierung verwendet, um die VLAN-Marke einzufügen.
Ein Switch kann alle VLANs "lernen", die auf dem Port verügbar sind, der ihn mit einem anderen
Switch verbindet. Er tut dies auf der Grundlage der VLAN-Marken in den Paketen, die auf diesem Port
empfangen werden. Da die Endgeräte die VLAN-Marke nicht verstehen, muß der Switch so
konfiguriert sein, daß er niemals ein Paket mit einer VLAN-Marke zu einem Port sendet, auf dem sich
117
ein Endgerät befinden könnte. Einige Switch-Anbieter haben einen anbieterspezifischen
Mechanismus zum Informationsaustausch darüber, welche VLANs auf dem Switch-zu-Switch-Port
erreichbar sind. Auf diese Art lernt der Switch die VLANs über explizite Protokollnachrichten. Bisher
existiert jedoch kein Standard dafür.
118
9. Twisted-Pair-Verkabelung
9.1
Stecker und Buchsen
RJ45-Stecker zum
Aufpressen der Kabeladern RJ45-Einbaudose (Unterputz/Kabelkanal) RJ45-Buchse zum Einlöten
(Twisted-Pair-Stecker)
9.2
Steckerbelegung und Adernfarben
Der Standard DIN EN 50173 regelt die Kabelbelegung zumindest bei Kupferkabeln in Netzen. Es gibt
vier Kabelpaare:
Blick in die Buchse
Paar 1 Pins 4, 5
Paar 2 Pins 1, 2
Paar 3 Pins 3, 6
Paar 4 Pins 7, 8
•
Token Ring verwendet die Paare 1 und 3
•
10BaseT verwendet die Paare 2 und 3 (ebenso 100BaseTX)
•
100BaseT4 und VG-Anylan verwenden alle Paare
•
ISDN verwendet die Paare 1 und 3
•
ATM verwendet die Paare 2 und 4
119
•
TP-PMD verwendet die Paare 2 und 4
•
AS 400 verwendet das Paar 1
•
IBM 3270 verwendet das Paar 2
Pin-Numerierung von Stecker und Kabel
Adernfarben
Hier gibt es zwei Belegungen (die aber bis auf die Farben zum gleichen Ergebnis führen). Man muß
sich nur an einen der beiden Standards halten, damit man nicht durcheinander gerät. Normales
100BaseT- und 10BaseT-Kabel kommt mit den Adern an den Pins 1, 2, 3 und 6 aus. Die Pins 4, 5, 7
und 8 werden für 100BaseT4+ benötigt.
Standard EIA/TIA-T568A-Belegung:
Standard EIA/TIA-T568B-Belegung:
(Diese scheint die verbreitetste zu sein.)
Pin Farbe
Pin Farbe
1
Weiß/Grün
1
Weiß/Orange
2
Grün
2
Orange
3
Weiß/Orange
3
Weiß/Grün
4
Blau
4
Blau
5
Weiß/Blau
5
Weiß/Blau
6
Orange
6
Grün
7
Weiß/Braun
7
Weiß/Braun
8
Braun
8
Braun
120
Die Belegung ist grundsätzlich eins zu eins an beiden Steckern. Auf Dosen ist die Belegung
aufgedruckt (bzw. die LSA-Klemmen sind einfach in der entsprechenden Farbe markiert). Die
Kabelfarben kennzeichnen die verdrillten Adernpaare, die Paare müssen eingehalten werden.
Crossoverkabel
Crossoverkabel dienen zur Verbindung zweier Hubs. Auf diese Weise kann man die Zahl der
verfügbaren Rechneranschlüsse erhöhen. Beachten Sie aber, daß sich nur eine begrenzte Zahl von
Hubs kaskadieren lassen.
121
Anschlußbelegung der Twisted-Pair-Unterputz-Kanaleinbaudose
In der Regel wird das Fabrikat Telegärtner MJ45 LFS 8/8 verwendet. Die Darstellung zeigt die
Draufsicht (anschlusseitig) der Dose. Die obere Klemmenreihe ist für die linke Dose, die untere
Klemmenreihe für die rechte Dose. Beim Standardnetz sind nur vier Kabeladern pro Dose
anzuschliessen (Pins 1,2, 3 und 6, siehe oben).
Anschlußbelegung der Twisted-Pair-Stecker für Hub und Computer
122
Cable-Sharing, Y-Kabel
Y-Kabel sind spezielle Kabel, mit denen man ein voll ausgebautes RJ-45-Kabel, bei dem alle 4 Paare
des Kabels angeschlossen sind, als Verbindungsleitung für zwei Endgeräte benutzen kann. Sinn des
Ganzen ist, daß man nur ein Twisted-Pair-Kabel mit 8 Adern verlegen muß, um zwei Computer (oder
andere Geräte) anschließen zu können (jedenfalls bei niedrigeren Übertagungsraten).
An Ihrem Hub belegen Sie zwei Ports, die dann per Y-Kabel auf ein Kabel geleitet werden, das zu
einem Verteilungspunkt (Dose im Büro) verlegt ist. Von dort wird mit einem weiteren Y-Kabel zu
Ihren Endgeräten verteilen.
Schema der Verbindung:
123
Für die verschiedenen Sprach- und Datendienste sind in den internationalen Richtlinien
unterschiedliche Buchsenkontaktbelegungen festgelegt worden. Damit die Signalleitungen an den
richtigen Kontakten der Endgeräte angelegt sind, wurden für Y-Kabel (Cable Sharing Adapter)
verschiedene Ausführungen entwickelt:
•
mit Kontaktbelegung 1, 2, 3, 6 (Ethernet usw.)
•
mit Kontaktbelegung 3, 6, 4, 5 (Token Ring, Telefonanschluss, ISDN)
Es gibt auch fertige Adapter im Handel zu kaufen:
124
Der Cable-Sharing-Adapter wird immer paarweise eingesetzt. Auf der einen Seite am Verteiler, um
die beiden Dienste auf die Installationsleitung aufzuschalten und auf der anderen Seite (z. B. an der
Dose), um die Dienste vom 8-adrigen Anschluss wieder abzugreifen. Durch die flexible
Anschlußschnur wird eine gute Verteilung der Zugkräfte erreicht, die von der Anschlußschnur der
Endgeräte bzw. von den Patchkabeln auf den Adapter einwirken.
Verdrahtung des Kabels:
Verteiler für 2 Ethernet-Anschlüsse
125
Verteiler für Ethernet- und Telefon-Anschluß
Verteiler für 2 Telefon-Anschlüsse
100Base-T4 und 1000BaseT
100Base-T4 und 1000BaseT nutzen im Gegensatz zu 10BaseT alle 4 Adernpaare. Die Steckerbelegung
ist dann:
und das Crossover-Kabel wird folgendermaßen verdrahtet:
126
RJ-45-Stecker crimpen
Zuerst sollten Sie alles Benötigte bereitlegen. Für
eine TP-Verbindung braucht man das Kabel, zwei
Knickschutzhüllen, zwei Crimpstecker, eine
Crimpzange, ein scharfes Messer, einen
Schraubenzieher und eine Kabelschere oder
einen Seitenschneider.
Schieben Sie die Knickschutzhülle auf das Kabel.
Dann entfernen Sie ca. 2 cm der Isolierung. Oft ist
an der Crimpzange ein entsprechendes Werkzeug
vorhanden. Achten Sie darauf, die Abschirmung
und die Adern nicht zu verletzen.
Dazu noch ein Tipp von Thomas Schmieder:
Die Knickschutzhülle wird ja gerne vergessen.
Aber manchmal (oder eigentlich meistens) klappt
das Aufschieben nicht, da das Material des Kabels
und das der Hülle so aneinander kleben, dass man
127
eher einen Kopfstand auf der Wasseroberfläche
hinbekommt, als die Tülle aufzuschieben. Ein
winziges Tröpfchen Speiseöl hat mir schon oft die
Show gerettet.
Natürlich tut's auch etwas Vaseline oder ein
anderes Gleitmittel...
Nun öffnen Sie vorsichtig die Abschirmfolie und
klappen Sie diese nach hinten. Danach ordnet
man die Kabelpaare parallel entsprechend der
Adernbelegung nebeneinander an.
Halten Sie die Kabel etwa 10 mm von der
Isolierung entfernt parallel fest und schneiden Sie
alle Adern ca. 4 mm vor den Fingern ab. Ab da
sollten Sie die Adern weiter festhalten. Die Länge
der freiliegenden isolierten Adern muß zwischen
10 mm und 14 mm liegen. Manche Steckertypen
haben einen kleinen, rechteckigen Plastikschlitten
als Montagehilfe beiliegen. In diesem Fall werden
die Kabel zuerst in den Schlitten eingeschoben
und danach abgeschnitten. Der Schlitten hat
einen Nachteil: Manchmal kann man nicht
erkennen, ob er tief genug im Stecker sitzt (dann
gibt es keinen Kontakt beim abschließenden
Crimpen). Wenn man den Plastikschlitten mit
schwarzem Filzer am Rand einfärbt, kann man
seine Lage leichter erkennen und sie
gegebenenfalls korrigieren, indem man ihn mit
Pinzette oder Schraubendreher tiefer in den
Stecker schiebt.
128
Schieben Sie die Kabel in den RJ45-Stecker (das
Steckersichtfenster zeigt nach oben), und zwar
solange, bis die Kabel bündig am Steckerabschluß
sitzen. Sollte sich beim hineinschieben eine Ader
verkanten, alles nochmal herausziehen und neu
versuchen. Bei der Schlittenvariante führen Sie
den Schlitten mit den Adern in den Stecker ein
und stellen Sie sicher, daß alle Adern bis nach
ganz vorne durchgeschoben werden.
Beim nicht abgeschirmten Stecker: Während Sie
Kabel und Stecker mit der einen Hand festhalten,
schieben Sie mit dem Schraubenzieher die
Abschirmung vorsichtig rechts und links neben
die Adern in den Stecker (nicht zu tief). Damit
wird ein stabilerer Sitz des Steckers und eine
optimale Verbindung zwischen der Stecker- und
Kabelmasse erreicht. Die einzelnen Adern müssen
erkennbar sein, wenn man von vorne auf den
Stecker schaut.
Der Stecker wird vorsichtig in die Crimpzange
eingeführt (er paßt nur in einer Richtung) und bis
zum Anschlag hineingeschoben. Jetzt pressen Sie
die Crimpzange einmal kräftig zusammen (soweit
es geht), lösen sie wieder und ziehen den Stecker
heraus. Beim nicht-abgeschirmten Stecker
schieben Sie noch die Knickschutzhülle auf den
Stecker.
Nun sind die Litzen des Kabels fest mit dem
Stecker verpreßt und gleichzeitig die Isolierung
aufgetrennt worden - wie die folgende
Schemazeichnung zeigt.
Beim abgeschirmten Stecker werden die beiden
Metallzungen der Abschirmung mit einer
Flachzange vorsichtig um das Kabel
herumgebogen und festgedrückt. Achten Sie auf
guten Kontakt mit der Abschirmung des Kabels.
129
Dann kann auch hier die Knickschutzhülle
aufgeschoben werden.
Das Kabel sollte jetzt fertig sein und man kann es
testen. Das fertige Kabel wird mit einem
Kabeltester überprüft, indem auf die eine Seite
der entsprechende Adapter aufgesteckt und das
andere Kabelende in den Tester gesteckt wird.
Zur Not reicht auch ein Durchgangsprüfer.
Auflegen der Kabel am Patchfeld/an der Dose
In der Regel werden bei den Dosen zwei Varianten verwendet, entweder mit herkömmlichen
Schraubklemmen oder mit LSA-Klemmen. Zur Schraubklemmen-Variante ist nicht viel zu sagen. Die
Kabel werden abisoliert und die Abschirmung zurückgeschlagen. Anschließend wird auch die
Isolierung der einzelnen Adern auf ca. 5 mm Länge entfernt und jede Ader einzeln in die Klemme
eingeführt und verschraubt.
"LSA" steht für "löt-, schraub- und abisolierfrei". Bei diesem Verbindungsverfahren wird zum
Auflegen ein spezielles Werkzeug verwendet.
Mit dem LSA-Auflegewerkzeug werden die einzelnen Adern an der Dose oder am Patchpanel
aufgelegt. Damit wird jede Ader in einen Schlitz gequetscht und das überstehende Ende
abgeschnitten. So kann eine Dose zuverlässig in wenigen Minuten angeschlossen werden.
130
Zur Demonstation wird hier ein
Stecker-Patchfeld verwendet, bei
einer Dose ist die Vorgehensweise
aber dieselbe. Meist sind die
entsprechenden Leisten auch farbig
markiert oder zumindest beschriftet,
so daß man beim Auflegen der Kabel
eigentlich nichts falsch machen kann.
Das Kabel wird zuerst abisoliert. Hier sehen Sie eine
Kabelvariante, bei der die Adernpaare nochmals einzeln
abgeschirmt sind. Die Abschirmung des Kabels und die der
Adern wird nur soweit wie nötig zurückgeschlagen. Dann
werden die Adern entsprechend der Farbmarkierung in die
Schlitze der Leiste eingelegt. Man kann entweder erst alle
Kabel auflegen und dann die Verbindung herstellen oder man
bearbeitet Paar für Paar.
Liegt die Kabelader im Schlitz der
Leiste wird das Auflegewerkzeug
aufgesetzt und nach unten gedrückt.
Mit diesem Vorgang wird die
Kabelader abisoliert und die
Kuferlitze in einen V-förmigen Schlitz
aus Metall gepreßt, wo eine innige
Verbindung zwischen Litzte und
Metallkontakt hergestellt wird.
Gleichzeitig schneidet das Werkzeug
das überstehende Ende der Litze ab.
Die rechte Abbildung zeigt die
Situation bei einer Einzel-Steckdose.
131
Sind alle Adern korrekt aufgelegt, wird das Abschirmnetz
zurückgezogen, zusammen mit dem Kabel unter die
Zugentlastungs-Schelle gelegt und festgeklemmt. Die Schellen
sind jeweils für ein Kabelpaar, so daß man normalerweise erst
noch das zweite Kabel auflegt, bevor die Schraube der Schelle
festgezogen wird.
Zum Schluß wird als zweite Zug- und
Biegeentlastung das Kabel noch mit
einem Kabelbinder etwas weiter
hinten am Patchfeld befestigt. Bei
einer Doseninstallation entfällt dieser
Schritt. Dafür wird bei einer Dose
noch der Abschirmdeckel
zugeschraubt. Abschließend erfolgt
auch hier der Test der Verbindung
mit einem Kabeltester.
9.3
Fehlerquellen und Fehlersuche
Kabel beschädigt
Beschädigungen an Netzwerkkabeln können viele Ursachen haben: Anwender rollen achtlos mit
Bürostühlen über Leitungen, treten auf Kabel oder stellen Schränke darauf ab. Welche Folgen sich
daraus ergeben hängt neben dem Grad der Beschädigung (Quetschung, Kurzschluß, Unterbrechung)
von der verwendeten Netzwerkstruktur ab. Die schlimmsten Folgen ergaben sich bei den alten BusNetzen. Hier waren immer alle Rechner im Segment von der Störung betroffen. Bei den heutigen
Sternstrukturen sieht die Situation günstiger aus. Nur die angeschlossene Station wird durch das
beschädigte Kabel beeinflußt. Aber auch hier gibt es Ausnahmen: Handelt es sich bei der defekten
Leitung um ein Link-Kabel zwischen zwei Hubs/Switches, können die Auswirkungen auch ganze
Rechnerverbünde treffen.
"Mechanische" Beschädigung einer Leitung führt immer zu einer Änderung der elektrischen
Parameter. Der für Netzwerke wichtigste ist die Impedanz. Mit der Impedanz in direktem
Zusammenhang steht der im Kabel auftretende Reflexionsfaktor (siehe Kapitel 7). An der Störstelle
wird ein Teil (Quetschung) oder das komplette Signal reflektiert (Leerlauf und Kurzschluß). Die
typischen Symptome von beschädigten Leitungen sind Verlangsamung oder Teilausfall des
Datenverkehrs bei Quetschung des Kabels und Totalausfall des betroffenen Segmentes bei Leerlauf
oder Kurzschluß. Schwieriger wird es mit Quetschungen. Weder ein einfaches Multimeter noch der
Längenmesser helfen hier weiter. Bei sehr kleinen Netzen und ohne spezielle Meßgeräte hilft hier
wieder nur die Sichtkontrolle. Wer über einen Kabel-Scanner verfügt, kann die Impedanz oder den
132
Reflexionsfaktor der Leitung nachmessen.
Wichtig ist im Zusammenhang mit Quetschungen folgende Tatsache: Die Auswirkungen müssen sich
nicht "sofort" zeigen. Hängen nur wenige Stationen im Netz oder herrscht nur geringer
Datenverkehr, dann treten zwar mehr Kollisionen auf als in einem unbeschädigten Segment, sie sind
aber nicht als Verlangsamung des Netzes spürbar. Erst wenn sich der Datenverkehr erhöht oder die
Anzahl der Stationen vergrößert wird, macht sich die Störung bemerkbar. Solche "schleichenden"
Fehler lassen sich mit künstlicher Erhöhung der Netzwerkauslastung durch Dumb-Loads finden.
Fehlerhafte Stecker
Egal ob selbst "gekrimpte" oder fertig konfektionierte Kabel verwendet werden: Fehler an den
Steckern gehören in der "Netzwerkwelt" häufig zu den Störungsursachen. Im Gegensatz zur
Beschädigung der Leitung sind sie allerdings meist nicht durch eine kurze Sichtkontrolle zu finden.
Bei der Beschreibung der Fehlerquellen muß man zwischen der Herstellung und der Verwendung der
Verbindungskabel unterscheiden. Zunächst zur Herstellung: Stecker/Leitungsverbindungen werden
meist mit Hilfe vom Krimp-Werkzeugen hergestellt. Bei Twisted-Pair-Leitungen ist besonders auf den
guten Sitz der einzelnen Kabel in den Kontaktklemmen zu achten. Immerhin gilt es, bis zu acht
Leitungen im Stecker unterzubringen. Häufig werden beim Zusammenquetschen der Stecker falsch
verlegte Adern gegeneinander kurzgeschlossen. Ein neu gekrimptes Kabel sollte auf jeden Fall einem
Verdrahtungstest unterzogen werden. Die Verdrillung der einzelnen Adrenpaare sollte erst möglichst
kurz vor dem Stecker aufgehoben werden, um die Auswirkung von Nahnebensprechen (NEXT) klein
zu halten.
Generell gilt für das Anfertigen von Steckverbindungen: Vorher üben! Um die Bedienung der
Krimpzange zu erlernen, sollte man auf jeden Fall einige "Probeverbindungen" anfertigen. Die so
gewonnene Routine zahlt sich in der Praxis aus.
Bei Twisted-Pair-Leitungen fällt die Sichtprüfung leicht aus, da die meisten Stecker ein
Klarsichgehäuse haben. In der Praxis werden oft einzelne Adern durch Zugbelastung abgetrennt.
Auch die dünnen Rastnasen der Stecker werden häufig auf diese Weise abgebrochen. Ohne sie sitzen
Steckverbindungen unter Umständen nur locker in der zugehörigen Buchse (Wanddose,
Netzwerkadapter oder ähnliches). Wackelkontakte sind die Folge. Abgetrennte Adern findet man am
leichtesten mit einem Verdrahtungsprüfer. Kabel mit abgebrochenen Rastnasen sollten grundsätzlich
ausgetauscht werden.
Maximallänge des Segmentes überschritten
Zu den häufigsten Fehlern bei der Installation und Erweiterung von Netzen gehört die unzulässige
Überschreitung der Segment-Maximallänge. Netze entstehen in aller Regel schrittweise. Gerade in
kleineren Unternehmen werden zu Anfang oft nur einige wenige Rechner vernetzt. Hat sich die
Netzwerktechnik mit ihren vielen Vorteilen erst einmal etabliert, beginnt der Ausbau der
Verkabelungsstruktur. Nach und nach werden immer mehr Rechner an den Strang angeschlossen.
Die wenigsten Administratoren machen sich in einem solchen Stadium des Netzausbaus Gedanken
über die Kabellänge. Erst wenn das Netz beginnt, langsamer als gewöhlich zu werden, wird mit der
Fehlersuche begonnen. Oftmals wird dann ein leistungsfähigerer Server gekauft, der aber keinerlei
Verbesserung bringt. In anderen Fällen überschreiten Netzwerkverantwortliche wissentlich die
zugelassene Länge, mit dem Argument: "Das Netz geht doch noch!" Tatsächlich mag das Netz noch
ohne erkennbare Probleme funktionieren, allerdings nur bei der aktuelle Auslastung. Wird die
Netzlast größer, bricht plötzlich die Kommunikation zusammen.
133
Die Funktion von CSMA/CD-Netzen beruht auf der Einhaltung von Maximallaufzeiten. Wird ein
Segment über seine zugelassene Länge hinaus erweitert, dann können Kollisionen nicht mehr
zuverlässig erkannt werden. Das Auftreten einer Kollision ist abhängig von der aktuellen Netzlast.
Will nur eine Station im ganzen Segment senden, kann kein Zusammenstoß von Paketen entstehen.
Wollen aber viele Stationen im gleichen Zeitraum Daten verschicken, dann ist eine Kollision sehr
wahrscheinlich. Die Aussage: "Das Netz geht zum Zeitpunkt X." sagt also nichts über den Zustand zur
Zeit Y.
Für die Bestimmung der Länge des Segmentes ist ein spezialisiertes Längenmeßgerät notwendig. Es
ist ratsam, jedes verlegte Kabel-Segment zu vermessen und an wenigstens einer Seite mit einer
Beschriftungsfahne zu versehen. Das Etikett sollte neben der Bestimmung des Stranges (zum
Beispiel: "1. OG/West") auch die gemessene Kabellänge ausweisen. So kann bei einer anstehenden
Erweiterung sofort entschieden werden, ob das Segment noch verlängert werden darf. Reicht die zur
Verfügung stehende Länge nicht mehr aus, dann muß das Segment zum Bespiel über einen Switch in
zwei Teilstücke getrennt werden. In der Praxis sollte man die geforderte Maximallänge um einen
gewissen Prozentsatz unterschreiten. Dies gilt insbesondere, wenn Netzwerkkarten verschiedener
Hersteller eingesetzt werden.
Verschiedene Kabelkategorien gemischt
Bei Twisted-Pair-Verkabelungen ist die Gefahr recht groß, verschiedene Kabelkategorien (zum
Beispiel 3 und 5) versehentlich zu mischen. Solange das Netz nur mit 10 MBit/s lief, bereitete diese
Situation keine Probleme. Erst wenn auf schnellere Technologien umgestiegen wurde, treten Fehler
auf. Eines oder mehrere der verwendeten Kabel sind für die gewählte Geschwindigkeit nicht
geeignet, obwohl die restlichen die Spezifikation einhalten. Liegen die Leitungen teilweise in
Kabelkanälen, fällt die Ortung des falschen Kabels schwer. Mit einem "Cable-Scanner", der die TSB67
erfüllt, kann der komplette Link vor dem Umstieg auf eine schnellere Technologie geprüft werden.
Routereinträge
Ist ein IP-Netz in Subnetze unterteilt (zum Beispiel Class-C-Netze) dann kommmunizieren sie über
Router miteinander. Jeder Rechner im Netz muß dazu einen Eintrag in einer Konfigurationsdatei
besitzen, der ihm mitteilt, welche Adresse der Router-Rechner hat. Insbesondere bei PC-Software
herrscht allerdings eine gewisse "Namensverwirrung". Hier werden Routereinträge oft als "Gateway"
oder "Default-Gateway" angegeben.
Fehlende oder falsche Routereinträge findet man relativ leicht mit folgender Methode: Zuerst wird
ein einfacher Verbindungstest zu einem Rechner im eigenen Subnetz durchgeführt. Wenn dies
erfolgreich war, wird der Test mit einem Rechner außerhalb des eigenen Netzes wiederholt.
Funktioniert das nicht sollte man einen Blick auf die Router-Konfigurations-Einträge des aktuellen
Rechners werfen.
Falsche IP-Nummer
Oft tritt nach der Verlegung von Rechnern in andere Gebäude folgender Fehler auf: Obwohl an der
Konfigurations des Rechners nichts verändert wurde, kann über IP keine andere Maschine mehr
angesprochen werden. Ähnlich verhält es sich mit Notebooks oder Laptops, die an verschiedenen
Orten mit dem Netz verbunden werden. Die Lösung ist meist recht einfach: Beide Gebäude liegen
innerhalb verschiedener IP-Subnetze. Dazu ein Beispiel:
134
Das Notebook wichtel mit der IP-Nummer 129.177.206.99 ist für das Class-C-Netz 129.177.206.0
konfiguriert. Sein "Default-Router-Eintrag" lautet 129.177.206.254. Dieser Computer wird nun im
Subnetz 129.177.106.0 (ebenfalls Class-C) an eine Netzwerkdose angeschlossen und nichts an der
Konfiguration geändert. Sendet wichtel nun Pakete an Rechner mit der IP-Nummer 129.177.206.x
dann werden sie von der Netzwerksoftware mit der Netzmaske (129.177.206.0) oder der
Broadcastmaske (129.177.206.255) verglichen. Ergebnis des Vergleichs: es muß sich um einen
lokalen Rechner handeln (gleiches Subnetz). Folglich schickt wichtel das Paket direkt, ohne den
Standard-Router anzusprechen. Da sich der Rechner aber nicht mehr im Netz 129.177.206.0)
befindet, kann der Empfänger nicht erreicht werden. Ähnlich verhält es sich, wenn wichtel versuchen
würde mit einem Computer außerhalb von 129.177.206.0 zu kommunizieren. Dieses Paket würde zur
Weiterleitung an den Standard-Router geschickt werden, den wichtel unter der Adresse
129.177.206.254 anspricht. Auch dieses Paket wird als "lokal" verschickt und kann damit den
Empfänger nicht erreichen.
Gegen das Problem "falsche IP-Nummer durch Standortwechsel" läßt sich bereits im Vorfeld einiges
unternehmen:
•
Sind alle Rechner mit einem Aufkleber ausgestattet, der den Namen, die IP-Nummer und
eventuell auch die Ethernet-Adresse ausweist, dann läßt sich mit einem Blick klären, ob der
Rechner nach einem Umzug neu konfiguriert werden muß.
•
Anwender sollten auf alle Fälle darüber aufgeklärt werden, daß man nicht einen Rechner, der
für Gebäude A konfiguriert ist, mit in Gebäude B nehmen kann, ohne etwas an der
Konfiguration zu ändern.
•
Insbesondere bei Laptops und Notebooks, deren Hauptzweck der Einsatz an verschiedenen
Orten ist, ist die Einrichtung einer dynamischen IP-Konfiguration in jedem Subnetz sinnvoll
(DHCP).Die Rechner erhalten dann keine feste IP-Nummer mehr, sondern holen sich die
Nummer und die Konfiguration (Netzmaske, Broadcast und Router-Adresse) erst beim Start
der Netzwerksoftware von einem DHCP-Server.
Fehlersuchstrategien
Neben den o. g. Fehlern können natürlich noch diverse andere Probleme auftreten - angefangen
beim Putzdienst, der den Netzstecker vom Server abzieht bis hin zum Telekom-Mitarbeiter, der bein
Einziehen einer neuen Glasfaser die vorhandenen anderen Verbindungen schrottet. Es können eben
auch in einem korrekt geplanten und installierten Netzwerk Fehler auftreten. Viele Administratoren
neigen dazu, bei einer Störung relativ unkoordiniert einzelne Konfigurationen zu überprüfen. Oft
werden dabei völlig ungeeignete Suchstrategien angewendet, wodurch die Zeit bis zur Lösung des
Problems unnötig verlängert wird. Eine effiziente und schnelle Fehlersuche ist nur möglich, wenn
geeignete Testverfahren verwendet werden. Nachdem die Anzahl der Fehler, die in Netzwerken
auftreten können, unüberschaubar hoch ist, kann hier nicht auf Details bestimmter Konfigurationen
eingegangen werden. Der nachfolgende Abschnitt beschreibt daher allgemein ein sinnvolles
Vorgehen bei Netzwerkproblemen. Den Ausgangspunkt bilden Fehler, die sich direkt an den
Stationen auswirken (Fehlermeldungen der Treiber, usw.). Im Netzwerkalltag ist das die sicherlich
häufigste Ausgangs-Situation: Ein Anwender stellt fest, daß eine bestimmte Netzwerkfunktion nicht
zur Verfügung steht und benachrichtigt den Netzwerkverwalter. Fehler an Koppelelementen wie
Bridges und Routern werden ausgehend von den Fehlermeldungen der Stationen im Lauf der
135
beschriebenen Tests ermittelt.
Die wohl wichtigste Regel bei der Fehlersuche ist: "Ruhig bleiben!". Auch wenn der betroffene
Rechner noch so wichtig ist, eine hektische Suchaktion führt nur selten zum Erfolg. Wird man als
Netzverwalter von einem Anwender angerufen und muß am Telefon Hilfestellung leisten, dann sollte
man sich die entsprechenden Fehler-Meldungen "Wort für Wort" vorlesen lassen. Durch die teilweise
recht ungenauen Beschreibungen der Benutzer ("Das Internet geht nicht!", "Es druckt nicht!" oder
"Ich komme nicht ans Netz!") gerät man sonst oft auf eine völlig falsche "Fährte". Der Administrator
muß zunächst mit der Abgrenzung des Fehlerumfanges beginnen. Dazu gehört die Feststellung, ob
nur eine Station oder mehrere Stationen betroffen sind.
Client-Fehler
Die Suche nach Client-Fehlern beginnt sinnvollerweise zunächst mit einer Befragung des Anwenders
der Station. Oft verändern Benutzer unabsichtlich Konfigurationsdateien oder löschen für die
Netzwerkfunktionen wichtige Dateien. Ein der Standardfragen sollte also lauten: "Ist an diesem
Rechner irgend etwas geändert worden?". Auch wenn die Antwort ein "nein" ist, lohnt sich meist ein
genaueres "Nachhaken" mit Fragen wie "Haben Sie ein neues Programm installiert?". Oft gelangt
man mit dieser Methode schneller zum Ziel, als mit diversen Testprogrammen. Bei allen Antworten
sollte allerdings ein wichtiger psychologischer Faktor nicht außer Acht gelassen werden: Viele
Anwender verschweigen ihre Änderungen an der Rechnerkonfiguration aus Angst, für den Fehler
verantwortlich gemacht zu werden. Die meisten erfahrenen Netzwerkverwalter haben schon einmal
Situationen erlebt, in denen Benutzer beteuerten nichts am Rechner verändert zu haben, obwohl auf
der Station zum Beispiel ein neues, völlig anderes Betriebssystem installiert wurde. Diesem
Phänomen kann man nur begegnen, indem man alle "Netz-Nutzer" darüber aufklärt, daß das
Interesse eines Administrators ausschließlich in der Funktionsfähigkeit des Netzwerkes und nicht in
der Bestrafung von "Schuldigen" besteht.
Vor dem Einsatz von Software für den Stationstest sollte man einen Blick auf das Netzwerkkabel des
Rechners werfen. Werden bei Twisted-Pair-Verkabelungen Hubs mit je einer "Online-LED" pro Port
verwendet, genügt für eine grobe Überprüfung zunächst das Betrachten dieser Anzeige. Leuchtet die
Diode, dann ist das Kabel zumindest nicht kurzgeschlossen oder aufgetrennt. Leuchtet die LED nicht,
dann kommt als Ursache das Kabel oder das Netzwerkinterface der Station in Frage. Ersteres läßt sich
durch den Austausch der Leitung gegen eine andere ausschließen. Ist trotz aktiver LED kein
Netzwerkzugriff möglich, dann muß die Überprüfung der Station mit dem Einsatz von Software
fortgesetzt werden. Die einfachste Testmöglichkeit ergibt sich auf PCs. Man bootet den Rechner mit
einer vorbereiteten Boot-CD/DVD (z. B. mit "Knoppix", einem Linux-Derivat).Hier kann das Netz
schnell passend von Hand konfiguriert werden. Ist auch unter diesen "Minimal-Bedingungen" kein
Netzwerkbetrieb möglich, ist ein Hardwarefehler zu vermuten.
Server-Fehler
Für die Suche nach einem Serverfehler ist zunächst einmal interessant, ob der entsprechende
Rechner in einem lokalen, nahen (gleiches Gebäude wie die zugreifenden Stationen) oder in einem
unzugänglichen, weit entfernten Segment steht (zum Beispiel in einem anderen Gebäude oder einer
anderen Stadt). Lokale Server sollten vom Administrator direkt inspiziert werden. Meist erweist sich
ein "ausgeschalteter" oder vom Netzkabel getrennter Server als Ursache. Kann bei dieser
Überprüfung kein Fehler gefunden werden, dann sollte die einwandfreie Funktion des
Netzwerkinterfaces im Server getestet werden. Dies ist bei fast allen Betriebssystemen durch die
136
Ausgaben diverser Hilfs-Programme möglich. Um die zwischen der zugreifenden Station und dem
Server-Rechner liegende Verkabelungsstruktur als Fehlerquelle auszuschließen, führt man
sinnvollerweise einen erweiterten Verbindungstest zwischen beiden durch. Auf diese Weise erhält
man detailierte Informationen über den Weg jedes Datenpaketes. Im Falle eines weit entfernten
Rechners ist das oft die einzige Testmöglichkeit.
Konfigurations-Fehler
Konfigurations-Fehler treten in Netzen hauptsächlich nach der Neuinstallation an Stationen oder
Servern auf. Hierbei handelt es sich um grundsätzliche Fehler in den Soft- oder HardwareEinstellungen der Rechner. In einigen Fällen bleiben die Netzwerkprobleme vorerst unentdeckt, weil
die betroffenen Netzwerkdienste zunächst nicht genutzt werden. Da die Bandbreite der möglichen
Fehler sehr groß ist und natürlich vom jeweiligen Betriebs- und Netzwerksystem abhängt, kann hier
keine allgemeingültige Fehler-Strategie angegeben werden. In der Praxis kommt der Administrator
dabei nicht um eine genaue Überprüfung der einzelnen Konfigurations-Dateien der Rechner herum.
Netzwerk-Fehler
Wie bereits oben beschrieben, können in Netzwerken eine ganze Reihe von "Hardware-Fehlern"
auftreten. Eine schnelle Bestimmung der Ursache ist nur mit dem Einsatz von Meßgeräten möglich.
Vor dem Einsatz von Cable-Scannern oder ähnlichem sollte zunächst die Anzahl der betroffenen
Segmente bestimmt werden. Über den Vergleich mit dem Netzwerkplan, den jeder Verwalter
angelegt haben sollte, können sinnvolle Meßpunkte ausgewählt werden. In kleinen Netzen, bei
denen der Administrator oft ohne entsprechende Meßgeräte auskommen muß, kann folgende
Strategie angewendet werden, um den Fehler zumindest grob einzukreisen:
Die Fehlersuche beginnt mit dem Betrachten der Status-, Activity und Collision-Anzeigen der
eingesetzten Koppelelemente (Hubs, Repeater, Switches, usw.). In den meisten Fällen läßt sich damit
das betroffene Netz-Teilstück ermitteln. Bei Bus-Netzen kann der Fehler über ein "Trial-and-Error"Verfahren bestimmt werden. Dazu wird der Bus aufgetrennt und damit in Teilnetze zerlegt. Jeder
Teil wird mit Hilfe eines zusätzlichen Widerstandes elektrisch abgeschlossen. In den beiden so
entstandenen Einzel-Segmenten können Verbindungstests ausgeführt werden. Zum dem fehlerfreien
Teilstück wird nun schrittweise ein Abschnitt des anderen Segmentes hinzugefügt und der
Verbindungstest erneut ausgeführt, bis der Fehler auftritt. Auch wenn dieses Verfahren nicht bei
allen möglichen Hardwarefehlern zum Erfolg führt, können damit zumindest die häufigsten Probleme
ermittelt werden.
Aktives Netzwerkmanagement
Der hohe Hardware-Anteil an der Gesamtfehler-Häufigkeit von Netzwerken entsteht nicht etwa, weil
die eingesetzten Komponenten unzuverlässig sind, sondern vielmehr durch prinzipielle Fehler bei
Planung und Erweiterung der Kommunikationsstrukturen. Auch heute noch bestehen viele Netze bei
der Erstinstallation aus nur wenigen Stationen. In dem Glauben, ein Netzwerk sei wirtschaftlich,
wenn die Erstinvestition möglichst gering ausfällt, werden Komponenten nach dem Motto "Je billiger
desto besser" eingekauft. Die Verdrahtung der Rechner untereinander wird "frei", das heißt ohne
Kabelschächte und Verteilerelemente, vorgenommen. In aller Regel gibt es keinen
Netzwerkadministrator, sondern die Verwaltungsarbeit wird von einem oder mehreren Mitarbeitern
"nebenher" erledigt. Typischerweise werden allen Benutzern Rechte auf allen Dateisystemen
137
vergeben. Fehler in der Verkabelung fallen zunächst nicht auf, da das Datenaufkommen und die
verlegte Kabellänge gering sind. Mit zunehmendem Kommunikationsbedarf wachsen die Netze
jedoch stetig. Aus relativ kleinen Strukturen entstehen damit schnell größere Installationen. Erst in
diesem Stadium des Ausbaues werden die ersten Fehler sichtbar und die Teil- oder Totalausfälle
häufen sich. Die Suche nach der Störung nimmt meist relativ viel Zeit in Anspruch, weil weder Pläne
der Verkabelung noch Testgeräte zur Verfügung stehen. Neben den Kosten für die Unterbrechnung
des Datenaustausches wächst auch der Unmut der Anwender.
Mit den oben dargestellten Zusammenhängen dürfte klar werden, worauf die hohe Prozentzahl der
Hardwarefehler zurückzuführen ist. Sie läßt sich auf einen sehr geringen Prozentsatz senken, wenn
man bei Planung, Erweiterung und Betrieb von Netzen nach gewissen Regeln vorgeht. Die in diesem
Abschnitt beschriebenen Maßnahmen werden als "aktives Netzwerkmanagement" bezeichnet. Um
zu verstehen, was dazu nötig ist, muß man sich zunächst Gedanken über die heutigen Anforderungen
an Netzstrukturen machen:
•
Wirtschaftlichkeit: Die laufenden Betriebskosten sollten zum einen möglichst gering
ausfallen, zum anderen kalkulierbar sein.
•
Flexibilität: Die Kommunikationsstruktur soll leicht umkonfigurierbar sein.
•
Zukunftssicherheit und Investitionsschutz: Die installierte Netzwerktechnik muß auch
zukünftigen Anforderungen genügen. Vorhandene Komponenten sollten sich problemlos
erweitern lassen.
Auch mit der Auswahl der Komponenten (Interfaces, Hubs, Switches, etc.) können die laufenden
Kosten für das Netzwerk erheblich beeinflußt werden. Werden im Netz PCs eingesetzt, dann beginnt
ein Administrator normalerweise den Netzwerkaufbau mit dem Kauf der Steckkarten. Vielen ist
allerdings unklar, daß damit über den später entstehenden Verwaltungs-Aufwand entschieden wird.
Genauso wie bei der Anschaffung von Computern ist hier nicht der günstigste Kauf auch gleichzeitig
der beste. Vielmehr sollte man bei der Anschaffung der Netzwerkkarten auf folgende Punkte achten:
•
Kaufen Sie konservativ! Bei neu auf dem Markt erschienenen Karten sind die
Treiberprogramme oft eher "Beta-Versionen". Die instabile Software kann eine ganze Reihe
von Fehlern wie "Abstürze" der Stationen oder Übertragungsfehler auslösen. Oft findet der
Administrator erst nach stundenlanger Suche heraus, daß der Treiber die Ursache ist.
•
Support ist wichtig! Markenhersteller bieten in aller Regel einen Treibersupport per Mailbox
oder FTP-Server an. Ist die Software für ein neues Betriebssystem nicht auf der zum Interface
mitgelieferten Diskette enthalten oder ist das Programm fehlerhaft, dann kann der Kunde
sich dort kostenlos ein Update besorgen. Die Hersteller von "No-Name-Hardware" bieten
diesen Service nicht.
•
Markentreue zahlt sich aus! Mit der Anzahl der verschiedenen Karten-Typen wachsen auch
die Betriebskosten des Netzes. Der Administrator muß für alle vorhandenen Adapter Treiber
für die unterschiedlichen eingesetzten Betriebssysteme auf Vorrat halten und aktualisieren.
Besitzt man nur einige wenige oder nur einen Kartentyp, dann kennt der Systemverwalter
dessen besondere Einrichtungsoptionen und findet einen Fehler in den Einstellungen
schneller.
138
Bei anderen Komponenten (Hubs, Switches, usw.) sollte nach folgenden Kriterien vorgegangen
werden:
•
Selbst bei kleinen Netzwerkstrukturen sind Anzeige-Elemente (LEDs, etc.) für Zustände wie
zum Beispiel Aktivität (activity) und Kollision (collision) wichtig. Mit ihrer Hilfe läßt sich ein
eventueller Fehler meist schon grob einkreisen. Diese Möglichkeit ist insbesondere dann
wichtig, wenn keine oder nur wenige Meßgeräte zur Verfügung stehen. Ist etwa ein StationsKabel vom Hub getrennt, dann läßt sich das mit einem kurzen Blick auf die entsprechende
"Online-Anzeige" feststellen.
•
Je größer das Netz ist, desto wichtiger wird der Punkt "Remote-Monitoring". Mit dem Einsatz
von Komponenten, die über SNMP-Funktionen verfügen, ist der Administrator in der Lage,
von seinem Arbeitsplatz aus einzelne Geräte zu überprüfen. An der "Management-Konsole"
kann ein Fehler oder eine drohende Überlastung einzelner Elemente meist frühzeitig erkannt
werden. Mit Hilfe von Steuerfunktionen kann das unter Umständen sehr weit entfernte
Gerät konfiguriert werden, ohne daß der Weg dorthin zurückgelegt werden muß.
Vernünftiges und optimiertes Management kann daher die Betriebskosten des Netzwerkes
erheblich senken.
•
Wie bei den Netzwerkkarten ist der Support des Herstellers ein wichtiger Faktor beim Kauf
anderer Komponenten. Die Router von Markenherstellern lassen zum Beispiel meist das
Einspielen neuer Betriebssystem-Versionen zu. Die dazu benötigte Software und oft auch
eine ganze Reihe nützlicher Tools können von den einzelnen Firmen über deren FTP-Server
oder eine "Support-Mailbox" bezogen werden. Wie wichtig ein solcher Support ist, merken
viele Systemverwalter erst, wenn sie den ersten Fehler in der Software ihres Routers finden
der eine dringend benötigte Betriebsart nicht erlaubt.
139
10.
Netz-Verkabelung und Netzplanung
10.1 Netz-Verkabelung
Grundlegendes
Derzeit rüsten viele Unternehmen ihr Ethernet um. Der erste und meist teuerste Schritt auf diesem
Weg ist die Neuverkabelung mit Twisted-Pair-Leitungen. Danach können weitere Maßnahmen
ergriffen werden. Die klassische Maßnahme, das 'Bridging', wurde in Koax-Netzen häufig eingesetzt
und lebt heute in den 'Switches' weiter. Das Aufteilen eines Netzes in mehrere Teilnetze, auch
'Collision Domains' genannt, läßt nicht mehr jedes Datenpaket zu jeder Station gelangen; es können
so viele Transaktionen gleichzeitig stattfinden, wie Collision Domains im Netz vorhanden sind - im
Extremfall (Switch) ist jeder Hub-Anschluß einer eigenen Collision Domain zugeordnet. An die SwitchAnschlüsse können in der Regel wieder gewöhnliche Repeating Hubs angeschlossen werden;
Switching kann so nach und nach im Netz eingeführt werden, um die Collision Domains immer weiter
zu verkleinern - bis im Idealfall jedem Rechner ein privates Segment zur Verfügung steht.
Switches sind heute nicht teuerer als Hubs, daher spricht alles für eine Strukturierung des Netzes mit
Switches. In einem Peer-to-Peer-Netz (z. B. Unix oder auch Windows ab 95) ohne zentrale Server
genügt meistens ein reiner 10BaseT-Switch. Gibt es einige, wenige Server, so kann der Server über
mehrere Ethernet-Segmente parallel mit dem Switch verbunden werden, so daß der Datenverkehr
zwischen Server und Netz gebündelt wird. Es gibt auch Switches mit einem oder mehreren 100-MBitAnschlüssen. Diese können an den oder die Server angeschlossen werden, um alle Anwender im Netz
140
deutlich schneller mit Daten zu versorgen - ohne daß deren LAN-Adapter auch nur berührt werden
müßten. Die Server und zentralen Switches werden am besten in einem 19"-Schrank untergebracht,
der zusätzlich noch Belüftung und eine USV (unterbrechungsfrei Stromversorgung) aufnehmen kann.
Die Schränke besitzen Einschübe für die Server und sind so gestaltet, daß man von vorne und hinten
guten Zugang zu den Rechnern hat. Das Bild rechts zeigt den Blick von hinten auf die Server im
Schrank. Die Verschliessbarkeit des Schranks sorgt auch für einen Schutz der Server vor
unberechtigtem Zugriff.
Da Twisted-Pair-Kabel heutzutage den Standard darstellen, sollte man auf jeden Fall bei der
Neuverkabelung gleich Cat-5-Kabel oder bessere verwenden, um für die Datenrate von 100 MHz
gerüstet zu sein. Leider ist der verwendete RJ45-Stecker relativ filigran. Neben der Zerbrechlichkeit
der Stecker kommt es bei Hochgeschwindigkeitsnetzen zu Problemen: Die Drähte und Kontakte
werden über eine kleine Strecke parallel geführt, wodurch die Wirkung der Twisted-Pair-Kabel
aufgehoben wird. Ein weiterer Kritikpunkt an der RJ45-Technik ist die Einheitlichkeit der Dosen. Der
Anwender am Arbeitsplatz kann nicht erkennen, welchem Dienst die Dose zugeordnet ist (Netz,
analogens Telefon, ISDN, etc.). Selbst Farbkennzeichnung oder Beschriftung hindert viele Leute nicht
daran, 'es mal an der anderen Dose zu versuchen'. Und da kann die Rufspannung analoger Telefone
schon einmal einen Netzwerkadapter 'killen'.
10 MBit/s (IEEE 802.3) und 100 MBit/s (IEEE 802.3u) verwenden eine Halbduplex-Übertragung über
zwei Aderpaare. Bei einer Migration von 10 auf 100 MBit/s bleibt zumindest die Infrastruktur des
Kabelnetzes bestehen. Demgegenüber setzt Gigabit-Ethernet (IEEE 802.3ab) auf eine VollduplexÜbertragung über alle vier Paare. Zwar ermöglicht diese Technik die Verwendung der eigentlich nur
bis 100 MHz spezifizierten CAT-5-Kabel, dazu müssen die Komponenten allerdings anders beschaltet
werden.
Strukturen der Gebäudeverkabelung
Früher war eine "Bedarfsverkabelung" üblich. Die Netztechnik bestimmte die Art der Verkabelung
(Ethernet: busförmige Koaxverkabelung, FDDI: ringförmig mit Lichtwellenleitern). Die Standorte der
Rechner und Terminals bestimmte die Netzausdehnung.
Heute gilt ganz klar die Prämisse: strukturierte Verkabelung. Die Netztechnik hat sich an eine
genormte Verkabelung anzupassen. Jeder Arbeitsplatz bekommt automatisch eine Datennetzdose.
Das bringt anfangs zwar höhere Investitionskosten, ist aber zukunftssicher. Fehler wirken sich nur
lokal aus, denn jeder Anschluß hat sein eigenes Kabel.
Basis der heutigen Gebäudeverkabelung von Netzen sind die in den letzten Jahren erarbeiteten
Normen auf diesem Gebiet. Dabei gibt es im wesentlichen drei grundlegende Normen, die für
bestimmte geographische Regionen von Bedeutung sind:
•
EN 50173 (1995): Informationstechnik: Anwendungsneutrale Verkabelungssysteme
•
ISO/IEC 11801 (1995): Generic cabling for customer premises
•
EIA/TIA 568 A/B (1994): Commercial building telecommunications cabling standard
141
Die EN 50173 und die ISO/IEC 11801 haben im wesentlichen den gleichen Inhalt und enthalten auch
die gleichen Anforderungen an die Kabel und Komponenten. Die EN 50173 ist eine europäische
Norm, während die ISO/IEC 11801 weltweit verwendet wird. Die EIA/TIA-568 A/B wurde speziell für
den nordamerikanischen Markt von der dortigen Telekommunikationsindustrie entwickelt. Sie ist
eigentliche keine Norm, sondern lediglich eine Industrie-Spezifikation. Sie enthält auch geringere
Anforderungen bezüglich der Übertragungseigenschaften der Kabel als die anderen Bestimmungen.
In der EN 50173 wird ebenso wie in der ISO/IEC 11801 die Gebäudeverkabelung in vier Bereiche
eingeteilt.
•
den Primär- oder Campusbereich für die Verbindung der Gebäude eines Standortes
untereinander,
•
den Sekundär- oder Steigbereich für die Verbindung der einzelnen Etagen eines Gebäudes,
•
den Tertiär- oder Horizontalbereich für die Verbindung der Anschlußeinheiten wie die
Wanddose mit dem Etagenverteiler und
•
den Arbeitsplatzbereich für den Anschluß der Endgeräte an die Anschlußeinheiten.
In allen drei Bereichen der Inhouse-Verkabelung (oft auch Ebenen genannt) können sowohl
Verkabelungen mit symmetrischen Kupferkabel (Twisted Pair) und -komponenten als auch mit
Lichtwellenleiterkabel und -komponenten verwendet werden. Im Campusbereich werden
ausschließlich LWL-Kabel und -Komponenten verwendet.
Campusverkabelung und Steigbereich
Auf Grund der größeren Übertragungsstrecken und dem steigenden Datenaufkommen hat sich
sowohl für den Campus- als auch für den Steigbereich die Lichtwellenleiterverkabelung durchgesetzt.
Im Außenbereich werden LWL-Außenkabel mit Multimodefasern verwendet. Sollten Kabellängen von
größer 2000 m notwendig sein oder extrem hohe Datenraten anfallen, können ebenso Kabel mit
Singlemodefasern verwendet werden. Die Faseranzahl sollte in jedem Fall so bemessen sein, daß
zukünftiges Wachstum der Netzanforderungen erfüllt werden kann. Als Faustregel sollte man 50%
Reserve zum derzeitigen Bedarf addieren. Werden also derzeit acht Fasern benötigt, sollte ein Kabel
mit zwölf Fasern verwendet werden.
Im Steigbereich werden meist LWL-Innenkabel, ebenfalls mit Multimodefasern, eingesetzt. Dabei
empfiehlt die EN 50173 die Verwendung von 62,5-Mikrometer-Multimodefasern. Multimodefasern
142
mit 50 Mikrometern sind aber ebenfalls zugelassen. Sind die Entfernungen klein (< 100 m) und die zu
erwartenden Datenraten pro Teilnehmer gering (< 10 Mb/s), so kann im Steigbereich auch eine
Verkabelung mit symmetrischen Kupferkabeln vorkommen. Dabei sollte aber ein qualitativ
hochwertiges System eingesetzt werden, da ein Ausfall oder eine Überlastung in diesem Bereich
schwerwiegende Konsequenzen für das ganze Netz hat.
Horizontalverkabelung und Arbeitsplatzbereich
Im Horizontalbereich und für die Arbeitsplatzverkabelung werden zumeist hochwertige, geschirmte
symmetrische Kupferkabel und -komponenten eingesetzt, da hier der Anschluß an viele einzelne
Schnittstellen vorgenommen wird. Wird auch im Horizontal- und Arbeitsplatzbereich mit
Lichtwellenleitern (LWL) verkabelt, stehen damit höhere Bandbreiten zur Verfügung und es lassen
sich längere Strecken realisieren. LWL-Verkabelung kann auch dann sinnvoll sein, wenn man einfach
die EMV-Immunität und die Übertragungssicherheit ausnutzen will. Die Einführung von "Fiber-to-thedesk", der LWL-Verkabelung bis zum Arbeitsplatz, ist wohl bald Realität. Es ist auch möglich,
beispielsweise den Steig- und den Horizontalbereich durchgehend mit LWL zu verkabeln, um damit
Etagenverteiler einzusparen. Man spricht dann von einer zentralisierten Verkabelung.
Netzstrukturen
Die heutige Verkabelung wird im allgemeinen hierarchisch in einem physikalischen Stern aufgebaut.
Der Standortverteiler (auch: Hauptverteiler) als zentrale Schaltstelle ist mit den Gebäudeverteilern in
den einzelnen Gebäuden sternförmig verkabelt. In den Gebäuden werden die Etagen- verteiler
ebenfalls sternförmig mit dem Gebäudeverteiler verkabelt. In der Horizontalebene schließlich findet
eine ebenfalls sternförmige Verkabelung der Anschlußeinheiten wie der Wanddose mit dem
Etagenverteiler statt. Als Verteiler zum Abschluß der Kabel werden Schränke und Gestelle in 19"Technik eingesetzt. 19"-Einschübe übernehmen in diesen Schränken die Kabelbefestigung, die
Speicherung einer Reservelänge, die Unterbringung von Spleißkassetten (falls verwendet) und das
Montieren der Stecker und Kupplungen bzw. Buchsen auf den Verteilerfeldern. Werden nur kleinere
Faserzahlen benötigt, so können statt der 19"-Schränke die kompakteren Wandverteiler eingesetzt
werden.
143
Im Tertiärbereich werden zum Kabelabschluß Wand- und Bodentankdosen verwendet. Diese
Anschlußeinheiten übernehmen hier die Kabelbefestigung, die Speicherung der Reservelänge und
das Montieren der Buchsen bzw. Stecker und Kupplungen. Sie bilden den Abschluß der
diensteunabhängigen Verkabelung. Das Endgerät (der PC, die Workstation, der Drucker, das Telefon,
etc.) wird mit konfektionierten Kabeln an die Wanddose oder den Bodentank angeschlossen. Die
Verteilung der Switch- oder Routerports auf die Endgerätedosen erfolgt über ein Patchfeld. Es
handelt sich dabei um ein Feld mit Netzwerk-Steckdosen (z. B. RJ-45-Dosen), an welche die Kabel zu
den Anschlußdosen in den einzelnen Rämen angeschlossen sind. Die Verbindung zu den aktiven
Komponenten erfolgt dann über kurze Patchkabel.
Die logische Netzstruktur der Verkabelung hängt davon ab, wie die einzelnen Netzwerkknoten
miteinander kommunizieren. Darunter sind die Protokolle, Zugriffsverfahren und Konventionen auf
der elektronischen Ebene zu verstehen. Die heute am weitest verbreiteten Standards für solche
logischen Netzstrukturen sind:
•
ISDN nach DIN EN 50098 für bis zu 2 Mbit/s in einer sternförmigen Verkabelung
•
Ethernet nach IEEE 802.3 für 10 und 100 MHz Übertragungsbandbreite als logischer Bus
•
Token Ring nach IEEE 802.5 für 4 und 16 Mbit/s als logischer Ring
•
FDDI bzw. TPDDI (PMD) nach ANSI X3T12 für bis zu 100 Mb/s als logischer (Doppel-)Ring
•
ATM definiert im ATM-Forum für bis zu 622 Mbit/s
Für die Umsetzung von der logischen in die physikalische Netzstruktur haben sich
Netzwerkkonzentratoren etabliert. Hier werden alle wichtigen Netzwerkaktivitäten zusammengefaßt,
was auch die Verkabelung und die Fehlersuche wesentlich erleichtert. Dadurch ist es möglich,
beispielsweise das Ethernet 10/100BaseT-Verfahren als logisches Bussystem in einer sternförmigen
Verkabelung zu realisieren.
10.2 Netzplanung
Aufgaben der Netzplanung
Festlegen der Netzstruktur, die den gewünschten Funktionen des EDV-Systems gerecht wird.
•
Umsetzen organisatorischer und topologischer Strukturen in die Netzstruktur
•
Berücksichtigung von Datenschutz, Betriebs- und Einbruchssicherheit
144
•
Koordination mit Provider, Registrierungs- und Ressourcenvergabestellen
•
Netzwerkkomponenten, die zu berücksichtigen sind:
•
o
Hubs, Bridges, Router, Gateways
o
Paketfilter, Application Gateways
o
Accounting- und Diagnosetools
Anforderungen an eine Netzwerkverkabelung
o
offen für verschiedene LAN-Techniken (heutige und zukünftige)
o
herstellerunabhängig
o
genügend Übertragungskapazität auch für die Zukunft
o
zuverlässig, unempfindlich gegen Störeinflüsse
o
wartungsarm
o
wirtschaftlich gerechtfertigte Lösung
o
Integration bestehender Installationen
o
vorhandene Komponenten sollen einbindbar sein
Ein grosses oder mehrere kleine Netze?
Vorteile eines (grossen) zusammenhängenden Netzes:
•
einheitliche Administration einfacher
•
bei geringer Netzlast höchste Kommunikationsgeschwindigkeit zwischen allen Rechnern
•
Manche Protokolle funktionieren nur auf einem (logischen) Netzwerkstrang, z. B.
o
bootp: Booten von Rechnern über ein Netzwerk
o
X-query: dynamisches Verbinden eines X-Terminals mit einer Workstation
o
Anschluß von Diskless Clients
Nachteile eines zusammenhängenden Netzes:
•
Bei Ethernet kommt jedes Paket an jedem Rechner vorbei. Die Netzlast addiert sich also und
Datenpakete können an allen Stellen des Netzes gelesen werden.
•
Eine einzelne fehlerhafte Komponente stört das ganze Netz.
Vorteile kleinerer Teilnetze:
•
Administrationsverantwortung leicht delegierbar
145
•
Bessere Lastverteilung
•
Überwindung grösserer Entfernungen möglich
Nachteile kleiner Teilnetze:
•
Höherer Administrationsaufwand: Vergabe von Netznummern, Aufsetzen von
Bridges/Routern und Routingtabellen
•
Bei ungeschickter Vernetzung bilden Bridges/Router einen Flaschenhals.
Man sollte Netze nicht aufteilen, solange sie überschaubar sind und keine Lastprobleme haben. Die
Netze müssen aufgeteilt werden, wenn Last, Sicherheit oder Topologie es erfordern. Beim Aufteilen
ist auf möglichst kurze Kommunikationswege zu achten. Die maximale Kabellänge und die
Begrenzung der hintereinander schaltbarer Komponenten spielt eine Rolle (max. 4 Hubs
hintereinander, max. 7 Bridges/Switches hintereinander).
Auch bei kleinen Netzen sollte ein eigener Serverraum eingeplant werden. Der Serverraum sollte so
plaziert sein, daß bei Netzerweiterungen die Verkabelung unproblematisch bleibt. Vom Serverraum
zu den Verteilern (Switches) sollte aus Gründen der zukunftssicheren Verkabelung redundant
ausgelegtes Cat-5-Kabel (optional Glasfaserkabel) verlegt werden. Das folgende Bild zeigt den
Schnappschuß eines typischen Schaltschrank, der mit Switches bestückt ist. Ein KVM-Switch
(Keyboard, Video, Mouse) erlaubt es, die Server über einen einzigen Monitor mit Tastatur und Maus
zu bedienen. Viele KVM-Switches lassen sich per Netzwerkkabel expandieren, der Bedienmonitor
kann dann sogar im Nebenzimmer stehen.
146
Auswahl der Verbindungskomponenten
Kabelarten:
* Primärbereich: Glasfaserverbindungen
* Sekundärbereich: Glasfaser- oder Twisted Pair-Verbindungen
* Tertiärbereich: Twisted Pair-Verbindungen
Repeater:
+ einfache Verbindung zweier Kabelsegmente gleicher Technologie
- keine Lasttrennung, nur Durchreichen von Paketen
Bridges:
+ Kopplung von Netzen verschiedener Technologie
- keine Lasttrennung bei Diensten, die auf Broadcasts basieren
Switches:
147
+ intelligente Kopplung, dadurch Lasttrennung
- keine Lasttrennung bei Diensten, die auf Broadcasts basieren
Router:
+ logische Trennung der Netze, getrennte Administration leichter möglich
+ Gesicherter Übergang durch Paketfilterung
- höherer Konfigurationsaufwand
Vergabe von IP-Nummern
Soll das Netz (evtl. später) an das Internet angeschlossen werden und die IP-Nummern nach aussen
sichtbar sein? Dann müssen global eindeutige IP-Nummern beim Internet-Provider angefordert
werden. Ansonsten verwendet man IP-Nummern für ausschließlich interne Verwendung (gem. RFC
1918):
10.0.0.0 - 10.255.255.255 (ein Class-A-Netz)
172.16.0.0 - 172.31.255.255 (16 Class-B-Netze)
192.168.0.0 - 192.168.255.255 (256 Class-C-Netze)
Zum Anschluss dieser Netze an das Internet ist ein Router mit NAT und IP-Maskierung nötig. Die
interne Adressenverteilung erfolgt in jedem Fall bevorzugt per DHCP-Protokoll (siehe unten), da in
diesem Fall alle Clients gleich konfiguriert werden können und nur soviel Adressen gebraucht werden
wie Rechner aktiv sind.
Vergabe von Domainnamen
Beantragt wird normalerweise eine Second-Level-Domain unterhalb von .de .com. net .org. Die
Vergabe erfolgt in der Regel durch den Provider - sofern die Wunschdomain noch frei ist.
Vergabe von Rechnernamen
Sei netzmafia.de der benutzte Domainname. Dann sind gängige Aliase:
gate.netzmafia.de
mail.netzmafia.de
news.netzmafia.de
www.netzmafia.de
ftp.netzmafia.de
ns.netzmafia.de
Die Zuordnung der Rechnernamen kann erfolgen als:
•
Flacher Namensraum, z. B.:
•
alpha.netzmafia.de
148
•
beta.netzmafia.de
•
gamma.netzmafia.de
•
delta.netzmafia.de
•
...
•
Hierarchischer Namensraum, z. B.:
•
alpha.direktion.netzmafia.de
•
beta.direktion.netzmafia.de
•
...
•
•
alpha.vertrieb.netzmafia.de
•
...
•
•
alpha.entwicklung.netzmafia.de
•
...
Die Rechnernamen werden von mindestens zwei Nameservern verwaltet (Ausfallsicherheit).
Beispiel einer Vorgabe zur Netzplanung
Beispiel-Szenario:
•
Die Firma Netzmafia, Hard- und Softwareentwicklungen, möchte Internet-Anschluß. Das
Unternehmen sitzt in zwei Gebäuden:
o
Gebäude 1: Geschäftsführung, Vertrieb, Verwaltung, Personalbüro
o
Gebäude 2: Hardware-Entwicklung, Software-Entwicklung, Technik
•
Alle Mitarbeiter sollen per E-Mail erreichbar sein und auf das WWW zugreifen können.
•
Die Firma betreibt einen WWW-Server, auf dem die Entwicklungsabteilungen und der
Vertrieb Informationen zur Verfügung stellen.
•
Die Entwicklungsabteilungen stellen Patches und Treiber per FTP zur Verfügung.
•
Die Hardware-Entwicklungsabteilung experimentiert gelegentlich mit instabilen
Netzwerkkomponenten, während die übrigen Abteilungen auf ein zuverlässiges Netz
angewiesen sind.
•
Von sämtlichen Rechnern sollen regelmässig Backups angefertigt werden.
Lösung (e pluribus unum):
149
•
Reservierung des Domainnamens netzmafia.de
•
Anforderung eines kleinen Netzes, z. B. eine Class-C-Netzes (254 Knoten) oder eines Class-CSubnetzes (126, 62, 30 Knoten)
•
Zuordnung der Namen:
•
gate.netzmafia.de
141.39.253.253
•
srv1.netzmafia.de
141.39.253.1
•
srv2.netzmafia.de
141.39.253.2
•
srv3.netzmafia.de
141.39.253.3
Dazu kommen noch Alias-Einträge:
ns.netzmafia.de
mail.netzmafia.de
www.netzmafia.de
ftp.netzmafia.de
•
gate.netzmafia.de
srv3.netzmafia.de
srv3.netzmafia.de
srv2.netzmafia.de
Die übrigen Rechner erhalten interne IP-Nummer und können nur über Proxies auf
gate.netzmafia.de auf das Internet zugreifen.
Eingehende Mail gelangt über einen Mail-Proxy an den Mailserver. Von dort aus erfolgt die
Verteilung per IMAP oder POP3. Ausgehende Mail wird direkt über den Mail-Proxy ins Internet
150
verschickt. Der primäre Nameserver steht in Gebäude 2, der Secondary NS beim Provider. In
Gebäude 2 ist zur Entlastung der Standleitung jeweils ein DNS- und WWW-Cache installiert. Das
Testnetz der Hardwareabteilung ist abgetrennt, aber bei Bedarf manuell zuschaltbar.
An diesem Beispiel lassen sich einige Aufgaben des Netzwerk-Managements feststellen:
•
Planung der Protokoll-Konfiguration (Bezug der IP-Adresse über DHCP, Festlegung des
Gateways und DNS-Servers)
•
Bei Windows-basierten Systemen muß noch für jeden Client festgelegt werden, an welchem
Fileserver er sich anmeldet und zu welcher Arbeitsgruppe er gehört.
•
Der Anschluß von Druckern und anderen Peripheriegeräten wurde im Beispiel nicht
berücksichtigt. Auch hier muß festgelegt werden, unter welchem Pfad die Drucker
angesprochen werden können.
•
ähnlich dem Internet Domain Name System (DNS) sind auch andere hierarchische
Namensräume verfügbar, z. B. die Directory Services von Novell (NDS) oder die Directory
Services und Domänen von Windows 2000/XP.
•
Nach der Grundinstallation ist dann noch die Vergabe von Benutzer- und Zugriffsrechten
nötig. Insbesondere die Zugriffsrechte auf bestimmte Geräte sind oft Restriktionen im
Dienste des Benutzers. Man denke z. B. an einen freigegeben Drucker, der im
Nachbargebäude steht. Die Benutzer würden in der Regel vergeblich am lokalen Drucker
nach ihren Ausdrucken suchen und sich beschweren.
•
Auf den Servern muß ggf. Backup-Software installiert und getestet werden. Administrative
Clients werden mit Software zur Netzwerküberwachung eingerichtet.
Zusammen mit der Planung wird das Netz dokumentiert. Neben Angaben über die Topologie sind
auch alle Kabelwege, Standorte von Netzkomponenten (Hub, Switches, Router, usw.), Server und
Peripheriegeräten zu dokumentieren. Übersichtsgrafiken lassen sich recht schnell mit speziellen
Tools wie Visio (Microsoft) oder Acrix (Autodesk) erstellen, für die Grafikbibliotheken mit speziellen
Symbolen für die Netzkomponenten erhältlich sind. Unter UNIX gibt es ein Tool namens 'tkinetd', das
die Rechner im Netz sucht und automatisch eine Grafik erzeugt. Die Standorte der Komponenten und
Dosen trägt man am besten auf der Kopie des Bauplans ein.
10.3 Netz-Dokumentation
Bei vielen Administratoren gehört die Dokumentation des Netzwerkes zu den "unangenehmen" und
vernachlässigten Aufgaben. Das Verkabelungspläne und Konfigurations-Beschreibungen sehr wichtig
sind fällt den meisten erst dann auf, wenn die bestehende Leitungsführung verändert werden soll
oder ein Fehler auftritt. Ohne ausreichende Dokumentation wird die Erweiterung und Fehlersuche zu
einer sehr kostenintensiven und langwierigen Angelegenheit. Aber die Bedeutung einer kompletten
und aktuellen Dokumentation für die schnelle Wiederherstellung des lokalen Netzes nach einem
Unglück kann nicht hoch genug bewertet werden.Sie ermöglicht zudem den täglichen Überblick und
bietet Hilfen bei der Fehlersuche.
151
Zusammen mit der Planung wird das Netz dokumentiert. Neben Angaben über die Topologie sind
auch alle Kabelwege, Standorte von Netzkomponenten (Hub, Switches, Router, usw.), Server und
Peripheriegeräten zu dokumentieren. Die Praxis zeigt leider, daß die Dokumentation bei einer
Neuistallation grade noch eben so klappt, nachträgliche Änderungen werden aber meist nicht mehr
dokumentiert. Für kleine Netze genügt ein Gebäude- oder Raumplan, in den mit Bleistift und Lineal
die Datenleitungen eingezeichnet werden. Dokumentiert werden Kabelführungen, Lage der
Anschlußdosen, Standort der Stationen und Komponenten (Hubs, Switches, usw.). Für jedes
eingezeichnete Element sollte eine sinnvolle Kurzbezeichnung vergeben werden, die die eindeutige
Zuordnung erlaubt. Die Art der Bezeichnung sollte Raum für spätere Erweiterungen bieten. Soll ein
bestehendes Netz in naher Zukunft in größerem Umfang erweitert werden, dann sollte der Lageplan
mit Hilfe eines einfachen Zeichen-Programmes erstellt werden. Diese Lösung benötigt zunächst mehr
Zeit als das einfache Einzeichnen in den Gebäudeplan, ist aber durch die vielfältigen
Editiermöglichkeiten flexibler. Übersichtsgrafiken lassen sich recht schnell mit speziellen Tools wie
Visio (Microsoft) oder Acrix (Autodesk) erstellen, für die Grafikbibliotheken mit speziellen Symbolen
für die Netzkomponenten erhältlich sind. Unter UNIX gibt es ein Tool namen 'tkinetd', das die
Rechner im Netz sucht und automatisch eine Grafik erzeugt.
Die Kurzbezeichnungen der Elemente in den oben genannten Netzwerkplänen sind natürlich nur
sinnvoll, wenn sie sich auf den entsprechenden Geräten und Anschlußpunkten wiederfinden. Dies
wird über selbstklebene Etiketten erreicht. Alle Dosen, Hubs, Switches, Router und andere Geräte
erhalten einen solchen Aufkleber. An den Stationen sollte das Etikett neben der Kurzbezeichnung
auch den Netzwerk-Namen des Rechners, die Ethernet-(MAC-Adresse) und gegebenenfalls die IPAdresse aufführen. Für Kabel benötigt man mindestens zwei Beschriftungs-Fahnen: Eine am Anfang
und eine am Ende der Leitung.
•
Die Standorte der Komponenten und Dosen trägt man am besten auf der Kopie des Bauplans
ein. Zeichnen Sie auch den Kabelzug ein.
•
Erstellen sie eine schematische Zeichnung über alle Kabelsegmente, und zeichnen Sie alle
Verbindungspunkte, Verbindungsausrüstungen und angeschlossenen Einheiten ein.
•
Entwickeln Sie mit Hilfe dieser Zeichnung ein logisches System für die Benennung (Ziffern,
Buchstaben) der Kabelsegmente und Ausrüstungen. Denken Sie daran, daß das Netz in
Zukunft expandieren kann. Tragen Sie die Namen in die Zeichnungen ein.
•
Erstellen Sie eine Liste über alle Kabelsegmente. Notieren Sie für jedes Segment dessen
Name, Länge und Kabeltyp.
•
Managebare Komponenten des Netzes (Switches, Router) werden oft wie Stecker und Kabel
angesehen und vor dem Austausch einer Komponente nicht daran gedacht, die Konfiguration
zu speichern oder zu dokumentieren.
•
Bei Patch-Feldern kann abgelesen werden, welche logischen Zuordnungen durch Umstecken
der Patch-Kabel möglich sind. Es ist daher sinnvoll, eine Kopie des Planes in der Nähe jeder
"Patch-Einheit" aufzubewahren.
152
Es versteht sich von selbst, daß jedes
Kabel eindeutig identifizierbar sein muß.
Es gibt im Handel genügend Systeme zur
Kabelidentifizierung, z. B. kleine
Plastikringe mit eingeprägten Nummern,
die sich um das Kabel legen und
verschließen lassen oder Kabelbinder mit
Beschriftungsfahne. Damit ist eine
Numerierung mit beliebig vielen Stellen
möglich. Man kann aber auch
Schlüsselanhänger aus Plastik nehmen,
das Schildchen beschriften und den
Anhänger mittels eines Kabelbinders am
Kabel befestigen. Notfalls kann das Kabel
auch mit einem wasserfesten Filzstift
markiert werden. Die Kabelsegmente
müssen an mindestens zwei Punkten
(nämlich an jedem Ende) gekennzeichnet werden. Das Bild links zeigt einen Ausschnitt, bei dem man
die weißen Markierungen gut erkennen kann.
Genauso wie die Kabel müssen auch alle Ports von Patchfeldern beschriftet werden. Wenn sich
Portzuordnungen häufig ändern, kann man die Ports auch durchnumerieren und in einer Liste die
Zuordnung handschriftlich festhalten. Die Liste kommt in eine Prospekthülle, die im oder am
Netzwerkschrank befestigt wird. Wenn man dann noch einen Stift an einer Schnur hängt, gibt es auch
keine Ausreden mehr für fehlende Einträge.
Zusätzlich zu Plänen und Beschriftungen sind, je nach Netzgröße, Aufstellungen in tabellarischer
Form nützlich:
•
Kabel-Tabelle: Hier wird jedes verlegte Kabel mit seiner Kurzbezeichnung und der aktuellen
(gemessenen!) Länge aufgeführt. Es hat sich in der Praxis bewährt, die Längen bei BusNetzen von Zeit zu Zeit nachzumessen. So werden Leitungen entdeckt, deren Verlängerung
nicht dokumentiert wurde, zum Beispiel weil sie nicht durch den Administrator, sondern
durch die Anwender ausgeführt wurde.
•
Patch-Tabelle: Diese Tabelle wird neben dem Patch-Feld ausgelegt und dokumentiert die
aktuelle Zuordnung der einzelnen Leitungen.
•
Stations-Konfiguration: In dieser Aufstellung wird die aktuelle Netzwerk-Konfiguration jeder
Station festgehalten. Je nach Anzahl der Rechner im Netz kann sie entweder per Hand (zum
Beispiel auf Kartei-Karten) oder mit einem Datenbank-Programm erzeugt werden.
Die Dokumentation des lokalen Netzes legt am besten in Form eines Betriebshandbuches an. Das
Betriebshandbuch muß in mehreren Exemplaren vorhanden und dem Systemverwalter, Superusern
und dem Benutzerservice sowie deren nächsten Vorgesetzten zugänglich sein. Das Betriebshandbuch
sollte enthalten:
153
•
Die LAN-Policy
Ein kurzer Abriß der LAN-Politik des Unternehmens kann Informationen über
Benutzergruppen, Paßwortpolitik und Möglichkeiten des externen Zugangs (remote login)
enthalten. Das Kapitel kann außerdem Regelungen für die Ausleihe von PC-Ausrüstung nach
Hause und Maßnahmen gegen PC-Viren, Hacker und das Kopieren von Software festlegen.
•
Schlüsselpersonen
Der Systemverwalter ist die absolute Schlüsselperson des lokalen Netzes. Außer diesem sind
etwaige Benutzerservice-Mitarbeiter und Superuser wichtige Personen.
•
Arbeitsgänge für Benutzerservice und -support
Dieser Abschnitt beschreibt die Vorgehensweise beim Auftreten von Fehlern, die Aufgaben
des Benutzerservices und Richtlinien für den Einkauf von Hardware und Software.
•
Verwaltung von Hardware und Software
Ein Hauptziel des Betriebshandbuches ist es, sicherzustellen, daß alle
Standardkonfigurationsparameter dokumentiert sind, damit es möglich ist, Fehler und
Unzweckmäßigkeiten zu berichtigen. Dieses Register ist auch für die Steuerung des
Unternehmensbestandes an PCs und Zubehör sowie den Bestand an in Form von
Originaldisketten oder -CDs von Bedeutung.
•
Tägliche und wöchentliche Routinen des lokalen Netzes
Das Betriebshandbuch kann Schulungs- und Anleitungsressourcen einsparen, indem es der
Ort ist, wo alle administrativen Aufgaben beschrieben sind. Die wichtigsten Tätigkeiten sind
das routinemäßige Backup und Restore, die Angaben der Verantwortlichen, Regeln für das
Einrichten neuer Benutzer und die Erweiterung von Berechtigungen Sowie andere
regelmäßige Tätigkeiten.
•
Beschreibung der physischen Struktur des lokalen Netzes
Die Dokumentation der Konfiguration von Servern und anderer zentraler Ausrüstung ist
obligatorisch. Es ist besonders wichtig, daß Platten- und Volumenstrukturen des Fileservers
sorgfältig dokumentiert werden, da diese Informationen entscheidend für ein problemloses
Restore von Backups nach einem Systemausfall sind. Außer Fileservern umfaßt die zentrale
Ausrüstung auch eventuell vorhandene Kommunikationsserver, E-Mail-Server,
Testmaschinen und Netzdrucker.Die Kabelführung im lokalen Netz einschließlich der LANStruktur in Hauptzügen und eine etwaige Segmentierung muß ebenfalls gründlich
dokumentiert sein.
•
Beschreibung der logischen Struktur des lokalen Netzes
Die Dokumentation der logischen Struktur des lokalen Netzes umfaßt die Zusammensetzung
der Benutzergruppen, die Platten-, Verzeichnis- und Dateistruktur im Netz.
•
Software des lokalen Netzes
Für Programme auf dem Server kann es eine Hilfe sein, genau dokumentiert zu haben, was
konfiguriert werden muß, wenn ein neuer Benutzer Zugang dazu haben soll. In vielen Fällen
müssen außerdem Drucker, die Lage von Dateien und anderes konfiguriert werden. Es kann
Zeit gespart werden, wenn diese Dinge in Form von Checklisten beschrieben sind.
Gleichzeitig erhalten die verschiedenen Benutzer ein einheitliches Setup.
154
Scheinbar unwichtig ist die Dokumentation von aufgetretenen Fehlern und die Maßnahmen, die zur
Fehlerbehebung getroffen wurden. Gerade diese Informationen sich jedoch oft äußerst wertvoll.
Einerseits kann man später beim Auftreten desselben Fehlers zu einem späteren Zeitpunkt die zu
treffenden Maßnahmen nachlesen. Zum anderen kann durch Protokollierung der Fehler das
sporadische Auftreten des gleichen Fehlers präventiv gearbeitet werden. Zeigt z. B. ein Fileserver alle
paar Wochen defekte Sektoren, dann geht so etwas als Einzelereignis oft im Tagesgeschäft unter. Bei
regelmäßiger Dokumentation kann gegebenenfalls rechtzeitig die Festplatte ausgetauscht werden.
Universal-Netzkabel
155
11.
TCP/IP
Die Protokolle der TCP/IP-Familie wurden in den 70-er Jahren für den Datenaustausch in
heterogenen Rechnernetzen (d. h. Rechner verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen
Betriebssystemen) entwickelt. TCP steht für 'Transmission Control Protocol' (Schicht 4) und IP für
'Internet Protocol' (Schicht 3). Die Protokollspezifikationen sind in sogenannten RFC-Dokumenten
(RFC - Request for Comment) festgeschrieben und veröffentlicht. Aufgrund ihrer Durchsetzung
stellen sie Quasi-Standards dar.
Die Schichten 5 - 7 des OSI-Standards werden hier in einer Anwendungsschicht zusammengefaßt, da
die Anwendungsprogramme alle direkt mit der Transportschicht kommunizieren.
In Schicht 4 befindet sich außer TCP, welches gesicherten Datentransport (verbindungsorientiert, mit
Flußkontrolle (d. h. Empfangsbestätigung, etc.) durch Windowing ermöglicht, auch UDP (User
Datagram Protocol), in welchem verbindungsloser und ungesicherter Transport festgelegt ist. Beide
Protokolle erlauben durch die Einführung von sogenannten Ports den Zugriff mehrerer
Anwendungsprogramme gleichzeitig auf ein- und dieselbe Maschine.
In Schicht 3 ist das verbindungslose Internet-Protokoll (IP) angesiedelt. Datenpakete werden auf den
Weg geschickt, ohne daß auf eine Empfangsbestätigung gewartet werden muß. IP-Pakete dürfen
unter bestimmten Bedingungen (TTL=0, siehe unten) sogar vernichtet werden. In Schicht 3 werden
damit auch die IP-Adressen festgelegt. Hier findet auch das Routing, das heißt die Wegsteuerung
eines Paketes von einem Netz ins andere statt. Ebenfalls in diese Ebene integriert sind die ARPProtokolle (ARP - Address Resolution Protocol), die zur Auflösung (= Umwandlung) einer logischen IPAdresse in eine physikalische (z. B. Ethernet-) Adresse dienen und dazu sogenannte Broadcasts
(Datenpakete, durch die alle angeschloßenen Stationen angesprochen werden) verwenden. ICMP,
ein Protokoll, welches den Austausch von Kontroll- und Fehlerpaketen im Netz ermöglicht, ist
ebenfalls in dieser Schicht realisiert.
156
Die Schichten 1 und 2 sind gegenüber Schicht 3 protokolltransparent. Sie können durch
standardisierte Protokolle (z. B. Ethernet (CSMA/CD), FDDI, SLIP (Serial Line IP), PPP (Point-to-Point
Protocol)) oder andere Übertragungsverfahren realisiert werden.
Zur TCP/IP-Familie gehören mehrere Dienstprogramme der höheren OSI-Schichten (5 - 7), z. B.:
•
Telnet (RFC 854)
Ein virtuelles Terminal-Protokoll, um vom eigenen Rechensystem einen interaktiven Zugang
zu einem anderen System zu realisieren.
•
FTP (RFC 959)
Dieses (File-Transfer-) Protokoll ermöglicht, die Dateidienste eines Fremdsystems interaktiv
zu benutzen sowie die Dateien zwischen den Systemen hin und her zu kopieren.
•
NFS (RFC 1094)
Das Network File System ermöglicht den Zugriff auf Dateien an einem entfernten System so,
als wären sie auf dem eigenen. Man nennt dies auch einen transparenten Dateizugriff. NFS
basiert auf den zur TCP/IP-Familie gehörenden UDP- (User- Datagramm-) Protokollen
(ebenfalls Schicht 4), RFC 768. Im Unterschied zu TCP baut UDP keine gesicherten virtuellen
Verbindungen zwischen kommunizierenden Hosts auf. Aufgrund dieser Eigenschaft ist es für
den Einsatz in lokalen Netzen vorgesehen.
•
NNTP (RFC 977)
Das Network News Transfer Protocol spezifiziert Verteilung, Abfrage, Wiederauffinden und
das Absetzen von News-Artikeln innerhalb eines Teils oder der gesamten InternetGemeinschaft. Die Artikel werden in regional zentralen Datenbasen gehalten. Einem
Benutzer ist es möglich, aus dem gesamten Angebot nur einzelne Themen zu abonnieren.
157
•
SMTP (RFC 821/822)
Das Simple-Mail-Transfer-Protokoll (RFC 821) ist ein auf der IP-Adressierung sowie auf der
durch den RFC 822 festgelegten Namensstruktur basierendes Mail-Protokoll.
•
DNS (RFC 920)
Der Domain Name Service unterstützt die Zuordnung von Netz- und Host-Adressen zu
Rechnernamen. Dieser Service ist z. B. erforderlich für die Anwendung von SMTP sowie in
zunehmendem Maße auch für Telnet und FTP. Aus Sicherheitsgründen wendet sich der
fremde Host an den DNS, um zu prüfen, ob der IP-Adresse des ihn rufenden Rechners auch
ein (Domain-)Name zugeordnet werden kann. Falls nicht, wird der Verbindungsaufbau
abgelehnt.
11.1 Die TCP/IP-Protokolle
Der große Vorteil der TCP/IP-Protokollfamilie ist die einfache Realisierung von Netzwerkverbunden.
Einzelne Lokale Netze werden über Router oder Gateways verbunden. Einzelne Hosts können daher
über mehrere Teilnetze hinweg miteinander kommunizieren.
IP als Protokoll der Ebene 3 ist die unterste Ebene, die darunter liegenden Netzebenen können sehr
unterschiedlich sein:
•
LANs (Ethernet, Token-Ring, usw.)
•
WANs (X.25, usw.)
•
Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (SLIP, PPP)
Internet-Protokolle
OSI-Schicht
Internet Protokoll Suite
File
7 Anwendung
Transfer
Electronic
Mail
Terminal
World
Usenet
Emulatio
Wide
News
n
Web
Domain
Name
Service
Art der
Kommunikation
Simple Mail
Transfer
Protocol
(SMTP)
RFC 821
Usenet
News
Transfe
Telnet
r
Protocol
Protoc
(Telnet)
ol
RFC 854
(NNTP)
RFC
977
Domain
Name
Service
(DNS)
RFC
1034
Applikation
User
Datagra
Host to Host
Kommunikati
6 Darstellung
5 Sitzung
4 Transport
File
Transfer
Protocol
(FTP)
RFC 959
DOD Schicht
Transmission Control Protocol (TCP)
RFC 793
Hyperte
xt
Transfer
Protocol
(HTTP)
RFC
2616
158
m
on
Protocol
(UDP)
RFC 768
3 Netzwerk
Address
Resolutio
n
Internet Protocol (IP)
Protocol RFC 791
(ARP)
RFC 826
2 Sicherung
Ethernet
Physikalisch
e
Twisted
1
Übertragun Pair
g
Token
Ring
Internet
Control
Messsag
Internet
e
Protocol
RFC 792
DQDB
Lichtwellenleit
Coaxkabel
er
FDDI
ATM
lokales
Netzwerk
Funk
Laser
Netzzugriff
Es ist offensichtlich, daß die Gateways neben dem Routing weitere nichttriviale Funktionen haben,
wenn sie zwischen den unterschiedlichsten Teilnetzen vermitteln (z. B. unterschiedliche Protokolle
auf Ebene 2, unterschiedliche Datenpaketgröße, usw.).
Aus diesem Grund existieren in einem Internet drei unabhängige Namens- bzw.
Adressierungsebenen:
•
Physikalische Adressen (z. B. Ethernet-Adresse)
•
Internet-Adressen (Internet-Nummer, IP-Adresse)
•
Domain-Namen
Die Ethernet-Adresse wurde bereits behandelt, auf die anderen beiden Ebenen wird in den
folgenden Abschnitten eingegangen. Die Umsetzung der höchsten Ebene (Domain-Namen) in IPAdressen erfolgt durch das oben erwähnte DNS, worauf die Dienstprogramme der Schichten 5-7
zurückgreifen.
11.2 ARP
Die Umsetzung einer IP-Adresse in eine Hardware-Adresse erfolgt durch Tabellen und auf HardwareEbene (z. B. Ethernet) automatisch über ARP (Adress Resolution Protocol). Dazu ein Beispiel:
Die Station A will Daten an eine Station B mit der Internetadresse I(B) senden, deren physikalische
Adresse P(B) sie noch nicht kennt. Sie sendet einem ARP-Request an alle Stationen im Netz, der die
eigene physikalische Adresse und die IP-Adresse von B enthält.
159
Alle Stationen erhalten und überprüfen den ARP-Request und die angesprochene Station B
antwortet, indem sie einen ARP-Reply mit ihrer eigenen physikalischen Adresse an die Station A
sendet. Letztere speichert die Zuordnung in einer Tabelle (Address Resolution Cache).
Auch für die Umkehrfunktion gibt es eine standardisierte Vorgehensweise, den RARP (Reverse ARP).
Hier sendet die Station A unter Angabe ihrer physikalischen Adresse P(A) einen RARP-Request. Wenn
im Netz nur eine Station als RARP-Server eingerichtet ist (eine Station, die alle Zuordnungen von P(x)
<--> I(x) "kennt"), antwortet diese mit einem RARP-Reply an die anfragende Station, der I(A) enthält.
Diese Funktion ist z. B. für sogenannte "Diskless Workstations" wichtig, die ihre gesamte Software
von einem Server laden.
160
11.3 IP - Internet Protocol
Auf der Netzwerkschicht aufbauend liegt die Internet-Schicht, die die erste Abstraktionsschicht vom
Transportmechanismus darstellt. Auf dieser Schicht 3 stellt das Internet-Protokoll (IP) den
grundlegenden Netzdienst zur Verfügung, den Versand von Datenpaketen, sogenannten
Datagrammen, über verschiedene Netze hinweg. Die Netzwerkschicht hat keine Information darüber,
von welcher Art die Daten sind, die sie befördert. Nehmen wir als Beispiel das Ethernet: Von der
Ethernet-Karte werden die vom Netz kommenden Daten an die Treibersoftware für die Karte
weitergereicht. Diese interpretiert einen Teil dieser Daten als IP-Header und den Rest als Datenteil
eines IP-Paketes. Auf diese Weise ist der IP-Header innerhalb eines Ethernet-Paketes eingekapselt.
Aber auch das IP-Paket selbst enthält wieder ein Datenpaket für eine höhere Protokollebene (TCP),
dessen Header auf der IP-Ebene als Bestandteil der Daten erscheint. Man kann sich das so vorstellen,
wie die russischen Puppen, die ineinandergeschachtelt sind. Die kleinste Puppe ganz innen
repräsentiert die Nutzdaten, alle außen herum geschachtelten Puppen sind 'Protokoll-Verpackung'.
IP ist ein verbindungsloses Protokoll. Es ist also nicht notwendig, eine IP-Verbindung zu einem
Rechner zu 'öffnen', bevor man Daten zu diesem Rechner senden kann, sondern es genügt, das IPPaket einfach abzusenden und darauf zu vertrauen, daß es schon ankommen wird. Bei einem
verbindungsorientierten Protokoll wird beim Öffnen einer Verbindung getestet, ob der Zielrechner
überhaupt erreichbar ist. Ein verbindungsloses Protokoll macht das nicht und kann demnach auch
nicht garantieren, daß ein Datenpaket überhaupt beim Empfänger ankommt. IP garantiert auch
nicht, daß von einem einmal abgeschickten Datenpaket nur eine Kopie beim Empfänger ankommt
oder daß in einer bestimmten Reihenfolge abgeschickte Datenpakete auch wieder in dieser
Reihenfolge empfangen werden.
161
Normalerweise laufen die IP-Pakete über mehrere Zwischenstationen, bis sie am Zielrechner
ankommen. Bricht irgendwann während der Übertragung ein Übertragungsweg zusammen, so wird
ein neuer Weg zum Ziel gesucht und benutzt. Da der neue Weg zeitlich länger oder kürzer sein kann
als der alte, kann man keine allgemeingültigen Aussagen darüber machen, in welcher Reihenfolge IPPakete beim Empfänger eintreffen. Es kann auch sein, daß bei dieser Umschalterei IP-Pakete
verlorengehen oder sich verdoppeln. Das Beheben der so entstehenden Probleme überläßt das IPProtokoll anderen, höherliegenden Schichten.
Das Internet-Protokoll ist somit ein verbindungsloser Dienst mit einem 'Unreliable Datagram
Service', d. h. es wird auf der IP-Ebene weder die Richtigkeit der der Daten noch die Einhaltung von
Sequenz, Vollständigkeit und Eindeutigkeit der Datagramme überprüft. Ein zuverlässiger
verbindungsorientierter Dienst wird in der darüberliegenden TCP-Ebene realisiert.
Ein IP-Datagramm besteht aus einem Header und einem nachfolgenden Datenblock, der seinerseits
dann z. B. in einem Ethernet-Frame "verpackt" wird. Die maximale Datenlänge wird auf die maximale
Rahmenlänge des physikalischen Netzes abgestimmt. Da nicht ausgeschlossen werden kann, daß ein
Datagramm auf seinem Weg ein Teilnetz passieren muß, dessen Rahmenlänge niedriger ist, müssen
zum Weitertransport mehrere (Teil-)Datagramme erzeugt werden. Dazu wird der Header im
Wesentlichen repliziert und die Daten in kleinere Blöcke unterteilt. Jedes Teil-Datagramm hat also
wieder einen Header. Diesen Vorgang nennt man Fragmentierung. Es handelt sich um eine rein
netztechnische Maßnahme, von der Quell- und Zielknoten nichts wissen müssen. Es gibt natürlich
auch eine umgekehrte Funktion, "Reassembly", die kleine Datagramme wieder zu einem größeren
packt. Geht auf dem Übertragungsweg nur ein Fragment verloren, muß das gesamte Datagramm
wiederholt werden. Es gilt die Empfehlung, daß Datagramme bis zu einer Länge von 576 Bytes
unfragmentiert übertragen werden sollten.
Format des IP-Headers
Version
Kennzeichnet die IP-Protokollversion
IHL (Internet Header Length)
162
Die Angabe der Länge des IP-Headers erfolgt in 32-Bit-Worten (normalerweise 5). Da die Optionen
nicht unbedingt auf Wortlänge enden, wird der Header gegebenenfalls aufgefüllt.
Type of Service
Alle Bits haben nur "empfehlenden" Charakter. 'Precedence' bietet die Möglichkeit,
Steuerinformationen vorrangig zu befördern.
Total Length
Gesamtlänge des Datagramms in Bytes (max. 64 KByte).
Identification (ID)
Dieses und die beiden folgenden Felder steuern die Reassembly. Eindeutige Kennung eines
Datagramms. Anhand dieses Feldes und der 'Source Address' ist die Zusammengehörigkeit von
Fragmenten zu detektieren.
Flags
Die beiden niederwertigen Bits haben folgende Bedeutung:
•
Don't fragment: Für Hosts, die keine Fragmentierung unterstützen
•
More fragments: Zum Erkennen, ob alle Fragmente eines Datagramms empfangen wurden
Fragment Offset
Die Daten-Bytes eines Datagramms werden numeriert und auf die Fragmente verteilt. Das erst
Fragment hat Offset 0, für alle weiteren erhöht sich der Wert um die Länge des Datenfeldes eines
Fragments. Anhand dieses Wertes kann der Empfänger feststellen, ob Fragmente fehlen. Beispiel
siehe unten.
Time-to-live (TTL)
Jedes Datagramm hat eine vorgegebene maximale Lebensdauer, die hier angegeben wird. Auch bei
Routing-Fehlern (z. B. Schleifen) wird das Datagramm irgendwann aus dem Netz entfernt. Da
Zeitmessung im Netz problematisch ist, und keine Startzeit im Header vermerkt ist, decrementiert
jeder Gateway dieses Feld --> de-facto ein 'Hop Count'.
Protocol
Da sich unterschiedliche Protokolle auf IP stützen, muß das übergeordnete Protokoll (ULP, Upper
Layer Protocol) angegeben werden. Wichtige ULPs sind
•
1: ICMP Internet Control Message P.
•
3: GGP Gateway-to-Gateway P.
•
6: TCP Transmission Control P.
•
8: EGP Exterior Gateway P.
163
•
17: UDP User Datagram P.
Header Checksum
16-Bit-Längsparität über den IP-Header (nicht die Daten)
Source Address
Internet-Adresse der Quellstation
Destinantion Address
Internet-Adresse der Zielstation
Options
Optionales Feld für weitere Informationen (deshalb gibt es auch die Header-Länge). Viele Codes sind
für zukünftige Erweiterungen vorgesehen. Die Optionen dienen vor allem der Netzsteuerung, der
Fehlersuche und für Messungen. Die wichtigsten sind:
•
Record Route: Weg des Datagramms mitprotokollieren
•
Loose Source Routing: Die sendende Station schreibt einige Zwischenstationen vor (aber
nicht alle)
•
Strict Source Routing: Die sendende Station schreibt alle Zwischenstationen vor.
•
Timestamp Option: Statt seiner IP-Adresse (wie bei Record Route) trägt jeder Gateway den
Bearbeitungszeitpunkt ein (Universal Time).
Padding
Füllbits
Die Hauptaufgabe von IP ist es also, die Unterschiede zwischen den verschiedenen,
darunterliegenden Netzwerkschichten zu verbergen und eine einheitliche Sicht auf die
verschiedensten Netztechniken zu präsentieren. So gibt es IP nicht nur in Netzen, sondern auch als
SLIP (Serial Line IP) oder PPP (Point to Point Protocol) für Modem- oder ISDN-Verbindungen. Zur
Vereinheitlichung gehören auch die Einführung eines einheitlichen Adressierungsschemas und eines
Fragmentierungsmechanismus, der es ermöglicht, große Datenpakete durch Netze mit kleiner
maximaler Paketgröße zu senden: Normalerweise existiert bei allen Netzwerken eine maximale
Größe für ein Datenpaket. Im IP-Jargon nennt man diese Grenze die 'Maximum Transmisson Unit'
(MTU). Natürlich ist diese Obergrenze je nach verwendeter Hardware bzw. Übertragungstechnik
unterschiedlich. Die Internet-Schicht teilt IP-Pakete, die größer als die MTU des verwendeten
Netzwerks sind, in kleinere Stücke, sogenannte Fragmente, auf. Der Zielrechner setzt diese
Fragmente dann wieder zu vollständigen IP-Paketen zusammen, bevor er sie an die darüberliegenden
Schichten weitergibt. Der Fragement Offset gibt an, an welcher Stelle in Bezug auf den IPDatagramm-Anfang das Paket in das Datagramm einzuordnen ist. Aufgrund des Offset werden die
Pakete in die richtige Reihenfolge gebracht. Dazu ein Beispiel:
Es soll ein TCP-Paket mit einer Länge von 250 Byte über IP versandt werden. Es wird angenommen,
daß ein IP-Header eine Länge von 20 Byte hat und eine maximale Länge von 128 Byte pro Paket nicht
164
überschritten werden darf Der Identifikator des Datagramms beträgt 43 und der Fragmentabstand
wird in 8-Byte-Schritten gezählt. Das Datenfragment muß also durch 8 dividierbar sein.
Da alle Fragmente demselben Datagramm angehören, wird der Identifikator für alle Fragmente
beibehalten. Im ersten Fragment ist das Fragment Offset natürlich noch Null, das MF-Bit jedoch auf 1
gesetzt, um zu zeigen, daß noch Fragmente folgen. Im IP-Header des zweiten Fragments beträgt das
Fragment Offset 13 (104/8 = 13) und zeigt die Position des Fragments im Datagramm an. Das MF-Bit
ist noch immer 1, da noch ein Datenpaket folgt. Der Header des dritten Fragments enthält dann ein
MF-Bit mit dem Wert 0, denn es handelt sich um das letzte Datenpaket zum Datagramm 43. Das
Fragment Offset ist auf 26 gesetzt, da vorher schon 208 Daten-Bytes (8 * 26 = 208) übertragen
wurden.
Sobald das erste Fragment (gleich welches) im Empfänger ankommt, wird ein Timer gesetzt. Sind
innerhalb der dort gesetzten Zeit nicht alle Pakete zu einem Datagramm eingetroffen, wird
angenommen, daß Fragmente verlorengingen. Der Empfänger verwirft dann alle Datenpakete mit
diesem Identifikator.
Was geschieht aber, wenn der Kommunikationspartner nicht erreichbar ist? Wie schon erwähnt,
durchläuft ein Datagramm mehrere Stationen. Diese Stationen sind in der Regel Router oder
Rechner, die gleichzeitig als Router arbeiten. Ohne Gegenmaßnahme würde das Datenpaket für alle
Zeiten durch das Netze der Netze irren. Dazu gibt es im IP-Header neben anderer Verwaltungsinfo
auch ein Feld mit dem Namen TTL (Time To Live). Der Wert von TTL kann zwischen 0 und 255 liegen.
Jeder Router, der das Datagramm transportiert, vermindert den Wert dieses Feldes um 1. Ist der
Wert von TTL bei Null angelangt, wird das Datagramm vernichtet.
Die Adressen, die im Internet verwendet werden, bestehen aus einer 32 Bit langen Zahl. Damit sich
die Zahl leichter darstellen läßt, unterteilt man sie in 4 Bytes (zu je 8 Bit). Diese Bytes werden dezimal
notiert und durch Punkte getrennt (a.b.c.d). Zum Beispiel:
141.84.101.2
129.187.10.25
165
Bei dieser Adresse werden zwei Teile unterscheiden, die Netzwerkadresse und die Rechneradresse,
wobei unterschiedlich viele Bytes für beide Adressen verwendet werden:
Die Bereiche für die Netzwerkadresse ergeben sich durch die Zuordnung der ersten Bits der ersten
Zahl (a), die eine Erkennung der Netz-Klassen möglich machen.
Netzklassen
Klasse A - Netz
Klasse B - Netz
Klasse C - Netz
Netz-ID
8 Bit = 1 Byte
16 Bit = 2 Byte
24 Bit = 3 Byte
Host-ID
24 Bit = 3 Byte
16 Bit = 2 Byte
8 Bit = 1 Byte
Netzmaske
255.0.0.0
255.255.0.0
255.255.255.0
Adressklassen-ID 0
(= Feste Bits im 1.
Byte, 1. Quad)
10
110
Wertebereich
(theoretisch)
0.0.0.0 bis
127.255.255.255
128.0.0.0 bis
191.255.255.255
192.0.0.0 bis
223.255.255.255
Anzahl der Netze
128 (= 2 7 )
16384 (= 2 6 *256
= 64*256)
2097152 (=
2 5 *256*256
= 32*256*256)
Anzahl der
Rechner
im Netz
16777216 (= 256 3 ) 65536 (= 256 2 )
Besondere Adreßklassen
256 (= 256 1 )
166
Klasse D
Klasse E
Adressklassen-ID
4 Bit = "1110"
5 Bit = "11110"
keine Netz-ID,
sondern:
28 Bit-Identifikator
27 Bit-Identifikator
Wertebereich
224.0.0.0 bis
239.255.255.255
240.0.0.0 bis 247.255.255.255
Anwendungen
für Multicast-Gruppen
reservierte Adressen für
Zukünftiges
Grundsätzlich gilt:
•
Alle Rechner mit der gleichen Netzwerkadresse gehören zu einem Netz und sind
untereinander erreichbar.
•
Zur Koppelung von Netzen unterschiedlicher Adresse wird eine spezielle Hardware- oder
Softwarekomponente, ein sogenannter Router, benötigt.
•
Je nach Zahl der zu koppelnden Rechner wird die Netzwerkklasse gewählt.
In einem Netz der Klasse C können z. B. 254 verschiedene Rechner gekoppelt werden
(Rechneradresse 1 bis 254). Die Hostadresse 0 wird für die Identifikation des Netzes benötigt und die
Adresse 255 für Broadcast-(Rundruf-)Meldungen.
Die Netzwerkadresse 127.0.0.1 bezeichnet jeweils den lokalen Rechner (loopback address). Sie dient
der Konsistenz der Netzwerksoftware (jeder Rechner ist über seine Adresse ansprechbar) und dem
Test.
Damit man nun lokale Netze ohne Internetanbindung mit TCP/IP betreiben kann, ohne IP-Nummern
beantragen zu müssen und um auch einzelne Rechnerverbindungen testen zu können, gibt es einen
ausgesuchten Nummernkreis, der von keinem Router nach außen gegeben wird. Diese "privaten"
Adressen sind im RFC 1597 festgelegt. Es gibt ein Class-A-Netz, 16 Class-B-Netze und 255 Class-CNetze:
167
•
Class-A-Netz: 10.0.0.0 - 10.255.255.255
•
Class-B-Netze: 172.16.0.0 - 172.31.255.255
•
Class-C-Netze: 192.168.0.0 - 192.168.255.255
Zusätzlich hat die IANA auch das folgende Class-B-Netz für private Netze reserviert, das schon von
Apple- und Microsoft-Clients verwendet wird, sofern kein DHCP-Server zur Verfügung steht. Das
Verfahren heißt APIPA (Automatic Private IP Addressing):
•
169.254.0.0 - 169.254.255.255
Der für IP reservierte Adressraum reicht nicht mehr aus, um alle Endgeräte anzusteuern. Mögliche
Abhilfen:
•
Dynamische Vergabe von IP-Adressen: Dieses Verfahren wird beim Dial-In beim Provider
verwendet. Es eignet sich auch im lokalen Netz, wenn davon auszugehen ist, daß immer nur
ein Teil der Rechner in Betrieb ist. Der Benutzer bekommt für die Dauer einer Verbindung
eine IP-Adresse zugeteilt. Das bekannteste Verfahren heißt DHCP (dynamic host
configuration protocol).
•
Weiterentwicklung des IP-Protokolls: Mit IP Version 6 wird ein auf 128 Bit erweiterter
Adressraum geschaffen. Damit stehen genügend Adressen zur Vefügung.
•
Network Address Translation (NAT): Über ein Gateway wird im Internet eine andere IPAdresse verwendet als im lokalen Netz (private Adressräume). Die Umsetzung erlaubt sogar,
ein komplettes privates Netz (siehe oben) mit einer einzigen externen IP-Adresse zu
betreiben.
Network Address Tran slation (NAT) und IP -Masquerading
Die begrenzte Verfügbarkeit von IP-Adressen hat dazu geführt, daß man sich Gedanken über
verschiedene Möglichkeiten machen mußte, wie man mit den existierenden Adressen ein größeres
Umfeld abdecken kann. Eine Möglichkeit, um private Netze (und dazu gehört letztendlich auch ein
privater Anschluß mit mehr als einem PC) unter Verwendung möglichst weniger Adressen an das
Internet anzukoppeln stellen NAT, PAT und IP Masquerading. Alle Verfahren bilden private Adressen
gemäß RFC 1918 oder einen proprietären (nicht registrierten) Adreßraum eines Netzes auf
öffentliche registrierte IP-Adressen ab.
•
NAT (Network Address Translation)
Beim NAT (Network Address Translation) werden die Adressen eines privaten Netzes über
Tabellen öffentlich registrierten IP-Adressen zugeordnet. Der Vorteil besteht darin, daß
Rechner, die in einem privaten Netz miteinander kommunizieren, keine öffentlichen IPAdressen benötigen. IP-Adressen interner Rechner, die eine Kommunikation mit Zielen im
Internet aufbauen, erhalten in dem Router, der zwischen dem Internet Service Provider (ISP)
und dem privaten Netzwerk steht, einen Tabelleneintrag. Durch diese Eins-zu-EinsZuordnung sind diese Rechner nicht nur in der Lage, eine Verbindung zu Zielen im Internet
aufzubauen, sondern sie sind auch aus dem Internet erreichbar. Die interne Struktur des
Firmennetzwerkes bleibt jedoch nach außen verborgen.
168
•
IP Masquerading
IP Masquerading, das manchmal auch als PAT (Port and Address Translation) bezeichnet
wird, bildet alle Adressen eines privaten Netzwerkes auf eine einzelne öffentliche IP-Adresse
ab. Dies geschieht dadurch, daß bei einer existierenden Verbindung zusätzlich zu den
Adressen auch die Portnummern ausgetauscht werden. Auf diese Weise benötigt ein
gesamtes privates Netz nur eine einzige registrierte öffentliche IP-Adresse. Der Nachteil
dieser Lösung besteht darin, daß die Rechner im privaten Netzwerk nicht aus dem Internet
angewählt werden können. Diese Methode eignet sich daher hervorragend, um zwei und
mehr Rechner eines privaten Anschlusses per DFÜ-Netzwerk oder ISDN-Router an das
Internet zu koppeln.
169
IP Masquerading rückt mit dieser Funktionalität sehr nahe an Proxy- und Firewall-Lösungen heran,
wobei ein Proxy explizit für ein Protokoll (z. B. HTTP) existieren und aufgerufen werden muß.
Subnetze
Nachdem nun klar ist, was ein Netz der Klasse A oder B ist, soll auf die Bildung von Subnetzen
hingewiesen werden. Diese dienen dazu, ein bestehendes Netz in weitere, kleinere Netze zu
unterteilen.
•
Subnetze sind Strukturierungsmöglichkeit für Netze, ohne daß man zusätzliche Klasse-A-,
Klasse-B- oder Klasse-C-IP-Adressen braucht.
•
Die Standardprozedur, um ein Netz in Unternetze (Subnetze) zu teilen, nennt man
"Subnetting".
•
Die Hostadresse des A-, B- oder C-Netzes teilt sich in die Bereiche Subnetzadresse (Subnet-ID,
Teilnetz-ID) und Hostadresse (verbleibende, verkürzte Host-ID). Ein Teil des
Hostadressbereiches wird also genutzt, um die Subnetze zu unterscheiden.
•
Die Netzadresse und den Subnetzanteil des Hostadressraumes bezeichnet man als
"erweiterte Netzadresse" (extended network prefix).
•
Die interne Subnetz-Struktur von A-, B- oder C-Netzen ist nach außen hin unsichtbar.
•
Damit Router in der Lage sind, Datagramme in das richtige Netz zuzustellen, müssen sie bei
der IP-Adresse den Netz- und Hostanteil unterscheiden können.
•
Dies geschieht traditionell durch die Netzmaske bzw. Subnetzmaske (subnet mask).
170
Die Subnetzmaske dient dem Rechner dazu, die Zuordnung von Netzwerk-Teil und Host-Teil
vorzunehmen. Sie hat denselben Aufbau wie eine IP-Adresse (32 Bit bzw. 4 Byte). Per Definition sind
alle Bit des "Netzwerk-Teils" auf 1 zu setzen, alle Bit des "Host-Teils" auf 0. Für die o.a. Adreßklassen
hat die Subnetzmaske demnach folgendes Aussehen:
AdreßKlasse
Subnetzmaske (binär)
Subnetzmaske
(dezimal)
Class A
11111111.00000000.00000000.00000000 255.0.0.0
Class B
11111111.11111111.00000000.00000000 255.255.0.0
Class C
11111111.11111111.11111111.00000000 255.255.255.0
Diese Subnetzmaske (auch "Default Subnetzmaske" genannt) kann manuell überschrieben werden.
Eine Subnet-Maske für ein Netz der Klasse C lautet daher 255.255.255.0. Das bedeutet, daß die
ersten drei Bytes die Netzadresse angeben und das vierte Byte die Rechner adressiert. Eine SubnetzMaske mit dem Wert 255.255.0.0 würde folglich ein Netz der Klasse B angeben und für ein C-Netz
steht die Maske 255.255.255.0.
Aufteilung in Subnetze
Netzwerk- Hostanteil Subnetz- Hostanzahl **) Subnetzmaske
anteil in Bit in Bit
anzahl *)
8
24
1
16777216
255.0.0.0
9
23
2
128*65536
255.128.0.0
10
22
4
64*65536
255.192.0.0
11
21
8
32*65536
255.224.0.0
12
20
16
16*65536
255.240.0.0
13
19
32
8*65536
255.248.0.0
14
18
64
4*65536
255.252.0.0
15
17
128
2*65536
255.254.0.0
Klasse A
171
16
16
1
65536
255.255.0.0
Klasse B
17
15
2
128*256
255.255.128.0
18
14
4
64*256
255.255.192.0
19
13
8
32*256
255.255.224.0
20
12
16
16*256
255.255.240.0
21
11
32
8*256
255.255.248.0
22
10
64
4*256
255.255.252.0
23
9
128
2*256
255.255.254.0
24
8
1
256
255.255.255.0
25
7
2
128
255.255.255.128
26
6
4
64
255.255.255.192
27
5
8
32
255.255.255.224
28
4
16
16
255.255.255.240
29
3
32
8
255.255.255.248
30
2
64
4
255.255.255.252
Klasse C
Anmerkungen:
*) Die erste und letzte bei der Unterteilung entstehenden Adressen dürfen nicht verwendet werden
(Verwechslung mit Netz- und Broadcast-Adresse des übergeordneten Netzes). Die Anzahl der
Subnetze verringert sich somit jeweils um zwei:
Ist der Netzwerkanteil der IP-Adresse n Bits, dann erhält man (2 n) - 2 Subnetze.
**) Die Rechneranzahl verringert sich ebenfalls um zwei wegen Subnetz-Adresse (alle Rechnerbits auf
0) und Broadcast-Adresse (alle Rechnerbits auf 1):
Ist der Hostanteil der IP-Adresse m Bits, dann erhält man (2 m) - 2 Hosts pro Subnetz.
Besitzt breispielsweise ein Unternehmen ein Netz der Klasse C, möchte man dieses vielleicht in zwei
Segmente unterteilen, die voneinander getrennt sind. Der Broadcastverkehr des ersten Segments
172
kann so das andere nicht beeinträchtigen. In diesem Fall kommt die Subnetz-Maske zum Einsatz,
welche die Rechneradressen in zwei Bereiche gliedert. Sollen die Rechner in vier gleich große
Subnetze mit je 64 Knoten eingeteilt werden, lautet die Subnetz-Maske 255.255.255.192. Es gilt die
folgende Formel für das Maskier-Byte:
Bytewert = 256 - (Anzahl der Knoten in einem Segment)
Als das Subnetting erstmals standardisiert wurde, war es verboten die Subnetze zu nutzen, in denen
alle Subnetzbits den Wert 0 oder 1 hatten (siehe Anmerkungen oben). Damit ergeben sich im Beispiel
nur zwei Subnetze mit je 62 Hosts. Inzwischen beherrschen fast alle Systeme korrektes Subnetting
("classless" routing).
Beispiel: Aufteilung in 4 Subnetze
Ein Netz der Klasse C soll in vier gleich große Subnetze geteilt werden. Die Netzadresse beträgt
192.168.98.0. Der Administrator wählt daher zur Unterteilung die Subnetz-Maske 255.255.255.192.
Die vier Rechner mit den IP-Adressen 192.168.98.3, 192.168.98.73. 192.168.98.156 und
192.168.98.197 befinden sich daher in vier Subnetzen zwischen denen geroutet werden muß.
Broadcasts in Subnetz 1 werden somit nicht in die anderen Subnetze übertragen. Es ist nun zum
Beispiel für das Unternehmen möglich, die Rechner des Vertriebs in Subnetz 1, die des Einkaufs in
Subnetz 2, jene der Entwicklung in Subnetz 3 und ein Netz aus Demorechnern in Subnetz 4 zu
organisieren. Damit ist gesichert, daß Störungen in einzelnen Subnetzen auch lokal auf diese
beschränkt bleiben. Sie schlagen nicht auf die Datenstruktur des ganzen Unternehmens durch.
Allgemein ergibt sich für ein C-Netz folgende Aufstellung:
Subnetze eines C-Netzes
In Klammern die reduzierte Anzahl der Subnetze (Anzahl - 2). Die rot unterlegten Möglichkeiten sind
dann in der Praxis nicht einsetzbar.
Subnetzbits
Hostbits mögliche Subnetze
Hostadressen
Subnetzmaske
173
1
7
2 (0)
126 (0)
255.255.255.128
2
6
4 (2)
62
255.255.255.192
3
5
8 (6)
30
255.255.255.224
4
4
16 (14)
14
255.255.255.240
5
3
32 (30)
6
255.255.255.248
6
2
64 (62)
2
255.255.255.252
7
1
128
0
255.255.255.254
Beispiel: Aufteilung in 8 (6) Subnetze
Von den acht variabel verwendbaren Bits nutzt er also die drei höchstwertigen Bits für das Subnetz
und die fünf letzten Bits für die Hostadresse. Die erste Adresse jedes Subnetz ist die Adresse in der
alle Hostbits den Wert 0 haben.
Subnetzbits
Hostbits
Dezimale Wertigkeit des Bit
128
64
32
16
8 4
2
1
erstes Subnetz
0
0
0
0
0 0
0
0
0
zweites Subnetz
0
0
1
0
0 0
0
0
32
drittes Subnetz
0
1
0
0
0 0
0
0
64
viertes Subnetz
0
1
1
0
0 0
0
0
96
fünftes Subnetz
1
0
0
0
0 0
0
0
128
sechstes Subnetz
1
0
1
0
0 0
0
0
160
siebtes Subnetz
1
1
0
0
0 0
0
0
192
achtes Subnetz
1
1
1
0
0 0
0
0
224
Damit sind die acht zur Verfügung stehenden Subnetze bekannt:
192.168.0.0/27
dezimal
174
192.168.0.32/27
192.168.0.64/27
192.168.0.96/27
192.168.0.128/27
192.168.0.160/27
192.168.0.192/27
192.168.0.224/27
Anmerkung:
Die Zahl hinter dem Schrägstrich (oben ist das die 27) gibt an, wieviele Bits der 32 Bit langen IPAdresse als Netzanteil verwendet werden.
Diese Subnetze können jetzt einzelnen Netzen zugeordnet werden. Die folgende Tabelle zeigt die
Netz- und Broadcastadressen von jedem einzelnen Subnetz und die Rechneradressen.
Subnetz
IP-Adressen (letztes Oktett)
Netz
Hosts
Broadcast
erstes Subnetz
0
1-30
31
zweites Subnetz
32
33-62
63
drittes Subnetz
64
65-94
95
viertes Subnetz
96
97-126
127
fünftes Subnetz
128
129-158
159
sechstes Subnetz
160
161-190
191
siebtes Subnetz
192
193-222
223
achtes Subnetz
224
225-254
255
Als kleine Hilfe gibt es hier noch einen Subnetz-Rechner als Javascript-Programm. Eingegeben wird
eine IP-Netzadresse in CIDR-Form (Classless Inter-Domain Routing, z.B. 10.1.2.0/24). Nach dem Klick
auf "Berechnen" erscheinen im unteren Feld die Werte der Netzadresse, der Subnet-Maske und der
Bereich der zugehörigen IP-Adressen, wobei die erste Adresse des angebenen Bereichs die
Netzadresse darstellt und die letzte Adresse die Broadcast-Adresse.
175
CIDR:
192.168.1.0
IP-Bereich:
11.4 ICMP - Internet Control Message Protocol
ICMP erlaubt den Austauch von Fehlermeldungen und Kontrollnachrichten auf IP-Ebene. ICMP
benutzt das IP wie ein ULP, ist aber integraler Bestandteil der IP-Implementierung. Es macht IP nicht
zu einem 'Reliable Service', ist aber die einzige Möglichkeit Hosts und Gateways über den Zustand
des Netzes zu informieren (z. B. wenn ein Host temporär nicht erreichbar ist --> Timeout).
Die ICMP-Nachricht ist im Datenteil des IP-Datagramms untergebracht, sie enthält ggf. den IP-Header
und die ersten 64 Bytes des die Nachricht auslösenden Datagramms (z. B. bei Timeout).
Die fünf Felder der ICMP-Message haben folgende Bedeutung:
Type
Identifiziert die ICMP-Nachricht
•
0 Echo reply
•
3 Destination unreachable
•
4 Source quench
•
5 Redirect (Change a Route)
•
8 Echo request
•
11 Time exceeded for a datagram
•
12 Parameter Problem on a datagram
•
13 Timestamp request
176
•
14 Timestamp reply
•
15 Information request
•
16 Information reply
•
17 Address mask request
•
18 Address mask reply
Code
Detailinformation zum Nachrichten-Typ
Checksum
Prüfsumme der ICMP-Nachricht (Datenteil des IP-Datagramms)
Identifier und Sequence-Nummer
dienen der Zuordnung eintreffender Antworten zu den jeweiligen Anfragen, da eine Station mehrere
Anfragen aussenden kann oder auf eine Anfrage mehrere Antworten eintreffen können.
Wenden wir uns nun den einzelnen Nachrichtentypen zu:
Echo request/reply
Überprüfen der Erreichbarkeit eines Zielknotens. Es können Testdaten mitgeschickt werden, die dann
unverändert zurückgeschickt werden (--> Ping-Kommando unter UNIX).
Destination unreachable
Im Codefeld wird die Ursache näher beschrieben: 0 Network unreachable 1 Host unreachable 2
Protocol unreachable 3 Port unreachable 4 Fragmentation needed 5 Source route failed
Source quench
Wenn mehr Datagramme kommen als eine Station verarbeiten kann, sendet sie diese Nachricht an
die sendende Station.
Redirect
wird vom ersten Gateway an Hosts im gleichen Teilnetz gesendet, wenn es eine bessere RouteVerbindung über einen anderen Gateway gibt. In der Nachricht wird die IP-Adresse des anderen
Gateways angegeben.
Time exceeded
Für diese Nachricht an den Quellknoten gibt es zwei Ursachen:
•
Time-to-live exceeded (Code 0): Wenn ein Gateway ein Datagramm eliminiert, dessen TTLZähler abgelaufen ist.
177
•
Fragment reassembly time exceeded (Code 1): Wenn ein Timer abläuft, bevor alle Fragmente
des Datagramms eingetroffen sind.
Parameter problem on a Datagramm
Probleme bei der Interpretation des IP-Headers. Es wird ein Verweis auf die Fehlerstelle und der
fragliche IP-Header zurückgeschickt.
Timestamp request/reply
Erlaubt Zeitmessungen und -synchronisation im Netz. Drei Zeiten werden gesendet (in ms seit
Mitternacht, Universal Time):
•
Originate T.: Sendezeitpunkt des Requests (vom Absender)
•
Receive T.: Ankunftszeit (beim Empfänger)
•
Transmit T.: Sendezeitpunkt des Reply (vom Empfänger)
Information request/reply
Mit dieser Nachricht kann ein Host die Netid seines Netzes erfragen, indem er seine Netid auf Null
setzt.
Address mask request/reply
Bei Subnetting (siehe unten) kann ein Host die Subnet-Mask erfragen.
Für den User nutzbar ist ICMP vor allem für die Kommandos ping und traceroute (bei Windows
"tracert"). Diese Kommandos senden ICMP-Echo-Requests aus und warten auf den ICMP-Echo-Reply.
So kann man die Erreichbarkeit eines Knotens feststellen. Will man alle Knoten im lokalen Netz
erkennen genügt ein ping auf die Broadcast-Adresse, z. B.:
ping 192.168.33.255
Zum Anzeigen der Arp-Tabelle gibt es unter Windows wie unter Linux das arp-Kommando, mit arp -a
erhält man eine Liste der aktuell gespeicherten MAC-Adressen und deren Zuordnung zu IP-Adressen.
Führt man das obige ping-Kommando und das arp-Kommando nacheinander aus, erhält man eine
liste der IP- umd MAC-Adressen der aktiven lokalen Knoten, z.B.:
ping -b -c1 192.168.33.255
arp -a
11.5 UDP - User Datagram Protocol
UDP ist ein einfaches Schicht-4-Protokoll, das einen nicht zuverlässigen, verbindungslosen
Transportdienst ohne Flußkontrolle zur Verfügung stellt. UDP ermöglicht zwischen zwei Stationen
mehrere unabhängige Kommunikationsbeziehungen (Multiplex-Verbindung): Die Identifikation der
beiden Prozesse einer Kommuninkationsbeziehung geschieht (wie auch bei TCP, siehe unten) durch
Port-Nummern (kurz "Ports"), die allgemein bekannten Anwendungen fest zugeordnet sind. Es lassen
178
sich aber auch Ports dynamisch vergeben oder bei einer Anwendung durch verschiedene Ports deren
Verhalten steuern. Die Transporteinheiten werden 'UDP-Datagramme' oder 'User Datagramme'
genannt. Sie haben folgenden Aufbau:
Source Port
Identifiziert den sendenden Prozeß (falls nicht benötigt, wird der Wert auf Null gesetzt).
Destination Port
Identifiziert den Prozeß des Zielknotens.
Length
Länge des UDP-Datagramms in Bytes (mindestens 8 = Headerlänge)
UDP-Checksum
Optionale Angabe (falls nicht verwendet auf Null gesetzt) einer Prüfsumme. Zu deren Ermittlung wird
dem UDP-Datagramm ein Pseudoheader von 12 Byte vorangestellt (aber nicht mit übertragen), der u.
a. IP-Source-Address, IP-Destination-Address und Protokoll-Nummer (UDP = 17) enthält.
11.6 TCP - Transmission Control Protocol
Welches übergeordnete Protokoll der Transportschicht das Datenpaket erhält, steht im 'Protokoll'Feld eines jeden IP-Paketes. Jedes Protokoll der Transportschicht bekommt eine eindeutige
Identifikationsnummer zugewiesen, anhand der die IP-Schicht entscheiden kann, wie weiter mit dem
Paket zu verfahren ist. Eines der wichtigsten Protokolle der Transportschicht ist TCP.
Die Aufgabe von TCP ist es, die oben geschilderten Defizite von IP zu verbergen. Für den TCPBenutzer soll es nicht mehr sichtbar sein, daß die darunterliegenden Protokollschichten Datenpakete
versenden, sondern es soll der Benutzer mit einem Byte-Strom wie bei einer normalen Datei (oder
einem Terminal) arbeiten können. TCP garantiert vor allen Dingen den korrekten Transport der Daten
- jedes Paket kommt nur einmal, fehlerfrei und in der richtigen Reihenfolge an. Zusätzlich können bei
TCP mehrere Programme die Verbindung zwischen zwei Rechnern quasi-gleichzeitig nutzen. TCP teilt
die Verbindung in viele virtuelle Kanäle ("Ports") auf, die zeitmultiplex mit Daten versorgt werden.
Nur so ist es möglich, daß beispielsweise mehrere Benutzer eines Rechners zur selben Zeit das Netz
in Anspruch nehmen können oder daß man mit einer einzigen Wählverbindung zum Provider
gleichzeitig E-Mail empfangen und Dateien per FTP übertragen kann.
Dieses Protokoll implementiert also einen verbindungsorientierten, sicheren Transportdienst als
Schicht-4-Protokoll. Die Sicherheit wird durch positive Rückmeldungen (acknowledgements) und
179
Wiederholung fehlerhafter Blöcke erreicht. Fast alle Standardanwendungen vieler Betriebssysteme
nutzen TCP und das darunterliegende IP als Transportprotokoll, weshalb man die gesamte
Protokollfamilie allgemein unter 'TCP/IP' zusammenfaßt. TCP läßt sich in lokalen und weltweiten
Netzen einsetzen, da IP und die darunterliegenden Schichten mit den unterschiedlichsten Netzwerkund Übertragungssystemen arbeiten können (Ethernet, Funk, serielle Leitungen, ...). Zur Realisierung
der Flußkontrolle wird ein Fenstermechanismus (sliding windows) verwendet (variable
Fenstergröße). TCP-Verbindungen sind vollduplex. Wie bei allen verbindungsorientierten Diensten
muß zunächst eine virtuelle Verbindung aufgebaut und bei Beendigung der Kommunikation wieder
abgebaut werden. "Verbindungsaufbau" bedeutet hier eine Vereinbarung beider Stationen über die
Modalitäten der Übertragung (z. B. Fenstergröße, Akzeptieren eines bestimmten Dienstes, usw.).
Ausgangs- und Endpunkte einer virtuellen Verbindung werden wie bei UDP durch Ports identifiziert.
Allgemein verfügbare Dienste werden über 'well known' Ports (--> feste zugeordnete Portnummer)
erreichbar. Andere Portnummern werden beim Verbindungsaufbau vereinbart.
Damit die ständige Bestätigung jedes Datensegments den Transport nicht über Gebühr hemmt,
werden zwei Tricks verwendet. Zum einen kann die Empfangsbetätigung einem Segment in
Gegenrichtung mitgegeben werden - das spart ein separates Quittungssegment. Zweitens muß nicht
jedes Byte sofort bestätigt werden, sondern es gibt ein sogenanntes 'Fenster'. Die Fenstergröße gibt
an, wie viele Bytes gesendet werden dürfen, bis die Übertragung quittiert werden muß. Erfolgt keine
Quittung, werden die Daten nochmals gesendet. Die empfangene Quittung enthält die Nummer des
Bytes, das als nächstes vom Empfänger erwartet wird - womit auch alle vorhergehenden Bytes
quittiert sind. Die Fenstergröße kann dynamisch mit der Quittung des Empfängers geändert werden.
Werden die Ressourcen knapp, wird die Fenstergröße verringert. Beim Extremfall Null wird die
Übertragung unterbrochen, bis der Empfänger erneut quittiert. Neben einem verläßlichen
Datentransport ist so auch die Flußkontrolle gewährleistet.
Das Prinzip des Fenstermechanismus ist eigentlich ganz einfach. Wenn man das Bild betrachtet,
ergibt sich folgende Sachverhalt:
•
Die Fenster größe im Beispiel beträgt drei Bytes.
•
Byte 1 wurde von der Datenquelle gesendet und vom Empfänger quittiert.
•
Die Quelle hat die Bytes 2, 3 und 4 gesendet, sie wurden aber vom Empfänger noch nicht
quittiert (Quittung eventuell noch unterwegs).
•
Byte 5 wurde von der Quelle noch nicht gesendet. Er geht erst dann auf die Reise, wenn die
Quittung für Byte 2 (oder höher) eingetroffen ist.
Das TCP-Paket wird oft auch als 'Segment' bezeichnet. Jedem TCP-Block ist ein Header vorangestellt,
der aber wesentlich umfangreicher als die bisherigen ist:
180
Source Port
Identifiziert den sendenden Prozeß.
Destination Port
Identifiziert den Prozeß des Zielknotens.
Sequence Number
TCP betrachtet die zu übertragenden Daten als numerierten Bytestrom, wobei die Nummer des
ersten Bytes beim Verbindungsaufbau festgelegt wird. Dieser Bytestrom wird bei der Übertragung in
Blöcke (TCP-Segmente) aufgeteilt. Die 'Sequence Number' ist die Nummer des ersten Datenbytes im
jeweiligen Segment (--> richtige Reihenfolge über verschiedene Verbindungen eintreffender
Segmente wiederherstellbar).
Acknowledgement Number
Hiermit werden Daten von der Empfängerstation bestätigt, wobei gleichzeitig Daten in
Gegenrichtung gesendet werden. Die Bestätigung wird also den Daten "aufgesattelt" (Piggyback). Die
Nummer bezieht sich auf eine Sequence-Nummer der empfangenen Daten; alle Daten bis zu dieser
Nummer (ausschließlich) sind damit bestätigt --> Nummer des nächsten erwarteten Bytes. Die
Gültigkeit der Nummer wird durch das ACK-Feld (--> Code) bestätigt.
Data Offset
Da der Segment-Header ähnlich dem IP-Header Optionen enthalten kann, wird hier die Länge des
Headers in 32-Bit-Worten angegeben.
Res.
Reserviert für spätere Nutzung
Code
181
Angabe der Funktion des Segments:
•
URG Urgent-Pointer (siehe unten)
•
ACK Quittungs-Segment (Acknowledgement-Nummer gültig)
•
PSH Auf Senderseite sofortiges Senden der Daten (bevor Sendepuffer gefüllt ist) und auf
Empfangsseite sofortige Weitergabe an die Applikation (bevor Empfangspuffer gefüllt ist) z.
B. für interaktive Programme.
•
RST Reset, Verbindung abbauen
•
SYN Das 'Sequence Number'-Feld enthält die initiale Byte-Nummer (ISN) --> Numerierung
beginnt mit ISN + 1. In der Bestätigung übergibt die Zielstation ihre ISN (Verbindungsaufbau).
•
FIN Verbindung abbauen (Sender hat alle Daten gesendet), sobald der Empfänger alles
korrekt empfangen hat und selbst keine Daten mehr loswerden will.
Window
Spezifiziert die Fenstergröße, die der Empfänger bereit ist anzunehmen - kann dynamisch geändert
werden.
Checksum
16-Bit Längsparität über Header und Daten.
Urgent Pointer
Markierung eines Teils des Datenteils als dringend. Dieser wird unabhängig von der Reihenfolge im
Datenstrom sofort an das Anwenderprogramm weitergegeben (URG-Code muß gesetzt sein). Der
Wert des Urgent-Pointers markiert das letzte abzuliefernde Byte; es hat die Nummer <Sequence
Number> + <Urgent Pointer>.
Options
Dieses Feld dient dem Informationsaustausch zwischen beiden Stationen auf der TCP-Ebene, z. B. die
Segmentgröße (die Ihrerseits von der Größe des IP-Datagramms abhängen sollte, um den Durchsatz
im Netz optimal zu gestalten).
Ablauf einer TCP-Session
Im Gegensatz zu IP ist TCP verbindungsorientiert. Das muß so sein, denn TCP-Verbindungen sollen ja
für den Benutzer prinzipiell wie Dateien zu handhaben sein. Das bedeutet, eine TCP-Verbindung wird
wie eine Datei geöffnet und geschlossen, und man kann ihre Position innerhalb des Datenstroms
bestimmen, genau wie man bei einer Datei die Position der Lese- oder Schreibposition angeben
kann. TCP sendet die Daten auch in größeren Einheiten, um den Verwaltungsaufwand durch Headerund Kontrollinformationen klein zu halten. Im Gegensatz zu den IP-Paketen bezeichnet man die
Einheiten der Transportschicht als "Segmente". Jedes gesendete TCP-Segment hat eine eindeutige
Folgenummer, welche die Position seines ersten Bytes im Byte-Strom der Verbindung angibt. Anhand
dieser Nummer kann die Reihenfolge der Segmente korrigiert und doppelt angekommene Segmente
können aussortiert werden. Da die Länge des Segments aus dem IP-Header bekannt ist, können auch
182
Lücken im Datenstrom entdeckt werden, und der Empfänger kann verlorengegangene Segmente neu
anfordern.
Beim Öffnen einer TCP-Verbindung tauschen beide Kommunikationspartner Kontrollinformationen
aus, die sicherstellen, daß der jeweilige Partner existiert und Daten annehmen kann. Dazu schickt die
Station A ein Segment mit der Aufforderung, die Folgenummern zu synchronisieren.
Das einleitende Paket mit gesetztem SYN-Bit ("Synchronise-" oder "Open"-Request) gibt die Anfangs"Sequence Number" des Client bekannt. Diese Anfangs-"Sequence Number“ wird zufällig bestimmt.
Bei allen nachfolgenden Paketen ist das ACK-Bit ("Acknowledge", "Quittung") gesetzt. Der Server
antwortet mit ACK, SYN und der Client bestätigt mit ACK. Das sieht dann so aus:
Die Station B weiß jetzt, daß der Sender eine Verbindung öffnen möchte und an welcher Position im
Datenstrom der Sender anfangen wird zu zählen. Sie bestätigt den Empfang der Nachricht und legt
ihrerseits eine Folgenummer für Übertragungen in Gegenrichtung fest.
Station A bestätigt nun den Empfang der Folgenummer von B und beginnt dann mit der Übertragung
von Daten.
Diese Art des Austausches von Kontrollinformationen, bei der jede Seite die Aktionen der Gegenseite
bestätigen muß, ehe sie wirksam werden können, heißt "Dreiwege-Handshake". Auch beim Abbau
einer Verbindung wird auf diese Weise sichergestellt, daß beide Seiten alle Daten korrekt und
vollständig empfangen haben. Im zeitlichen Zusammenhang stellt sich eine TCP/IP-Verbindung
folgendermaßen dar:
183
Das folgende Beispiel zeigt die Arbeitsweise des TCP/IP - Protokolls. Es wird eine Nachricht von einem
Rechner im grünen Netz zu einem Rechner im orangen Netz gesendet.
184
Die Nachricht wird in mehrere Pakete aufgeteilt
und auf der besten Route auf die Reise
geschickt. Das verbindungslose IP-Protokoll
sorgt zusammen mit den Routern für den Weg.
Da eine Strecke überlastet ist, werden die Pakete
3, 4 und 5 auf einer anderen Strecke weiter
transportiert. Dieser Transport erfolgt
zufälligerweise schneller als jener der Pakete 1 und
2.
185
Die Pakete wandern ihrem Bestimmungsnetz
entgegen. Das erste Paket ist bereits
angekommen. Paket 3 kommt vor Paket 2 am
Ziel an.
Die Pakete 1, 2 und 3 sind - in falscher Reihenfolge
- am Zielrechner angekommen. Auf der Strecke,
auf der Pakete 4 und 5 transportiert werden, tritt
eine Störung auf.
186
Paket 4 ist bei der Störung verloren gegangen.
Paket 5 wird auf einer anderen Route zum
Zielnetz geschickt (wären die Routen statisch
am Router eingetragen, ginge auch Paket 5
verloren).
Alle überlebenden Pakete sind am Zielrechner
angekommen. Das TCP-Protokoll setzt die Pakete
wieder in der richtigen Reihenfolge zusammen und
fordert das fehlende Paket 4 nochmals beim
Sender an. Für den Empfänger ergibt sich ein
kontinuierlicher Datenstrom.
TCP-Zustandsübergangsdiagramm
Den gesamte Lebenszyklus einer TCP-Verbindung beschreibt die folgende Grafik in einer relativ
groben Darstellung.
187
Erklärung der Zustände:
•
LISTEN: Warten auf ein Connection Request.
•
SYN-SENT: Warten auf ein passendes Connection Request, nachdem ein SYN gesendet
wurde.
•
SYN-RECEIVED: Warten auf Bestätigung des Connection Request Acknowledgement,
nachdem beide Teilnehmer ein Connection Request empfangen und gesendet haben.
•
ESTABLISHED: Offene Verbindung.
•
FIN-WAIT-1: Warten auf ein Connection Termination Request des Kommunikationspartners
oder auf eine Bestätigung des Connection Termination, das vorher gesendet wurde.
•
FIN-WAIT-2: Warten auf ein Connection Termination Request des Kommunikationspartners.
•
CLOSE-WAIT: Warten auf ein Connection Termination Request (CLOSE) der darüberliegenden
Schicht.
•
CLOSING: Warten auf ein Connection Termination Request des Kommunikationspartners.
LAST-ACK: Warten auf die Bestätigung des Connection Termination Request, das zuvor an
den Kommunikationspartner gesendet wurde.
188
Zeitüberwachung
In allen Protokollimplementierungen spielt die Zeit eine wichtige Rolle. So werden alle Abläufe
zeitlich überwacht. Dazu werden in der Protokollimplementierung sogenannte "Timer" gestartet,
deren Timeout zur Fehlerbehandlung führt.
Paketwiederholungs-Wecker oder Retransmission Timeout
In Weitverkehrsnetzen mit unterschiedlichsten Verbindungsarten, die noch dazu zeitlichen
Schwankungen unterworfen sind, ist die Wahl der Wartezeit auf Bestätigungen schwierig. Der
Retransmission Timeout (RTO) läuft ab, wenn der vorgegebene Zeitraum zwischen dem Aussenden
eines TCP-Pakets bis zum Eintreffen der dazugehörigen Quittung überschritten wird. In diesem Fall
muß das Paket noch einmal gesendet werden. Allerdings darf der Zeitraum nicht fest definiert sein,
da man sonst TCP nicht über Netzwerke mit unterschiedlichen Laufzeiten betreiben könnte - wenn
man z.B. Ethernet und eine serielle Verbindung über mehrere Gateways miteinander vergleicht,
ergibt sich ein tausendfacher Unterschied in der Übertragungsrate. Daher wird in TCP bei jedem
Paket die Zeit gemessen, die zwischen Senden und Empfangen einer Quittung vergeht, die
sogenannte Round Trip Time (RTT). Die so gemessene Zeit wird über eine Formel umgerechnet, die
Spitzen nach oben und unten herausfiltert, sich aber auch allmählich an eine verlängerte oder
verkürzte Laufzeit anpaßt. Das Ergebnis ist die Smoothed Round Trip Time (SRTT), d.h. die mittlere
Zeit, die für einen Paketaustausch verstreicht. Diese Zeit wird nochmals skaliert, um weiteren
Spielraum für unvorhergesehene Verzögerungen zu schaffen.
SRTT:
S = aS + (1 - a)R
RTO:
T = min[U, max[L,ßS]]
(L < T < U)
S Smoothed Round Trip Time
R Round Trip Time
T Retransmission Timeout (z.B. 30 Sekunden)
U Zeitobergrenze (z.B. 1 Sekunde)
L Zeituntergrenze (z.B. 1 Minute)
a Smoothing Factor (z.B. 0.9)
ß Scaling Factor (z.B. 2.0)
Die beiden Formeln werden durch den RFC 793 spezifiziert: zunächst den SRTT-Filter, danach die
Ermittlung des RTO. Falls nach der Wiederholung des Pakets der Wiederholungstimer ein weiteres
Mal abläuft, wird der RTO in der Regel bis zu zwölfmal exponentiell erhöht. Erst wenn auch diese
Erhöhung keinen Effekt zeigt, gilt die Verbindung als unterbrochen.
Persistance Timer
Beim Austausch von Daten über TCP ist es im Prinzip möglich, daß das Empfangsfenster gerade auf 0
steht - und genau in diesem Moment ein Paket verlorengeht, das das Fenster wieder öffnen sollte.
Als Ergebnis warten dann beide TCPs bis in alle Ewigkeit aufeinander. Ein Gegenmittel dazu ist der
Persistenz-Timer, der in bestimmten Zeitabschnitten kleine TCP-Pakete (1 Byte) abschickt und damit
überprüft, ob die Empfängerseite wieder bereit ist. Ist das Empfangsfenster nach wie vor 0, kommt
189
eine negative Quittung zurück; ist es größer, können nach der positiven Quittung weitere Daten
gesendet werden.
Stillhaltezeit oder Quiet Time
Jede Möglichkeit der Verwechslung von Verbindungen durch im Netz herumirrende überholte TCPPakete sollte verhindert werden. Daher werden nach dem Abbau von TCP-Verbindungen
Portnummern erst wieder freigegeben, wenn eine bestimmte Zeitspanne, die zweimal die
"Maximum Segment Lifetime" (MSL) beträgt, vergangen ist. Die MSL entspricht der Zeit, in UNIX die
im TTL-Feld von IP eingetragen wird. Der UNIX-Anwender bemerkt diese Wartezeit, wenn er eine
Verbindung zwischen gleichen Partnern (d.h. gleichen Portnummern) sofort nach dem Abbruch
wieder eröffnen will. Das System teilt ihm dann mit, daß die verwendete Portnummer noch belegt
ist. Erst nach Ablauf von ca. 30 Sekunden ist ein erneuter Verbindungsaufbau möglich.
Keep Alive Timer und Idle Timer
Dabei handelt es sich um zwei nicht in der TCP-Spezifikation vorgesehene Wecker, die aber in UNIXSystemen implementiert sind. Beide stehen miteinander in Verbindung. Der Keep Alive Timer
bewirkt, daß in regelmäßigen Zeitabständen ein leeres Paket abgeschickt wird, um das Bestehen der
Verbindung zum Partner zu überprüfen. Antwortet der Partnerrechner nicht, wird die Verbindung
nach Ablauf des Idle Timers abgebrochen. Eine Applikation aktiviert diese Timer mit der KEEP_ALIVEOption über die Socket-Schnittstelle. In der folgenden Tabelle sind die Werte für die oben genannten
Timer angegeben. Dazu ist zu bemerken, daß die Dauer der Timer implementationsabhängig ist und
nicht immer auf die unten angegebenen Werte eingestellt sein muß.
Einstellungen der TCP-Timer (implementationsabhängig)
Timer
Dauer [s]
Retransmission Timeout
dynamisch
Persistance Timer
5
Quiet Timer
30
Keep Alive Timer
45
Idle Timer
360
Algorithmen zur Steigerung der Effizienz
Zwischen einer TCP-Implementierung nach Spezifikation und einem optimierten TCP-Subsystem, wie
man es in UNIX-Systemen vorfindet, liegt ein weiter Weg. Zahllose Verbesserungen sind in den
Jahren in die UNIX-TCP-Implementierungen eingeflossen und neue Algorithmen in
Nachfolgeversionen integriert worden:
Acknowledgement Delay
190
Normalerweise sendet der Empfänger nach Erhalt eines Pakets ein Antwortpaket, in dem die Größe
des Empfangsfensters verkleinert und die Daten quittiert werden. Nach Übergabe der Daten an den
empfangenden Prozeß werden die Datenpuffer im System frei, was ein Absenden eines Pakets mit
einer Vergrößerung des Empfangsfensters zur Folge hat. Hat das Programm die Daten verarbeitet,
folgt in der Regel kurz danach eine Antwort, es sind also für eine Transaktion in der Regel drei Pakete
notwendig. Man hat aber festgestellt, daß in manchen Fällen, z.B. beim Telnet- oder SSH-Betrieb, ein
Verzögern des Quittungspakets um 0,2 Sekunden Vorteile bringt: nach dieser kurzen Wartezeit
können alle drei Informationen - Empfangsfenster, Quittung und Antwort - in einem einzigen Paket
versendet werden. Damit Datentransfers, die hohen Durchsatz benötigen, nicht gebremst werden,
unterbleibt die Verzögerung, wenn das Empfangsfenster um mindestens 35% oder zwei maximale
Pakete verändert wurde.
Silly Window Syndrome Avoidance
In bestimmten Situationen werden Empfangsfensterangaben versendet, die derart klein sind, daß
das Netzwerk und Rechner von den vielen Quittungspaketen über Gebühr belastet werden. Um das
zu verhindern, wird das Empfangsfenster nur dann wieder vergrößert, wenn ausreichend Platz (mehr
als 1/4 des Datenpuffers oder ein maximales Paket) zur Verfügung steht. Desgleichen verhält sich
auch der Sender konservativ und sendet nur, wenn das angebotene Fenster ausreichend groß ist.
Nagle Algorithm oder Small Packet Avoidance
Benannt nach seinem Erfinder John Nagle, versucht dieser Algorithmus ebenfalls, das Versenden
von kleinen TCP-Paketen zu verhindern. do, In diesem Fall geht es aber darum, auf der Senderseite zu
verhin- es dern, daß in kleinen Einheiten von der Applikation an TCP über- Ari gebene Daten auch in
dieser Form weiterversendet werden. Ein Co erstes Paket wird sofort ausgesendet, weitere Daten auf
der ge,~ Senderseite aber so lange gepuffert, bis ein volles maximales Seg- un ment geschickt werden
kann oder eine Quittung für das erste gn Paket eingetroffen ist. Probleme ergeben sich mit diesem
bis Algorithmus aber bei Anwendungen, die viele kleine Nachrich- un ten abschicken, ohne eine
Antwort zurückzuerhalten, z.B. dem X In Window System. In diesem Fall kann der Nagle-Algorithmus
En verbindungsspezifisch abgeschaltet werden. pal
Slow Start with Congestion Avoidance
Diese miteinander verbundenen Algorithmen, manchmal auch als Jacobson-Algorithmen bezeichnet,
sind erst in jüngster Zeit bekannt geworden und in erster Linie für langsame Netzwerke und den
Betrieb von Netzen mit Gateways von Bedeutung. Man hatte in den letzten Jahren beobachtet, daß
das Internet mit steigender Belastung immer weniger Datendurchsatz lieferte und zum Teil sogar
nahezu zusammenbrach. Als man die Vorgänge näher betrachtete, wurde festgestellt, daß mehr als
die Hälfte der Daten Wiederholungen verlorengegangener TCP-Pakete waren. Was war geschehen?
Ein Netzwerkpfad - Datenpuffer vom Sender über mögliche Gateways bis hin zum Empfänger - kann
nur eine endliche Datenmenge aufnehmen. Wenn ein Gateway oder ein Host sehr durch Verkehr
belastet sind, kann es vorkommen, daß nicht genügend Pufferplatz zur Aufnahme von Paketen
vorhanden ist. In diesem Fall werden die Pakete vom Gateway verworfen, woraufhin der Absender
des Pakets nach Ablauf des Retransmission Timeouts eine Wiederholung vornimmt und dadurch
insgesamt die Belastung des Netzes weiter unnötig steigert. Der Slow Start-Algorithmus versucht nun
zu ermitteln, wie viele Daten zu einem Zeitpunkt in Richtung Empfänger unterwegs sein können,
ohne daß es dabei zu Verlusten kommt. Erreicht wird das über eine allmähliche Steigerung der
191
ausgesendeten Datenmenge bis zu einem Punkt, an dem sich ein gleichmässiger Datenfluß ohne
Wiederholungen ergibt. Wo früher die Menge der auszusendenden Daten durch die Größe bestimmt
wurde, ist jetzt die Aufnahmekapazität des Netzwerkpfads, das sogenannte "Congestion Window",
die bestimmende Größe, wobei das Congestion Window immer kleiner oder gleich dem
Empfangsfenster (Receive Window) ist. Hat sich das Congestion Window eingependelt, wird es erst
wieder verändert, wenn auftretende Wiederholungen ein Ansteigen der Netzwerklast signalisieren:
in diesem Fall tritt die "Congestion Avoidance" in Kraft. Gleichzeitig wird durch ständiges vorsichtiges
Vergrößern des Congestion Windows versucht, unter Umständen freiwerdende Ressourcen zu
benutzen. Aufgrund des konservativen Verhaltens läßt sich der Durchsatz um bis zu 30% steigern und
die Anzahl der wiederholten Pakete um über 50% senken. In Verbindung mit diesen beiden
Algorithmen wurde auch die Ermittlung des Retransmission Timeouts verbessert. Dieser Wert paßt
sich jetzt schneller an Veränderungen in der RTT an und verhindert zusätzliche Paketwiederholungen.
Ports für jeden Dienst
Server-Prozesse lauschen bei UDP und TCP auf bestimmten Portnummern. Per Übereinkunft werden
dazu Ports niedriger Nummern verwendet. Für die Standarddienste sind diese Portnummern in den
RFCs festgeschrieben. Ein Port im "listen"-Modus ist gewissermaßen eine halboffene Verbindung.
Nur Quell-IP und Quellport sind bekannt. Der Serverprozeß kann vom Betriebssystem dupliziert
werden, so daß weitere Anfragen auf diesem Port behandelt werden können.
•
Die Portnummern werden auf dem Host-System konfiguriert und haben zwei Funktionen:
o
Allgemein verfügbare Dienste werden über 'well known' Ports (--> feste, per RFC
zugeordnete Portnummer) erreichbar. Sie stehen also für ein Protokoll, das über die
Nummer direkt angesprochen wird
o
oder sie werden beim Verbindungsaufbau vereinbart und einem Server-Programm
zugewiesen
•
Die Portangabe ist nötig, wenn mehrere Serverprogramme auf dem adressierten Rechner
laufen.
•
Die Portnummer steht im TCP-Header und ist 16 Bit groß. Theoretisch können also bis zu
65535 TCP-Verbindungen auf einem Rechner mit einer einzigen IP-Adresse aufgebaut
werden.
•
Portnummern werden oft auch bei der Konfiguration von Internet-Clients als Parameter
gefordert.
•
Die Client-Prozesse verwenden normalerweise freie Portnummern, die vom lokalen
Betriebssystem zugewiesen werden (Portnummer > 1024).
192
Die "well known" Portnummern (0 bis 1023), die weltweit eindeutig adressiert werden müssen,
werden durch die IANA (Internet Assigned Numbers Authority) vergeben. Einige Beispiele für TCPPorts (UDP verwendet eine andere Zuordnung):
Portnummer
Protokoll
20
FTP (Daten)
21
FTP (Befehle)
22
Secure Shell
23
Telnet
25
SMTP
53
DNS-Server
70
Gopher
79
Finger
80
HTTP (Proxy-Server)
110
POP3
119
NNTP
143
IMAP
193
194
IRC
210
WAIS
256 - 1023
UNIX-spezifische Services
540
UUCP
1024 - 49151
Registered Ports
49152 - 65535 Dynamic / Private Ports
Eine vollständige Portliste erhält man bei http://www.isi.edu/in-notes/iana/assignments/portnumbers.
IP-Adresse und Portnummer definieren einen Kommunikationsendpunkt, der in der TCP/IP-Welt
"Socket" genannt wird. Die Grenze zwischen der Anwendungsschicht und der Transportschicht ist in
den meisten Implementierungen zugleich die Grenze zwischen dem Betriebssystem und den
Anwendungsprogrammen. Im OSI-Modell ist diese Grenze in etwa die Grenze zwischen den
Schichten 4 und 5. Daher ordnet man IP meist ungefähr in die Ebene 3 und TCP ungefähr in Ebene 4
des OSI-Modells ein. Da TCP/IP jedoch älter und einfacher als das OSI-Modell ist, kann diese
Einordnung nicht genau passen.
Port-Scans
Beim Scanning wird versucht, offene Ports eines Rechners zu ermitteln. Das ist meist auch der erste
Schritt eines Angreifers, der in einem Rechner eindringen will. Deshalb dient ein Portscan auch dazu,
die Sicherheit des eigenen Systems zu überprüfen. Bei den Scanning-Methoden wurden Verfahren
entwickelt, bei denen versucht wird, den Scanvorgang auf dem gescannten Rechern unentdeckt zu
lassen.
•
TCP-Connect-Scan
Bei dieser Methode wird versucht, eine Verbindung zu einem Port auf dem Zielrechner
aufzubauen. Der Scanner läßt einen vollständigen Dreiwege-Handshake zu, bevor er die
Verbindung wieder unterbricht. Diese Art der Scans ist allerdings sehr leicht zu entdecken
und kann auch leicht mit Hilfe von Firewalls abgeblockt werden.
•
TCP-SYN-Scan
Diese Methode wird oft als "Half-Open-Scan" bezeichnet. Der Scanner sendet ein SYN-Packet
an den Zielrechner, wie bei einem ganz normalen Verbindungsaufbau. Wenn der Zielrechner
mit einem RST antwortet, weiß der Scanner, daß dieser Port geschlossen ist. Antwortet der
Zielrechner jedoch mit einem SYN/ACK, handelt es sich um einem offenen Port. In diesem
Falle wird die Verbindung vom Scanner sofort mit einem RST beendet. Diese Art des
Scannens ist nicht ganz so leicht auf dem Zielrechner zu entdecken wie der Connect Scan.
194
•
Stealth FIN-Scan
Stealth Scans sollen vom Zielrechner nicht entdeckt werden. Allerdings gibt es Programme,
die genau solche Scans entdecken. Beim "Stealth FIN Scan" wird nur ein Packet mit einem
FIN-Flag, ohne begleitendes ACK-Flag gesendet. Diese Art von Paket ist unzulässig. Wenn der
Port offen ist, wird das Paket des Scanners vom Zielrechner ignoriert. Wenn der Port
geschlossen ist, antwortet der Zielrechner mit einem RST-Paket.
•
Stealth Xmastree-Scan
Bei diesem Scan sind die FIN-, URG-, und PUSH-Flags alle gemeinsam gesetzt. Auch dieses
Paket ist unzulässig. Wenn der Port offen ist, wird das Paket des Scanners vom Zielrechner
ignoriert. Wenn der Port geschlossen ist, antwortet der Zielrechner mit einem RST-Paket.
•
Stealth Null-Scan
Bei diesem Scan sind alle Flags auf Null gesetzt. Alles Weitere wie oben.
•
ACK-Scan
Dieser Scan wird verwendet, um Firewalls zu testen ob sie mit "stateful inspection" arbeiten
(z.B. Firewall 1) oder ob es sich nur um einfache Packetfilter handelt, die eingehende SYN
Packete verwerfen. Der ACK-Scan sendet ein Packet mit gesetztem ACK-Flag und zufälliger
Sequenznummer an die Ports. Wenn das Paket von der Firewall durchgelassen wird, sendet
der Server ein RST, da das Paket nicht zuzuordnen ist. In diesem Fall wird der Port als
"ungefiltert" klassifiziert. Wenn die Firewall den Status einer Verbindung überwacht, wird
das Paket ohne eine Antwort vom Zielrechner abgewiesen oder es wird dem Scanner mit
einer ICMP Destination unreachable Nachricht geantwortet.
11.7 PPP - Point to Point Protocol
Das Point to Point Protocol (PPP) findet gegenwärtig vielfachen Einsatz. Es arbeitet mit drei
Teilprotokollen:
•
Das Data Link Layer Protocol ermöglicht die Übertragung (Encapsulation) von Datagrammen
über serielle Verbindungen mit Hilfe von HDLC.
•
Das Link Control Protocol (LCP) steuert Aufbau, Konfiguration und Test der Verbindung.
•
Das Network Control Protocol (NCP) ermöglicht die Übertragung von Konfigurationsdaten für
verschiedene Protokolle der Vermittlungsschicht.
PPP ist geeignet für den simultanen Einsatz verschiedener Protokolle der Vermittlungsschicht, es ist
also ein so genanntes "Multi-Protokoll-Protokoll". Es ist ein zustandsorientiertes Protokoll:
195
PPP ist ein verbindungsorientiertes Protokoll und unterscheidet drei Phasen Verbindungsaufbau,
Datenübertragung und Verbindungsabbau. Die Realisierung dieser Phasen unter Berücksichtigung
der Teilprotokolle von PPP zeigt das Bild unten.
1. Der anrufende PPP-Knoten sendet LCP-Rahmen zum Aufbau und zur Konfiguration der
Verbindung (Data Link). Die LCP-Pakete verfügen über ein Feld mit Konfigurations-Optionen.
Zu diesen Optionen zählen beispielsweise die Maximum Transmission Unit (MTU). Hierbei
handelt es sich um die Angabe, ob bestimmte PPP-Felder komprimiert werden, oder das Link
Authentication Protocol (LAP).
2. In einer optionalen Phase wird überprüft, ob die Qualität der Verbindung für den Aufbau
einer Übertragung der Pakete der Vermittlungsschicht ausreicht.
3. Es folgt eine Authentifizierungsphase.
4. Der anrufende PPP-Knoten sendet NCP-Rahmen zur Auswahl und Konfiguration des zu
übertragenden Protokolls der Vermittlungsschicht.
5. Nun können die Daten übertragen werden.
6. Die Verbindung bleibt bis zur Beendigung durch LCP- oder NCP-Rahmen bestehen oder bis
ein externes Ereignis auftritt. Zu diesen kann eine Unterbrechung durch den Anwender, der
Abbruch der Übertragung oder der Ablauf eines "Inactivity Timers" zählen.
PPP unterstützt verschiedene Protokolle zur Authentifizierung. Dabei realisieren alle Protokolle nur
eine einseitige Authentifizierung. Dies bedeutet, dass sich der anrufende Knoten bzw. dessen
Anwender authentifizieren und der angerufene Knoten diese Authentifizierung überprüfen muss. Der
angerufene Knoten authentifiziert sich durch seine Verfügbarkeit unter dieser physischen
Verbindung. Die wichtigsten Authentifizierungsprotokolle sind:
•
das Password Authentication Protocol (PAP),
•
das Shiva Password Authentication Protocol(SPAP),
•
das Challenge Handshake Authentication Protocol (CHAP) sowie
•
eine Variante des CHAP, das Microsoft-CHAP (MS-CHAP), das in zwei Versionen vorliegt.
Die Authentifzierungsprotokolle mit der größten Verbreitung sind PPP und CHAP. Auch MS-CHAPv2
ist recht häufig anzutreffen. Die meisten ISPs fragen beim einwählenden Host zunächst CHAP an.
196
PAP unterstützt ein so genanntes Zwei-Wege-Handshake. Die Kombination "Username/Password"
wird vom anrufenden Knoten so lange übertragen, bis die Authentifizierung bestätigt oder abgelehnt
wird. Im Falle der Ablehnung wird die Verbindung abgebrochen. Dieses Vorgehen bietet allerdings
nur eine geringe Sicherheit: Das Passwort wird unverschlüsselt übertragen. Es ist eine beliebige
Anzahl von Wiederholungen möglich. Und schließlich werden Häufigkeit und Geschwindigkeit der
Versuche vom anrufenden Knoten bestimmt, so dass ein Brute-Force-Angriff möglich wird.
CHAP bietet ein erhöhtes Sicherheitsniveau im Rahmen eines so genannten Drei-Wege-Handshakes.
Der anrufende Knoten darf erst die Authentifizierung beginnen, wenn er vom angerufenen Knoten
dazu aufgefordert wurde. Auf diese Weise werden Häufigkeit und Geschwindigkeit der Versuche vom
angerufenen Knoten bestimmt. Zusätzlich wird die Kombination "Username/Password" nur im
Rahmen einer Ein-Wege-Hash-Funktion (Message Digest 5, MD5) übertragen. Die Überprüfung kann
also nicht nur beim Verbindungsaufbau, sondern auch periodisch während der Verbindung
stattfinden.
11.8 IP Next Generation
Das rasche (exponentielle Wachstum) des Internet zwingt dazu, das Internet Protokoll in der Version 4
(IPv4) durch ein Nachfolgeprotokoll (IPv6 Internet Protocol Version 6) zu ersetzen.
Vinton Cerf (der 'Vater' des Internet) bezeichnet in einem Interview mit der Zeitschrift c't das Internet
"(...) als die wichtigste Infrastruktur für alle Arten von Kommunikation.". Auf die Frage, wie man sich
die neuen Kommunikationsdienste des Internet vorstellen könne, antwortete Cerf:
"Am spannendsten finde ich es, die ganzen Haushaltsgeräte ans Netz anzuschließen. Ich denke dabei
nicht nur daran, daß der Kühlschrank sich in Zukunft mit der Heizung austauscht, ob es in der Küche
zu warm ist. Stromgesellschaften könnten beispielsweise Geräte wie Geschirrspülmaschinen
kontrollieren und ihnen Strom genau dann zur Verfügung stellen, wenn gerade keine Spitzennachfrage
herrscht. Derartige Anwendungen hängen allerdings davon ab, daß sie zu einem erschwinglichen
Preis angeboten werden. Das ist nicht unbedingt ferne Zukunftsmusik; die Programmierer müßten
eigentlich nur damit anfangen, endlich Software für intelligente Netzwerkanwendungen zu schreiben.
Und natürlich muß die Sicherheit derartiger Systeme garantiert sein. Schließlich möchte ich nicht, daß
die Nachbarkinder mein Haus programmieren!"
Auf die Internet Protokolle kommen in der nächsten Zeit also völlig neue Anforderungen zu.
Classless Inte rDomain Routing - CIDR
Der Verknappung der Internet-Adressen durch die ständig steigende Benutzerzahl wird zunächst
versucht, mit dem Classless Inter-Domain Routing (CIDR) entgegen zu wirken. Durch die Vergabe
von Internet-Adressen in Klassen (A,B,C,...) wird eine große Anzahl von Adressen verschwendet.
Hierbei stellt sich vor allem die Klasse B als Problem dar. Viele Firmen nehmen ein Netz der Klasse B
für sich in Anspruch, da ein Klasse A Netz mit bis zu 16 Mio. Hosts selbst für eine sehr große Firma
überdimensioniert scheint, ein Netz der Klasse C mit 254 Hosts aber zu klein.
Ein größerer Host-Bereich für Netze der Klasse C (z. B. 10 Bit, 1022 Hosts pro Netz) hätte das
Problem der knapper werdenden IP-Adressen vermutlich gemildert. Ein anderes Problem wäre
dadurch allerdings entstanden: die Einträge der Routing-T abellen hätten sich um ein Vielfaches
vermehrt.
Ein anderes Konzept ist das Classless Inter-Domain Routing (RFC 1519): die verbleibenden Netze der
Klasse C werden in Blöcken variabler Größe zugewiesen. Werden beispielsweise 2000 Adressen
197
benötigt, so können einfach acht aufeinanderfolgende Netze der Klasse C vergeben werden. Zusätzlich
werden die verbliebenen Klasse-C-Adressen restriktiver und strukturierter vergeben (RFC 1519). Die
Welt ist dabei in vier Zonen aufgeteilt, von denen jede einen Teil des verbliebenen Klasse C
Adreßraums erhält:
194.0.0.0 - 195.255.255.255 Europa
198.0.0.0 - 199.255.255.255 Nordamerika
200.0.0.0 - 201.255.255.255 Mittel- und Südamerika
202.0.0.0 - 203.255.255.255 Asien und pazifischer Raum
204.0.0.0 - 223.255.255.255 Reserviert für zukünftige Nutzung
Jede der Zonen erhält dadurch in etwa 32 Millionen Adressen zugewiesen. Vorteil bei diesem
Vorgehen ist, daß die Adressen einer Region im Prinzip zu einem Eintrag in den Routing-T abellen
komprimiert worden sind und jeder Router, der eine Adresse außerhalb seiner Region zugesandt
bekommt diese getrost ignorieren darf.
Inte rnet Protokoll Ve rsion 6 - IPv6 (IP Ne xt Generation, IPnG)
Der vorrangige Grund für eine Änderung des IP-Protokolls ist auf den begrenzten Adreßraum und das
Anwachsen der Routing-T abellen zurückzuführen. CIDR schafft hier zwar wieder etwas Luft, dennoch
ist klar absehbar, daß auch diese Maßnahme nicht ausreicht, um die Verknappung der Adressen für
eine längere Zeit in den Griff zu bekommen. Weitere Gründe für eine Änderung des IP-Protokolls sind
die neuen Anforderungen an das Internet, denen IPv4 nicht gewachsen ist. Streaming-Verfahren wie
Real-Audio oder Video-on-Demand erfordern das Festlegen eines Mindestdurchsatzes, der nicht
unterschritten werden darf. Bei IPv4 kann so ein "Quality of Service" jedoch nicht definiert - und
damit auch nicht sichergestellt - werden. Die IETF (Internet Engineering Task Force) begann deshalb
1990 mit der Arbeit an einer neuen Version von IP. Die wesentlichen Ziele des Projekts sind:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Unterstützung von Milliarden von Hosts, auch bei ineffizienter Nutzung des Adreßraums
Reduzierung de s Umfangs der Routing-T abellen
Vereinfachung des Protokolls, damit die Router Pakete schneller abwickeln können
Höhere Sicherheit (Authentifikation und Datenschutz) als das heutige IP
Mehr Gewicht auf Dienstarten, insbesondere für Echtzeitanwendungen
Unterstützung von Multicasting durch die Möglichkeit, den Umfang zu definieren
Möglichkeit für Hosts, ohne Adreßänderung auf Reise zu gehen (Laptop)
Möglichkeit für das Protokoll, sich zukünftig weiterzuentwickeln
Unterstützung der alten und neuen Protokolle in Koexistenz für Jahre
Im Dezember 1993 forderte die IET F mit RFC 1550 die Internet-Gemeinde dazu auf, Vorschläge für
ein neues Internet Protokoll zu machen. Auf die Anfrage wurde eine Vielzahl von Vorschlägen
eingereicht. Diese reichten von nur geringfügigen Änderungen am bestehenden IPv4 bis zur
vollständigen Ablösung durch ein neues Protokoll. Aus diesen Vorschlägen wurde von der IET F das
Simple Internet Protocol Plus (SIPP) als Grundlage für die neue IP-Version ausgewählt.
Als die Entwickler mit den Arbeiten an der neuen Version des Internet Protokolls begannen, wurde ein
Name für das Projekt bzw. das neue Protokoll benötigt. Angeregt durch die Fernsehserie "Star T rek Next Generation", wurde als Arbeitsname IP - Next Generation (IPnG) gewählt. Schließlich bekam
das neue IP eine offizielle Versionsnummer zugewiesen: IP Version 6 oder kurz IPv6. Die
Protokollnummer 5 (IPv5) wurde bereits für ein experimentelles Protokoll verwendet.
Die Me rkmale von IPv6
198
Viele der Merkmale von IPv4 bleiben in IPv6 erhalten. Trotzdem ist IPv6 im allgemeinen nicht mit
IPv4 kompatibel, wohl aber zu den darüberliegenden Internet-Protokollen, insbesondere den
Protokollen der Transportschicht (T CP, UDP). Die wesentlichen Merkmale von IPv6 sind:
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•
Adre ßgröße: Statt bisher 32 Bit stehen nun 128 Bit für die Adressen bereit. Theoretisch
lassen sich damit 2 128 = 3.4*1038 Adressen vergeben.
He ade r-Format: Der IPv6-Header wurde vollständig geändert. Der Header enthält nur sieben
statt bisher 13 Felder. Diese Änderung ermöglicht die schneller Verarbeitung der Pakete im
Router. Im Gegensatz zu IPv4 gibt es bei IPv6 nicht mehr nur einen Header, sondern mehrere
Header. Ein Datengramm besteht aus einem Basis-Header, sowie einem oder mehreren
Zusatz-Headern, gefolgt von den Nutzdaten.
Erwe ite rte Unterstützung von O ptionen und Erweite rungen: Die Erweiterung der
Optionen ist notwendig geworden, da einige der bei IPv4 notwendige Felder nun optional
sind. Darüber hinaus unterscheidet sich auch die Art, wie die Optionen dargestellt werden. Für
Router wird es damit einfacher, Optionen, die nicht für sie bestimmt sind, zu überspringen.
Dienstarten: IPv6 legt mehr Gewicht auf die Unterstützung von Dienstarten. Damit kommt
IPv6 den Forderungen nach einer verbesserten Unterstützung der Übertragung von Video- und
Audiodaten entgegen, z. B. durch eine Option zur Echtzeitübertragung.
Siche rheit: IPv6 beinhaltet nun im Protokoll selbst Mechanismen zur sicheren
Datenübertragung. Wichtige neue Merkmale von IPv6 sind hier Authentifikation,
Datenintegrität und Datenverlässlichkeit.
Erwe ite rbarkeit: IPv6 ist ein erweiterbares Protokoll. Bei der Spezifikation des Protokolls
wur de nicht versucht, alle möglichen Einsatzfelder für das Protokoll in die Spezifikation zu
integrieren. Über Erweiterungs-Header kann das Protokoll erweitert werden.
Aufbau des IPv6-Basis-Heade rs
Im IPv6 wird im Vergleich zum IPv4 auf eine Checksumme verzichtet, um den Routern die
aufwendige Überprüfung - und damit Rechenzeit - zu ersparen. Ein Übertragungsfehler muss deshalb
in den höheren Schichten erkannt werden. Der Paketkopf ist durch die Verschlankung nur doppelt so
groß, wie ein IPv4-Header.
199
Ve rsion:
Mit dem Feld Version können Router überprüfen, um welche Version des Protokolls es sich handelt.
Für ein IPv6-Datengramm ist dieses Feld immer 6 und für ein IPv4-Datengramm dementsprechend
immer 4. Mit diesem Feld ist es möglich für eine lange Zeit die unterschiedlichen Protokollversionen
IPv4 und IPv6 nebeneinander zu verwenden. Über die Prüfung des Feldes Version können die Daten
an das jeweils richtige "Verarbeitungsprogramm" weitergeleitet werden.
Priority:
Durch das Feld Priority (oder Traffic Class) kann angegeben werden, ob ein Paket bevorzugt
behandelt werden muß. Dies ist für die Anpassung des Protokolls an die neuen Real T ime
Anwendungen nötig geworden. Damit können zum Beispiel Videodaten den E-Maildaten vorgezogen
werden. Bei einem Router unter Last besteht damit die Möglichkeit der Flusskontrolle. Pakete mit
kleinerer Priorität werden verworfen und müssen wiederholt werden.Mit den vier Bit lassen sich 16
Prioritäten angeben, wovon 1 bis 7 für "Non Real T ime"- und 8 bis 15 für "Real Time"-Anwendungen
reserviert sind. Die Zahl Null gibt an, dass die Priorität des Verkehrs nicht charakterisiert ist.
Flow Label
Mit Hilfe des Feldes Flow Label können Eigenschaften des Datenflusses zwischen Sender und
Empfänger definiert werden. Das Flow Label selbst ist nur eine Zufallszahl. Die Eigenschaften
müssen durch spezielle Protokolle oder durch den Hop-by-Hop-Header in den Routern eingestellt
werden. Eine Anwendung ist zum Beispiel, daß die Pakete eines Flusses immer den gleichen Weg im
Netz nehmen. Durch Speichern der Informationen für das jeweilige Flow-Label, muß der Router
bestimmte Berechnungen nur für das erste Paket ausführen, und kann danach für alle Folgepakete die
Resultate verwenden. Erst die Einführung des Flow Labels ermöglicht die Einführung von Quality-ofService-Parametern im IP-Verkehr.
Payload Length
200
Das Feld Payload Length (Nutzdatenlänge) gibt an, wie viele Bytes dem IPv6-Basis-Header folgen,
der IPv6-Basis-Header ist ausgeschlossen. Die Erweiterungs-Header werden bei der Berechnung der
Nutzdatenlänge mit einbezogen. Das entsprechende Feld wird in der Protokollversion 4 mit Total
Length bezeichnet. Allerdings bezieht IPv4 den 20 Byte großen Header auch in die Berechnung ein,
wodurch die Bezeichnung "total length" gerechtfertigt ist.
Next He ade r
Das Feld Next Header gibt an, welcher Erweiterungs-Header dem IPv6-Basis-Header folgt. Jeder
folgende Erweiterungs-Header beinhaltet ebenfalls ein Feld Next Header, das auf den nachfolgenden
Header verweist. Beim letzten IPv6-Header, gibt das Feld an, welches T ransportprotokoll (z.B. T CP
oder UDP) folgt.
Hop Limit
Im Feld Hop Limit wird festgelegt, wie lange ein Paket überleben darf. Der Wert des Feldes wird von
jedem Router vermindert. Ein Datengramm wird verworfen, wenn das Feld den Wert Null hat. IPv4
verwendete hierzu das Feld Time to Live. Die Bezeichnung bringt mehr Klarheit, da schon in IPv4 die
Anzahl Hops gezählt und nicht die Zeit gemessen wurde.
Source Address, Destination Address
Die beiden Felder für Quell- und Zieladresse dienen zur Identifizierung des Senders und Empfängers
eines IP-Datengramms. Bei IPv6 sind die Adressen vier mal so groß wie IPv4: 128 Bit statt 32 Bit.
Das Feld Length (Internet Header Length - IHL) von IPv4 ist nicht mehr vorhanden, da der IPv6Basis-Header eine feste Länge von 40 Byte hat. Das Feld Protocol wird durch das Feld Next Header
ersetzt. Alle Felder die bisher zur Fragmentierung eines IP-Datengramms benötigt wurden
(Identification, Flags, Fragment Offset), sind im IPv6-Basis-Header nicht mehr vorhanden, da die
Fragmentierung in IPv6 gegenüber IPv4 anders gehandhabt wird. Alle IPv6-kompatiblen Hosts und
Router müssen Pakete mit einer Größe von 1280 Byte unterstützen. Empfängt ein Router ein zu großes
Paket, so führt er keine Fragmentierung mehr durch, sondern sendet eine Nachricht an den Absender
des Pakets zurück, in der er den sendenden Host anweist, alle weiteren Pakete zu diesem Ziel
aufzuteilen. Es wird also vom Hosts erwartet, daß er von vornherein eine passende Paketgröße wählt.
Die Steuerung der Fragmentierung erfolgt bei IPv6 über den Fragment Header. Das Feld Checksum
ist nicht mehr vorhanden.
Erwe ite rungs-Heade r im IPv6
Bei IPv6 muß nicht mehr der ganze optionale Teil des Headers von allen Routern verarbeitet werden,
womit wiederum Rechenzeit eingespart werden kann. Diese optionalen Header werden miteinander
verkettet. Jeder optionale Header beinhaltet die Identifikation des folgenden Header. Es besteht auch
die Möglichkeit selber Optionen zu definieren.
Derzeit sind sechs Erweiterungs-Header definiert. Alle Erweiterungs-Header sind optional. Werden
mehrere Erweiterungs-Header verwendet, so ist es erforderlich, sie in einer festen Reihenfolge
anzugeben.
He ade r
Be schreibung
IPv6-Basis-Header
Zwingend erforderlicher IPv6-Basis-Header
Optionen für
T eilstrecken
Dies ist der einzige optionale Header, der von jedem
Router bearbeitet werden muß. Bis jetzt ist nur die "Jumbo
201
(Hop-by-Hop
Options Header)
Payload Option" definiert, in der die Länge eines Paketes
angegeben werden kann, das länger als 64 KByte ist.
Optionen für Ziele
(Destination
Options Header)
Zusätzliche Informationen für das Ziel
Routing
(Routing Header)
Definition einer vollständigen oder teilweisen Route. Er
wird für das Source-Routing in IPv6 verwendet.
Fragmentierung
(Fragment Header)
In IPv6 wird, wie oben beschrieben, die Fragmentierung
nur noch End to End gemacht. Die
Fragmentierinformationen werden in diesem optionalen
Header abgelegt.
Authentifikation
(Authentication
Header)
Er dient der digitalen Signatur von Paketen, um die Quelle
eindeutig feststellen zu können.
Verschlüsselte
Sicherheitsdaten
(Encapsulating
Security Payload
Header)
Informationen über den verschlüsselten Inhalt.
Optionen für Ziele
(Destination
Options Header)
Zusätzliche Informationen für das Ziel (für Optionen, die
nur vom endgültigen Ziel des Paketes verarbeitet werden
müssen).
Header der höheren
Schichten
(Upper Layer
Header)
Header der höheren Protokollschichten (T CP, UDP, ...)
IPv6-Adre ssen
Die IPv6-Adressen sind zwar von 32 Bit auf 128 Bit angewachsen, trotzdem sind die grundsätzlichen
Konzepte gleich geblieben. Die Adresse wird normalerweise Se dezimal (Hexadezimal, Basis 16)
notiert und hat die allgemeine Form
xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx
Sie ist damit recht länglich. Um die Schreibweise zu vereinfachen, wurden einige Regeln eingeführt:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Führende Nullen
Die führenden Nullen können mit Nullen oder Doppelpunkten zusammengefasst werden.
1234:0000:0000:0000:0000:0000:0000:1234
-->
1234:0:0:0:0:0:0:1234
-->
1234::1234
IPv4 kompatible Adressen haben die Form:
0:0:0:0:0:0:C206:AFFE
oder
::C206:AFFE
202
Um die Lesbarkeit zu erhöhen kann man auch eine gemischt Form verwenden:
::194.6.161.126
•
•
•
•
IPv4 gemappte IPv6 Adressen haben die Form:
::FFFF:C206:A17E
Die Loopback Adresse ist neu (anstelle 127.0.0.1):
::1
In IPv4 wurden die Adressen anfänglich in die bekannten Klassen eingeteilt. Ein weiteres Problem bei
den IPv4 Adressen ist, daß die Router keine Hierarchie in den Adressen erkennen können. Auch IPv6
ist in der allgemeinen Form unstrukturiert, es kann aber durch definierte Präfixe strukturiert werden.
Die allgemein strukturiert Adresse sieht danach wie folgt aus:
Die Strukturierung erlaubt die Einteilung der Adresse in Adresstypen. Jeder Präfix identifiziert somit
einen Adresstyp. Die bereits definierten Adresstypen und die zugehörigen Präfixe sind:
Adresstyp
Präfix (binär)
Reserviert für IPv4 und Loopback
0000 0000
NSAP-Adressen
0000 001
IPX-Adressen
0000 010
Anbieterbasierte Unicast-Adresse
010
Reserviert für geografische Unicast-Adresse 100
Zusammenfassbare globale Adressen
001
Standortlokale Adresse
1111 1110 11
Multicast-Adresse
1111 1111
Wie man in der Tabelle erkennen kann, werden die Adressen grob in die Typen Unicast, Multicast und
Anycast eingeteilt, deren Eigenschaften nachfolgend kurz erklärt werden sollen.
•
Unicast
Als Unicast-Adressen bezeichnet man die Adressen, die für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen
verwendet werden. Sie werden in verschiedene Gruppen eingeteilt:
o Geographisch basierte Unicast-Adresse
Für diese Adressen wurde erst der Adressbereich und der Präfix reserviert. Die Idee
ist, dass ein hierarchisches Routing aufgrund der geographischen Lage - ähnlich wie
beim T elefon - möglich sein soll.
o Anbieterbasierte Unicast-Adressen
Dieser Adresstyp erlaubt ein hierarchisches Routing aufgrund der Adressräume der
Anbieter. Diese Adressen werden von einem Register über ein großes Gebiet
verwaltet. Diese Register geben die Adressen an die Anbieter weiter, welche ihrerseits
Adressen weitergeben können. Somit ergibt sich eine Adress-Struktur, die wie folgt
aussieht:
203
Die Einführung von nationalen Registern ergibt eine Aufteilung der Anbieter- und Subscriber-ID in
National-Register-, Anbieter- und Subscriber-ID.
•
Linklokale und standortlokale Adressen
Diese Adressen werden für die T CP/IP-Dienste innerhalb eines Unternehmens genutzt. Die
Linklokalen Adressen werden nicht in das Internet geroutet und haben den folgenden Aufbau:
Im Gegensatz dazu stehen die standortlokalen Adressen, die nur innerhalb eines Subnetzes gültig sind
und deshalb von keinem Router behandelt werden.
•
Multicast-Adressen
In IPv4 wird das Rundsenden eines Paketes an mehrere Stationen durch das IGMP (Internet
Group Management Protokoll) realisiert. In IPv6 ist das Prinzip übernommen, aber ein eigener
Adresstyp definiert worden. IGMP entfällt somit gänzlich. Das Paket für MulticastMeldungen sieht wie folgt aus:
Das Flag gibt an, ob die Gruppen ID temporär, oder von der IANA zugewiesen ist. Der Scope gibt den
Gültigkeitsbereich der Multicast Adresse an. Dieser reicht vom nodelokalen bis zum globalen Bereich.
•
Anycast Adressen
Diese Adressen sind neu definiert worden. es können mehrere Rechner zu einer Gruppe
zusammengefasst werden und sie sind dann unter einer einzigen Adresse erreichbar. Damit ist
beispielsweise eine Lastverteilung möglich: der Rechner, der am wenigsten belastet ist,
behandelt das Paket. Die Adresse hat die folgende Struktur:
Siche rheit
Der Bedarf an digitalen Unterschriften oder elektronischen Zahlungsmöglichkeiten steigt ständig.
Deshalb stand bei der Spezifikation von IPv6 die Sicherheit von Anfang an im Mittelpunkt. Für die
Sicherheitsfunktionen von IPv6 ist eine spezielle Arbeitsgruppe "IPSec" zuständig.
In IPv6 wurden Sicherheitsmechanismen für die Authentisierung und Verschlüsselung auf IP Ebene
spezifiziert. Die Verschlüsselungsfunktionen definieren Verfahren, die das Mitlesen durch Unbefugte
verhindern. Es gibt zwei unterschiedliche Ansätze. Bei der ersten Variante werden alle Nutzdaten
(Payload) verschlüsselt. Der Header bleibt normal lesbar. Bei der anderen Variante ist es möglich, den
Header ebenfalls zu verschlüsseln. Das codierte Paket wird in ein anderes IPv6-Packet verpackt und
204
zu einem fixen Ziel befördert ("IP-Tunnel"). Am Ziel wird das Paket wieder entschlüsselt und über das
sichere interne Netz übertragen.
Authentisierungsmechanismen liefern den Beweis auf Unverfälschtheit der Nachricht und
identifiziert den Absender (Digitale Unterschrift). Hier werden verschiedene kryptographische
Verfahren eingesetzt. Die Verfahren für die Verschlüsselung und die Authentisierung können auch
getrennt angewandt werden. Verwaltung und Verteilung der Schlüssel wird nicht von IPv6 gelöst. Das
Standardverfahren für den IPv6-Authentisierungsmechanismus ist MD5 mit 128 Bit langen
Schlüsseln. IPv6 schreibt keinen Verschlüsselungsmechanismus vor, jedes System im Internet muß
jedoch den DES mit CBD (Cipher Block Chaining) unterstützen.
11.9 Domain Name System (DNS)
Es hat sich ziemlich früh herausgestellt, daß menschliche Benutzer die numerischen IP-Adressen nicht
benutzen wollen, sondern aussagekräftige und vor allem merkbare Namen bevorzugen. Außerdem
ist es ein großer Nachteil der IP- Adressen, daß aus ihnen keinerlei geographische Information zu
entnehmen ist. Man sieht einer Zieladresse nicht an, ob sie in Australien oder im Nebenzimmer
lokalisiert ist, außer man kennt zufällig die gewählten Zahlen. Es wurde daher das Domain Name
System entwickelt, das den Aufbau von Rechnernamen regelt. Es ordnet jedem (weltweit
eindeutigen) Namen eine IP-Adresse zu. Dabei gibt es einige Varianten. Eine Maschine mit einer IPAdresse kann mehrere Funktionen haben und daher auch mehrere Namen, die auf diese Funktionen
hinweisen. Genauso kann eine Maschine (z. B. ein Router) viele IP-Adressen haben aber nur einen
Namen.
Beim "Domain-Name-System" (oder kurz: DNS) handelt es sich um einen Dienst, der zu einem
Rechnernamen die zugehörige IP-Nummer liefert und umgekehrt. Das ist in etwa mit der
Funktionsweise einer Telefonauskunft vergleichbar: Der Kunde ruft bei einer bestimmten
Telefonnummer an und fragt nach der Rufnummer eines Teilnehmers. Nachdem er Name und
Wohnort der gesuchten Person durchgegeben hat, erhält er als Antwort die gewünschte Nummer
aus einem Verzeichnis. Genauso läuft eine DNS-Abfrage ab.
Gibt ein Benutzer in seinem Webbrowser zum Beispiel die Adresse
http://www.VereinGegenZuLangeDomainnamenEV.de
ein, dann sorgt ein Teil der Netzwerk-Software auf seinem lokalen Rechner dafür, daß ein NameServer nach der IP-Adresse des Rechners www.vereingegenzulangedomainnamenev.de gefragt wird.
Dieser Softwareteil wird als Resolver bezeichnet und entspricht in obigem Beispiel dem Kunden, der
die Auskunft anruft. Welche IP-Adresse dieser Server hat, muß dem Klientenrechner natürlich
205
bekannt sein, genauso wie der Kunde eine einzige Telefonnummer wissen muß, nämlich die der
Auskunft selbst. Auf der Serverseite arbeitet eine Software, die als "Domain-Name-Server" oder kurz
"Name-Server" bezeichnet wird und anhand einer Datenbank ("Zone-File") die passende IP-Nummer
zum Rechnernamen liefert, oder einen anderen Name-Server fragt, wenn die Adresse unbekannt ist.
DNS ist ein typisches Beispiel für einen Verzeichnisdienst. Seine Aufgaben sind:
•
Strukturierung der Namen. (Domänen-Konzept)
•
Zuteilung und Verwaltung von Namen.
•
Auflösen von Namen (="Nachschlagen") in beide Richtungen (Name zu Adresse und Adresse
zu Name)
•
Zwischenspeichern von Adressen (Caching)
•
Einteilung der Daten in hierarchische Ebenen
•
Verteilung der Daten auf verschiedene Knoten
•
Bereitstellung von Redundanz (Secondary-DNS, Caching-Only-Server)
Damit das DNS funktioniert muß es Instanzen geben, die Namen in IP-Adressen und IP-Adressen in
Namen umwandeln ('auflösen') können. Diese Instanzen sind durch Programme realisiert, die an
größeren Maschinen ständig (meist im Hintergrund) im Betrieb sind und 'Nameserver' heißen. Jeder
Rechner, der an das Internet angeschlossen wird, muß die Adresse eines oder mehrerer Nameserver
wissen, damit die Anwendungen auf diesem Rechner mit Namen benutzt werden können. Die
Nameserver sind für bestimmte Bereiche, sogenannte 'domains' oder 'Zonen', zuständig (Institute,
Organisationen, Regionen) und haben Kontakt zu anderen Nameservern, so daß jeder Name
aufgelöst werden kann.
Domänen-Konzept
In den Anfängen des ARPA-Nets, aus dem das Internet entstand, wurde die Namensauflösung über
eine einzige Datei erledigt. Jeder Rechner kopierte sich Nachts per FTP diese Datei von einem
Master-Server auf die lokale Platte. Dieses Konzept funktioniert natürlich nur, solange die Anzahl der
Namen nicht groß ist. Die benötigte Bandbreite ist proportinal zum Quadrat der beteiligten Rechner.
B ~ N2
Als Relikt aus dieser Zeit kennt fast jedes Betriebssystem auch heute noch eine Hosts-Datei, in der für
kleine Netze Rechner/Nummern-Zuordnungen abgelegt werden könen. (Bei Windows im Verzeichnis
\WINDOWS\HOSTS, bei Unix unter /etc/hosts, bei Novell unter SYS:SYSTEM/ETC/H OSTS, etc.) Die
Syntax aller dieser Hosts-Dateien ist einfach. Für jeden Rechner gibt es eine eigene Zeile mit dem
Inhalt:
206
IP-Nummer
Hostname Alias Alias ....
Zum Beispiel:
192.168.112.1 chef dumpfbacke
192.168.112.2 Snow-White
192.168.112.3 Doc
192.168.112.4 Happy
192.168.112.5 Bashful
192.168.112.6 Sneezy
192.168.112.7 Sleepy
192.168.112.7 Grumpy
192.168.112.8 Dopey
Der Begriff Alias läßt sich dabei am besten durch "Spitzname" (oder englisch Nickname) ersetzen;
also ein weiterer Name für ein und den selben Rechner.
Bei einer kleinen Menge von Rechnern ist die Namensverwaltung mit einer Datei noch möglich; für
einen so großen und ständig wechselnden Verbund wie das Internet ist sie aber nicht geeignet. Hier
ist eine dezentrale Verwaltung mit einem eigens darauf abgestimmten Namensraum nötig.
Der Namensraum des DNS ist in sogenannte Domänen eingeteilt. Die Domänen sind hierarchisch als
Baum angeordnet,
Ausgehend von der Wurzel (=Root) des Baumes ist der Namensraum in sogenannte "ToplevelDomains" eingeteilt. Man unterscheidet dabei zwischen zwei verschiedenen Klassen von ToplevelDomänen: Den generischen und den länderspezifischen.
Toplevel-Domänen
generisch
com
Kommerzielle Organisationen
207
edu
(education) Schulen und Hochschulen
gov
(government) Regierungsinstitutionen
mil
militärische Einrichtungen
net
Netzwerk betreffende Organisationen
org
Nichtkommerzielle Organisationen
int
Internationale Organisationen
arpa
und das alte ARPA-Net bzw. Rückwärts-Auflösung
von Adressen
Ende 2000 sind neue TLDs von der ICANN genehmigt worden:
aero
Luftfahrtindustrie
coop
Firmen-Kooperationen
museum
Museen
pro
Ärzte, Rechtsanwälte und andere
Freiberufler
biz
Business (frei für alle)
info
Informationsanbieter (frei für alle)
name
Private Homepages (frei für alle, aber nur
dreistufige Domains der Form
<Vorname>.<Name>.name)
länderspezifisch Jeweils ein Länderkürzel für jedes Land, z.B.:
by
Weissrussland
de
Deutschland
at
Östereich
208
fr
Frankreich
to
Tonga
tv
Tuvalu
Unterhalb der Toplevel-Domänen folgen Subdomänen, die wiederum Domänen enthalten könen und
schliesslich, als Blatt des Baumes, ein einzelner Rechner. Der Name www.netzmafia.de ist also so zu
verstehen. In der Toplevel-Domäne ".de" ist die Subdomain "Netzmafia" bekannt. Innerhalb der
Subdomain "netzmafia" gibt es einen Rechner namens "www". Analog zu unserem Beispiel mit der
Telefonauskunft, ist mit "de" das Land, mit "netzmafia" der Ort und die Straße und mit "www" der
Name eines Teilnehmers bestimmt. Die komplette Adresse eines Rechners in der beschriebenen
Notation, z.B. bezeichnet man (www.netzmafia.de) als FQDN (Full-Qualified-Domain-Name).
Für die Aufnahme einer Verbindung zwischen zwei Rechnern muß in jedem Fall der Rechnername in
eine zugehörige IP- Adresse umgewandelt werden. Aus Sicherheitsaspekten ist es manchmal
wünschenswert, auch den umgekehrten Weg zu gehen, nämlich zu einer sich meldenden Adresse
den Namen und damit die organisatorische Zugehörigkeit offenzulegen.
Komponenten des DNS
Insgesamt sind es drei Hauptkomponenten, aus denen sich das DNS zusammensetzt:
1. Der Domain Name Space, ein baumartig, hierarchisch strukturierter Namensraum und die
Resource Records. Das sind Datensätze, die den Knoten zugeordnet sind.
2. Name Server sind Programme bzw. Rechner, die die Informationen über die Struktur des
Domain Name Space verwalten und aktualisieren. EinNameserver hat normalerweise nur
eine Teilsicht des Domain Name Space zu verwalten. Oft wird auch der Rechner, auf dem das
Nameserverprogramm läuft, als 'Nameserver' oder 'DNS-Server' bezeichnet.
209
3. Resolver sind die Programme, die für den Client Anfragen an den Nameserver stellen.
Resolver sind einemNameserver zugeordnet; bei Anfragen, die er nicht beantworten kann
(anderer Teilbereich des Domain Name Space). kann er aufgrund von Referenzen andere
Nameserver kontakten, um die Information zu erhalten.
Der Nameserver des DNS verwaltet also einzelne Zonen, die einen Knoten im DNS-Baum und alle
darunterliegenden Zweige beinhalten. Auf jeder Ebene des DNS-Baums kann es Namesever geben,
wobei jeder Nameserver seinen nächsthöheren und nächstniedrigeren Nachbarn kennt. Aus
Sicherheitsgründen gibt es für jede Zone in der Regel mindestens zwei Nameserver (primary und
secondary), wobei beide die gleiche Information halten. Nameservereinträge können nicht nur die
Zuordnung Rechnername - IP-Adresse enthalten, sondern (neben anderem) auch weitere
Namenseinträge für einen einzigen Rechner und Angaben für Postverwaltungsrechner einer Domain
(MX, mail exchange).
Basis des Nameservice bilden die "Root-Nameserver", die für die Top-Level-Domains zuständig sind.
Federführende Organistation ist hier die ICANN (=Internet Corporation for Assigned Names and
Numbers , Adresse: http://www.icann.org). Gründung 1998. ICANN beauftragt die Verwalter der
Zone "." (Wurzel des DNS-Baumes) mit 13 Servern. Bis auf die Server I (Stockholm), K (London) und M
(Tokio) stehen alle Server in den USA.
210
Name
Typ
Betreiber
URL
a
com
InterNic
http://www.internic.org
b
edu
ISI
http://www.isi.edu
c
com
PSINet
http://www.psi.net
d
edu
UMD
http://www.umd.edu
e
usg
NASA
http://www.nasa.gov
f
com
ISC
http://www.isc.org
g
usg
DISA
http://nic.mil
h
usg
ARL
http://www.arl.mil
i
int
NordUnet
http://www.nordu.net
j
( )
(TBD)
http://www.iana.org
k
int
RIPE
http://www.ripe.net
l
( )
(TBD)
http://www.iana.org
m
int
WIDE
http://www.wide.ad.jp
Der Server A ist der primäre Server, alle anderen sind seine Secondaries. Eine Liste dieser Root-Server
muss jeder DNS-Server haben (Ausnahme: Cache-Only-Server). Erzeugung der Liste mit dem
Kommando:
dig @rs.internic.net . ns > root.servers
Die Namen, die im Internet verwendet werden müssen dabei einige Spezifikationen erfüllen:
•
Die Länge eines Namensteiles (Domänen- oder Rechnername) darf maximal 63 Zeichen
betragen.
•
Die Gesamtlänge des Full-Qualified-Domain-Names darf 255 Zeichen nicht überschreiten.
•
Nur Buchstaben, Ziffern und "-" sind in den Namen zugelassen. Dabei muss jeder Name mit
einem Buchstaben oder einer Ziffer beginnen und enden. ("3bla-fasel" ist zulässig, "3bla-"
aber nicht.)
211
•
Zwischen Groß- und Kleinschreibung wird nicht unterschieden.
Bei der Registrierung einer Domain unterhalb von ".de" gelten zusätzlich noch folgende Regeln:
•
Der Domainname muß mindestens 3 Zeichen haben. Insgesamt gibt es in ".de" noch 4
Domains mit nur 2 Buchstaben, die aus Besitzstands-Gründen beibehalten werden.
•
Wegen eines weit verbreiteten Fehlers in der Named-Server-Software sind Domains mit den
gleichen Namen wie Toplevel-Einträge verboten. (Also z.B.: "at.de") Das ist in RFC 1535 näher
beschrieben.
•
KFZ-Kennzeichen können nicht registriert werden.
Ein wichtiger Bestandteil des DNS-Konzeptes ist die Aufteilung der benötigten Datenbank auf viele
verschiedene Rechner. Da das Gesamtsystem voll funktionsfähig bleiben muß, auch wenn ein Server
ausgefallen ist, wird die Datenhaltung mit Hilfe von Zuständigkeiten gelöst: Zu jeder Domain gibt es
mindestens einen zugehörigen Server, der verantwortlich die darin enthaltenen Subdomains oder
Rechner verwaltet, oder die Verwaltung an einen weiteren Server weiterdelegiert. Am Stamm des
DNS-Baumes sitzen dazu die "Root-Server", die alle Einträge ihrer jeweiligen Domain kennen. Das
heißt, daß der Root-Nameserver der Domäne ".de" einen Eintrag für den Named-Server der Domain
"netzmafia.de" besitzt. Dieser Server hat wieder eine Liste der in "netzmafia.de" enthaltenen
Rechner und Subdomains.
Die Frage eines Clients nach der IP-Nummern eines Rechners wird wie folgt abgewickelt:
212
1. Der Client-Rechner "grumpy.zwerge.org" stellt die DNS-Anfrage nach "www.netzmafia.de" an
seinen zuständigen DNS-Server. Dessen IP-Nummer muss dem Client bekannt sein.
2. Kennt der Nameserver der Domain "zwerge.org" die Antwort nicht, so erkundigt er sich beim
Root-Nameserver nach der Adresse des Nameservers von ".de"
3. Der Root-Nameserver antwortet dem zuständigen DNS-Server der Domain "zwerge.org" mit
der Adresse des Nameservers von ".de"
4. Der Nameserver der Domain "zwerge.org" erkundigt sich beim Nameserver von ".de" nach
der Adresse des Nameservers von "netzmafia.de".
5. Der Nameserver von ".de" antwortet dem zuständigen DNS-Server der Domain "zwerge.org"
mit der Adresse des Nameservers von "netzmafia.de"
6. Der Nameserver der Domain "zwerge.org" erkundigt sich beim Nameserver von
"netzmafia.de" nach der Adresse des Rechners "www.netzmafia.de".
7. Der Nameserver von "netzmafia.de" antwortet dem zuständigen DNS-Server der Domain
"zwerge.org" mit der Adresse des Rechners von "www.netzmafia.de".
8. Der DNS-Server von "zwerge.org" liefert die IP-Nummer an den anfragenden Client. Damit ist
die DNS-Abfrage abgehandelt.
DNS-Typen
Man unterscheidet folgende DNS-Typen
•
Cache-Only
o
Besitzt keine eigenen Tabellen mit Rechnernamen (Zone-Files).
o
Alle Anfragen werden an einen übergeordneten Server weitergegeben.
o
Adressen werden zwischengespeichert.
o
Zweck: Z.B. Entlastung einer Providerleitung
213
o
•
•
Sehr einfach einzurichten.
Secondary-DNS
o
Besitzt eigene Tabellen, die er vom Primary-DNS kopiert.
o
Die Tabellen können aber nicht verändert werden.
o
Zweck: Lastteilung, Backup
o
Einfach einzurichten.
Primary-DNS
o
Besitzt eigene Tabellen für eine oder mehrere Zonen.
o
Tabellen können lokal verändert werden.
o
Server ist "authoritative" für seine Zone.
o
Relativ hoher Aufwand für Einrichtung und Pflege.
DNS Resource Records
Im Standardfall generiert ein DNS-Server seine interne Datenbank aus einer Textdatei, der
sogenannten "Zonen-Datei". Damit er funktioniert, müssen bestimmte Einträge korrekt eingetragen
worden sein. An dieser Stelle sollen nur ein paar grundlegende Eigenschaften der wichtigsten Typen
von Resource Records betrachtet werden. Es gibt verschiedene Record-Typen:
•
SOA-Records (Source of Authority) enthalten die technischen Angaben für die gesamte Zone
sowie einige Steuerdaten für die Zusammenarbeit der Nameserver untereinander. SOARecords sind weiter unten genauer erklärt.
•
NS-Records (Name Server) verweisen auf die Nameserver, die für eine Zone authoritativ sind.
Auf den eigenen Namen zeigende NS-Records dienen der Plausibilitätsprüfung; NS-Records
für eine Subdomain weisen darauf hin, dass die Informationen für die Subdomain auf einem
anderen Nameserver zu finden sind (Delegation).
•
A-Records (Address) verknüpfen einen Domainnamen mit einer IP-Adresse. Um IPv4- und
IPv6-Adressen zu unterscheiden, wird seit einiger Zeit für IPv4 der A-Record und für IPv6 der
AAAA-Record verwendet.
•
PTR-Records (Pointer) verknüpfen eine IP-Adresse "rückwärts" mit einem Domainnamen.
•
CNAME-Records Canonical Name) definieren einen Domainnamen als Alias für einen
anderen. Es gibt also für jedes System einen A-Record und ggf. noch beliebig viele CNAMERecords.
•
MX-Records (Mail Exchanger) definieren, bei welchen Rechnern Mail für eine Domain
eingeliefert werden soll. Auf diese Weise sind geneische Mailadressen wie z.B.
"plate@fhm.edu" möglich.
214
•
TXT-Records (Text) enthalten beliebige alphanumerische Informationen zu einem
Domainnamen.
Aufbau der Zonendatei
Beispiel des Primary DNS "aella.serverzwerge.de":
; Zonendatei fuer die Domaene serverzwerge.de
;
$TTL 1D
@
in
SOA
aella.serverzwerge.de. dnsadmin.aella.serverzwerge.de. (
2002051505
; Seriennummer
10800 ; Refresh : 3 Stunden
3600 ; Retry : 1 Stunde
604800 ; Expire : 1 Woche
86400) ; Min. TTL: 1 Tag
aella
NS
aella.serverzwerge.de.
MX
10 aella.serverzwerge.de.
MX
50 mail.irgendeinprovider.de.
A
10.23.200.100
snowwhite
doc
A
A
10.23.200.17
10.23.200.18
happy
A
10.23.200.19
bashful
A
10.23.200.20
sneezy
A
10.23.200.21
sleepy
A
10.23.200.22
grumpy
dopey
A
A
10.23.200.23
10.23.200.24
HINFO "Hexium 7.5" "Linux"
215
beispiel
CNAME aella
Der SOA-Record
Jede Zone muss einen SOA-Record (Start of Authority) enthalten. Dort sind wichtige Informationen
über die Zone abgelegt. Hier ein Beispiel:
$TTL 1D
@
in
SOA
aella.serverzwerge.de. dnsadmin.aella.serverzwerge.de. (
2002051505
; Seriennummer
10800 ; Refresh : 3 Stunden
3600 ; Retry : 1 Stunde
604800 ; Expire : 1 Woche
86400) ; Min. TTL: 1 Tag
Das Semikolon leitet Kommentare ein, die natürlich nicht vorhanden sein müssen.
•
Das erste Feld im SOA-Record benennt den primary master server. Dies ist der Server, der die
endgültige Autorität über den Inhalt der Zone ist. Dort ist das Zonefile selbst abgelegt.
•
Das zweite Feld des SOA-Records nennt die Mailbox der für die Zone verantwortlichen
Person. Das @-Zeichen der E-Mail-Adresse wird hier durch einen Punkt ersetzt. Links vom @
stehende Punkte müssen als \. notiert werden, um eine eindeutige Zuordnung für den Punkt
zu erreichen, der für den @ steht.
•
Die Seriennummer spielt eine wichtige Rolle im Zusammenspiel zwischen Master-DNS und
Slave-DNS: Slaves führen nur dann einen Zonentransfer durch, wenn die vom Master
übermittelte Seriennummer größer ist als die der lokal gehaltenen Zone. Sie wird meist nach
dem Schema yyyymmddnn gebildet: yyyy = Jahr (4-stellig), mm = Monat (2-stellig), dd = Tag
(2-stellig) und nn die Viertelstunde (2-stellig) des aktuellen Tags.
•
Der Refresh-Wert legt fest, wie häufig ein Slave beim Master nachfragt, ob sich die Zone
verändert hat.
•
Der Retry-Wert legt fest, wie häufig ein Slave einen fehlgeschlagenen Zonentransfer
wiederholt, bis er aufgibt.
•
Der Expire-Wert legt fest, wie lange ein Slave seine Kopie einer Zone noch als gültig ansieht,
wenn er den Master nicht erreichen kann.
•
Der Minimum-TTL-Wert legt fest, wie lange eine negative Antwort vom Client
zwischengespeichert werden darf. Er ist einer der beiden wichtigsten Timer in einer
Zonendatei (TTL = Time To Live).
•
Der Eintrag in der $TTL-Zeile oberhalb des SOA-Records legt fest, welche Lebensdauer die
Resource Records des Zonefiles in den Caches nicht authoritativer Nameserver haben sollen.
216
Um die Last auf den für eine Zone authoritativen Nameservern zu verringern, speichern die von den
Internetbenutzern verwendeten Forwarder die Auskünfte, die sie von den authoritativen
Nameservern erhalten haben, für eine bestimmte Zeit zwischen. Der für die Zone zuständige
Administrator kann das Caching der Forwarder in manchen Grenzen beeinflussen.
Wird eine Nameserver-Anfrage positiv beantwortet, übermittelt der authoritative Nameserver
zusammen mit dem angefragten Resource Record die gewünschte Lebenszeit des Eintrags in Form
der TTL. Ist im Zonefile für den Resource Record keine TTL angegeben, so übermittelt der
authoritative Nameserver den mit $TTL im Zonefile gesetzten Defaultwert. Der Forwarder
übermittelt die Antwort weiter an die Quelle der Anfrage und speichert die Antwort für die
übermittelte Zeitdauer zwischen, so dass weitere Anfragen nach dem gleichen Resource Record
innerhalb dieser Zeitdauer ohne erneuten Zugriff auf den authoritativen Server beantwortet werden
können.
Bevor man zeitkritische Änderungen an einer Zone vornimmt (z.B. Umzug eines Web- oder
Mailservers auf eine andere IP-Adresse), ist zu empfehlen, zuerst einen oder beide TTL-Werte
herunterzusetzen. Dies sollte mindestens einen TTL-Zeitraum vor der eigentlichen Änderung
geschehen, damit die kürzere TTL sich herumgesprochen hat. Nachdem die Änderung erfolgreich
durchgeführt wurde, kann die TTL wieder heraufgesetzt werden.
Der MX-Record
Nimmt eine Domain am E-Mailverkehr teil, so wird einer oder mehrere MX-Records in die Zone
eingetragen. MX-Records haben zusätzlich zu ihrem Ziel eine Prioritätsangabe. soll eine E-Mail an die
Domain zugestellt werden, versucht der absendende Mailserver zuerst den MX-Record niedrigster
Priorität. Kann er die E-Mail dort nicht ausliefern, versucht er der Reihe nach die MX-Records höherer
Priorität.
Gibt es für einen Domainnamen keinen MX-Record, sondern nur einen A-Record, wird die Mail an
diesen zugestellt. Dieses Verhalten ist historisch bedingt und nicht mehr sinnvoll. Trotzdem wird es
immer noch so gehandhabt. Soll eine Domain nicht am E-Mailverkehr teilnehmen, so ist es sinnvoll,
einen MX-Record auf ein System zu setzen, das für den Domainnamen eingehende E-Mail mit einem
permanenten Fehler ablehnt.
11.10 Netzwerkkonfiguration am Beispiel Linux
Eigentlich ist es egal, welches Betriebssysem als Beispiel genommen wird - die Netzkonfiguration ist
in etwa immer gleich. Auch viele der unten erwähnten Dateien finden sich z. B. bei Windows. Linux
dient deshalb als Beispiel, weil man hier nicht nur irgendwelche Fenster anklickt, sondern sehen
kann, wie mit ein paar Kommandos das Netzwerkinterface eingebunden wird und welche Effekte auf
welche Art und Weise erzielt werden. Die wichtigsten Dateien, Bezeichnungen und Anwendungen:
•
/etc/HOSTNAME oder /etc/hostname
•
/etc/hosts
•
/etc/networks
•
/etc/host.conf
217
•
/etc/resolv.conf
•
/etc/nsswitch.conf
•
ifconfig
•
route
•
netstat
•
ping
•
traceroute
Netzwerkkonfiguration läuft im Normalbetrieb immer automatisch beim Systemstart ab. Init-Scripts
übernehmen die Konfiguration der Schnittstellen, das Anlegen der Routen und vieles mehr. Trotzdem
ist das Wissen um die manuelle Konfiguration wichtig, erstens für Problemlösungen und zweitens,
weil damit auf die Schnelle auch eine Umkonfiguration von Netzwerkkarten oder ein experimenteller
Aufbau möglich ist.
Auf den (Hardware-)Treiber des Netzwerk-Interface wird aus diesem Grund nicht eingegangen. Um
festzustellen, ob überhaupt ein Treiber geladen wurde, genügt das Kommando
dmesg | more
das alle Boot-Meldungen auflistet. Darin findet man auch die Meldungen zur Netzwerkkarte, z.B.:
...
8139cp 10/100 PCI Ethernet driver v0.0.6 (Nov 19, 2001)
8139cp: pci dev 00:0f.0 (id 10ec:8139 rev 10) is not an 8139C+ compatible chip
8139cp: Try the "8139too" driver instead.
8139too Fast Ethernet driver 0.9.24
PCI: Found IRQ 9 for device 00:0f.0
eth0: RealTek RTL8139 Fast Ethernet at 0xe081af00, 00:00:e8:76:2f:ea, IRQ 9
eth0: Identified 8139 chip type 'RTL-8139A'
...
Aus dieser Meldung ist auch die MAC-Adresse des Netzwerk-Interface ablesbar (im Beispiel:
00:00:e8:76:2f:ea).
218
Im Folgenden werden die wichtigsten Konfigurationsdateien für das Netz besprochen, wobei viele
der Dateien - eventuell leicht modifiziert oder mit ähnlichem Nanen - auch bei Windows zu finden
sind. Bei Linux findet man diese Daten traditionsgemäß im Verzeichnis /etc.
Setzen des Hostnamens
Die Netzwerksoftware verläßen sich darauf, daß der Name der Maschine einen sinnvollen Wert hat.
Er wird im Normalfall während des Boot-Vorgangs mit dem Befehl hostname gesetzt. Um den
Hostnamen auf name zu setzen, geben Sie folgendes ein:
hostname name
Es ist üblich, nur den Host-Namen ohne jede Domain-Angabe zu verwenden.
/etc/hosts
In dieser Datei werden die Systeme des Netzwerks mit ihrem Systemnamen und die dazu
gehörenden Internet-Adressen aufgelistet. Auch, wenn man im normalen Betrieb DNS einsetzt, sollte
man einen Teil der Rechnernamen in /etc/hosts eintragen. Oft möchte man nämlich auch während
des Bootens, wenn noch keine Netzwerkschnittstellen aktiv sind, symbolische Namen verwenden.
Um sicherzustellen, daß alle Programme ausschließlich /etc/hosts verwenden, um die Adresse eines
Systems zu suchen, müssen Sie ggf. die Datei /etc/nsswitch.conf editieren. Interessant ist die Zeile,
die mit "hosts:" beginnt. Dort sollte "files dns" stehen, was bedeutet, daß erst in der lokalen Datei
/etc/hosts nachgesehen und dann erst ein Nameserver kontaktiert wird. Typischerweise sieht die
Datei im Ausschnitt so aus:
# /etc/nsswitch.conf
#
...
hosts:
networks:
files dns
files
...
Auf diese Datei wird weiter unten noch genauer eingegangen.
Die Datei hosts enthält einen Eintrag pro Zeile, bestehend aus der IP-Adresse, dem Hostnamen und
einer optionalen Liste von Aliasen für den Hostnamen. Die Felder sind durch Leerzeichen oder
Tabulatoren voneinander getrennt, und das Adreßfeld muß in Spalte eins beginnen. Ein Doppelkreuz
(#) leitet immer einen Kommentar ein.
Namen können entweder mit voller Domainangabe (Full Qualified Domain Name, FQDN) oder relativ
zur lokalen Domain sein. So ist das System sowohl unter seinem offiziellen als auch unter dem
kürzeren lokalen Namen bekannt. Man kann in der Datei auch die Namen und IP-Adressen beliebiger
219
anderer Rechner eintragen. Immer notwendig ist der Eintrag für den Rechner selbst, "127.0.0.1
localhost", denn sonst funktionieren gewisse Dienste (z.B. lpd) nicht.
Für alle folgenden Beispiele werden für die Rechnernamen Schneewittchen und die sieben Zwerge
(in der englischen Fassung von Walt Disney) verwendet. Damit keine Kollision mit real existierenden
Internet-Domains auftreten, kann man als Domainnamen beispielsweise "zwerge.local" nehmen. Als
Netz verwenden wir das private B-Netz 172.20.y.x - und davon sogar nur ein C-Subnetz, 172.20.20.x.
Das folgende Beispiel zeigt, wie die Datei /etc/hosts im Zwergenwald aussehen könnte.
#
# Hostdatei fuer Snowwhite and Friends
#
# IP
FQDN
127.0.0.1
Aliase
localhost
# die Zwerge
10.27.210.17 snowwhite.zwerge.local snowwhite
10.27.210.18 doc.zwerge.local
doc
10.27.210.19 happy.zwerge.local
happy
10.27.210.20 bashful.zwerge.local
bashful
10.27.210.21 sneezy.zwerge.local
sneezy
10.27.210.22 sleepy.zwerge.local
sleepy
10.27.210.23 grumpy.zwerge.local
10.27.210.24 dopey.zwerge.local
grumpy
dopey
...
Nach der Internet-Adresse wird der "offizielle" Name des Systems angegeben, gefolgt von AliasNamen für dieses System. Wird als Argument für ein Netzwerk-Kommando ein Name angegeben, so
wird in dieser Datei die zugehörige Internet-Adresse ermittelt. Erst über die Adresse wird eine
Verbindung zum Zielsystem aufgebaut. Die Datei /etc/hosts wird jedoch auch für den umgekehrten
Vorgang benutzt. Mit einem IP-Datagram wird nur die Internet-Adresse des sendenden Systems
mitgeschickt. Soll nun der zugehörige Name ermittelt werden, so geschieht dies ebenfalls mittels
dieser Datei. Das Resultat ist jedoch immer der "offizielle" Name des Systems. Deshalb ist darauf zu
achten, daß stets dieser Name verwendet werden muß, wenn ein Rechnername in weiteren
Konfigurationsdateien eingetragen wird.
220
Jetzt wissen Sie auch, daß der Eintrag "127.0.0.1 www.microsoft.com" in der /etc/hosts
beispielsweise zu komischen Effekten führen würde (welchen?).
/etc/networks
Genau wie für IP-Adressen möchte man manchmal auch symbolische Namen für Netzwerknummern
verwenden. Aus diesem Grunde gibt es parallel zu /etc/hosts die Datei /etc/networks, die
Netzwerknamen auf Netzwerknummern abbildet. Diese Datei wird nicht unbedingt benötigt. Im
Zwergenwald würden z.B. folgende networks-Datei installiert:
# /etc/networks
zwergenwald
172.20.20.0
Beachten Sie, daß die Namen in networks nicht mit den Hostnamen in der Datei hosts
übereinstimmen und kollidieren, da manche Programme ansonsten seltsame Resultate produzieren.
/etc/protocols
In dieser Datei sind die Protokollnamen und Protokollnummern der Transportprotokolle eingetragen,
die das System unterstützt. Dank dieser Datei kann man in vielen Programmen den symbolischen
Namen eines Protokolls anstelle der Nummer angeben. Jede Zeile der Datei enthält den Namen des
Transportprotokolls, die Protokollnummer und den Aliasnamen des Protokolls, zum Beispiel:
ip
0
IP
# internet protocol, pseudo protocol number
icmp 1
ICMP
# internet control message protocol
igmp 2
IGMP
# Internet Group Management
ggp
GGP
3
ipencap 4
# gateway-gateway protocol
IP-ENCAP # IP encapsulated in IP
tcp
6
TCP
# transmission control protocol
egp
8
EGP
# exterior gateway protocol
udp
17 UDP
# user datagram protocol
...
/etc/services
In dieser Datei werden die Namen von Netzwerkdiensten sowie die zugehörigen Portnummern und
Protokollnamen gespeichert Dank dieser Datei kann man in vielen Programmen den symbolischen
Namen eines Dienstes anstelle der Nummer angeben. Beispiel:
...
ftp
21 tcp
ssh
22 tcp
221
telnet 23 tcp
smtp
25 tcp
whois
43 tcp
domain 53 tcp
gopher 70 tcp
finger 79 tcp
www
80 tcp
www
80 udp
...
/etc/nsswitch.conf
Diese Datei wird auch als "Resolver-Bibliothek" bezeichnet. Der Begriff Resolver bezieht sich nicht auf
ein spezielles Programm, sondern auf eine Sammlung von Funktionen, die bei Linux zur Standard-CBibliothek gehören. Ihre wichtigsten Routinen sind gethostbyname(2) und gethostbyaddr(2), die alle
zu einem Namen gehörenden IP-Adressen zurückliefern und umgekehrt. über die Datei
/etc/nsswitch.conf können Sie einstellen, ob Sie die gewünschten Informationen in /etc/hosts
nachschlagen, DNS-Server befragen oder die hosts-Datenbank des Network Information Service (NIS)
benutzen wollen.
In der Datei /etc/nsswitch.conf kann der Systemadministrator eine Vielzahl verschiedener
Datenbanken konfigurieren. Wir besprechen hier nur diejenigen Optionen, die sich auf die Auflösung
von Host- und Netzwerk-IP-Adressen beziehen. Optionen in /etc/nsswitch.conf müssen in getrennten
Zeilen erscheinen, wobei die Argumente durch Leerzeichen oder Tabulatorzeichen voneinander
getrennt sein müssen. Ein Doppelkreuz (#) leitet einen Kommentar ein, der sich bis zum Zeilenende
erstreckt. Jede Zeile beschreibt einen bestimmten Dienst, z.B. die Auflösung von Hostnamen. Das
erste Feld jeder Zeile gibt den Namen der Datenbank an und endet mit einem Doppelpunkt. Der Rest
jeder Zeile enthält Optionen, die die Art des Zugriffs auf die betreffende Datenbank regeln. Die
folgenden Optionen sind verfügbar:
dns
Verwendet das Domain Name System (DNS) zur Auflösung der
Adresse. Das macht allerdings nur Sinn bei der Auflösung von
Hostadressen, nicht von Netzadressen. Der Mechanismus benutzt die
Datei /etc/resolv.conf.
files
Durchsucht eine lokale Datei nach den Host- oder Netznamen und
ihren zugehörigen IP-Adressen. Diese Option verwendet die
traditionellen Dateien /etc/hosts und /etc/networks.
nis oder Verwendet das Network Information System (NIS) zur Auflösung einer
nisplus Host- oder Netzadresse.
222
In der Reihenfolge, in der die Dienste angegeben sind, werden sie auch abgefragt, wenn ein Name
aufgelöst werden soll. Anspruch genommen, in der sie aufgelistet sind. Diese Liste befindet sich in
der Datei /etc/nsswitch.conf in dem Abschnitt, in dem die Beschreibung der Dienste erfolgt. Die
Dienste werden von links nach rechts abgefragt, und die Suche wird standardmäßig beendet, wenn
ein Wert (oder Name) erfolgreich aufgelöst wurde. Zum Beispiel:
# /etc/nsswitch.conf
#
hosts:
networks:
dns files
files
Dieses Beispiel veranlaßt das System, Hosts zuerst im DNS zu suchen und wenn dort nichts gefunden
wird, die Suche in der Datei /etc/hosts fortzusetzen. Um Netzwerknamen aufzulösen, wird
ausschließlich die Datei /etc/networks benutzt.
Sie können das Suchverhalten noch genauer kontrollieren, indem Sie zusätzlich Aktionen (action
items) angeben, die festlegen, welche Aktion nach dem jeweils letzten Namensauflösungsversuch
durchgeführt werden soll. Auf diese Erweiterungen wird an dieser Stelle nicht weiter eingegangen.
/etc/resolv.conf
Wenn Sie die Resolver-Bibliothek für die Verwendung von DNS konfigurieren, müssen Sie ihr auch
mitteilen, welche Server sie benutzen soll. Dafür gibt es eine separate Datei namens /etc/resolv.conf.
Fehlt diese Datei oder ist sie leer, nimmt der Resolver an, daß sich der Name-Server auf Ihrem
lokalen Host befindet. Um einen Name-Server auf Ihrem lokalen Host laufen zu lassen, müssen Sie
ihn separat einrichten. Normalerweise verwendet man einen bereits vorhandenen Name-Server. Bei
einer Dialup-Verbindung ins Internet wird für gewöhnlich der Name-Server des Providers in der Datei
/etc/resolv.conf eintragen.
Die wichtigste Option in /etc/resolv.conf ist daher nameserver, welche die Adresse eines NameServers angibt. Wenn Sie die Option mehrmals angeben, werden die Server in der angegebenen
Reihenfolge verwendet. Deshalb sollten Sie unbedingt den zuverlässigsten Server an erster Stelle
eintragen. Wenn Sie keinen Name-Server eintragen, nimmt der Resolver an, daß einer auf der lokalen
Maschine läuft. Gegenwärtig werden bis zu drei nameserver-Einträge in /etc/resolv.conf unterstützt.
Zwei weitere Befehle, domain und search, geben Domainnamen an, die der Resolver an einen Namen
anhängt, wenn die zugehörige Adresse beim ersten Versuch nicht gefunden wird. Mit domain können
Sie eine Default-Domain angeben, die immer dann angehängt werden soll, wenn ein Name nicht
aufgelöst werden konnte. Wird dem Resolver z.B. der Name "sleepy" übergeben, findet dieser den
Namen "sleepy." nicht im DNS, da es eine solche Top-Level-Domain nicht gibt. Wird "zwerge.local" als
Standarddomäne angegeben, wiederholt der Resolver seine Anfrage und hängt diese
Standarddomäne an den Hostnamen an. Die Abfrage nach "sleepy.zwerge.local" ist nun erfolgreich
(natürlich nur, wenn es einen Nameserver gibt).
Mit der Option search kann eine Suchliste angegeben werden, gewissermaßen eine
Verallgemeinerung der domain-Anweisung. Während bei domain nur eine einzelne Domain angeben
werden darf, akzeptiert search eine ganze Liste davon, deren Einträge alle der Reihe nach
223
durchprobiert werden, bis ein gültiger DNS-Eintrag gefunden wird. Die einzelnen Namen der Liste
müssen durch Leerzeichen oder Tabulatoren voneinander getrennt werden.
Die Befehle search und domain schließen einander aus und dürfen höchstens einmal auftauchen.
Wenn keiner der beiden Befehle angegeben ist, versucht der Resolver, die Default-Domain mit Hilfe
der Systemfunktion getdomainname(2) aus dem lokalen Hostnamen zu raten. Hat der Hostname
keinen Domain-Teil, wird als Default-Domain die Root-Domain (.) angenommen.
Werfen Sie einen Blick auf die Datei resolv.conf des Zwergenwaldes:
# /etc/resolv.conf
# Unsere Domain
domain
zwerge.local
#
# Wir benutzen "doc" als zentralen Name-Server:
nameserver
172.20.20.1
Wenn Sie in dieser Konfiguration die Adresse von "dopey" suchen, wird der Resolver erst versuchen,
"dopey." nachzuschlagen, und wenn das fehlschlägt, "dopey.zwerge.local".
Netzwerk-Konfiguration für IP
Zur Konfiguration der Ethernet-Schnittstellen und Initialisierung der Routing-Tabelle sind zwei
Befehle von besonderer Bedeutung, nämlich ifconfig (Interface-Konfiguration) und route.
Schnittstellenkonfiguration mit dem ifconfig-Kommando
Das Starten von TCP/IP erfolgt (unter Unix) durch Shell-Skripte, die je nach Unix-Derivat anders
heißen und sich an ganz unterschiedlichen Stellen des jeweiligen Dateisystems befinden können (Bei
Linux beispielsweise im Verzeichnis /etc/init.d. So unterschiedlich die Shell-Skripte auch sein mögen,
die Initialisierung der Netzwerksoftware erfolgt in jedem Falle durch das ifconfig-Kommando. Hier
wird auch die Initialisierung der Netzwerkschnittstellen vorgenommen. Dabei gibt es folgende Arten
von Schnittstellen:
•
das Loopback-Interface,
•
Broadcast-Interfaces und
•
Point-to-Point-Interfaces.
Das Loopback-Interface ist eine spezielle Schnittstelle, die zum lokalen System zurückgeführt. Dies
bedeutet, daß alle Daten, die durch das Loopback-Interface geschickt werden, wieder im lokalen
System empfangen werden, Dieser Mechanismus erlaubt eine Kommunikation von lokalen Prozessen
über TCP/IP und wird insbesondere von TCP/IP-Verwaltungsprozessen, aber auch von anderen
Diensten genutzt (so z.B. bei Datenbanken). Die Standard-Internet-Adresse der LoopbackSchnittstelle ist 127.0.0.1 und sollte, obwohl es theoretisch möglich ist, nicht verändert werden.
224
ifconfig dient dazu, eine Schnittstelle für die Netzwerkschicht des Kernels sichtbar zu machen. Das
beinhaltet die Zuweisung einer IP-Adresse und verschiedener anderer Parameter sowie die
Aktivierung des Interface, damit der Kernel die IP-Pakete über diese Schnittstelle senden und
empfangen kann. Die einfachste Art, es aufzurufen, ist:
ifconfig <interface> <ip-addresse> netmask <maske>
Der Befehl weist "interface" die Adresse "ip-adresse" zu und aktiviert es. Alle anderen Parameter
werden auf Standardwerte gesetzt. Fehlt die Netzmaske (netmask <maske>), wird sie aus der
Netzwerkklasse der Adresse abgeleitet; für ein Klasse-B-Netz wäre das 255.255.0.0. Oftmals besteht
das Kommando aber zumindest auf der Netzmaske als Parameter. Später dazu mehr.
Initialisiert wird das Loopback-Interface durch das Kommando:
ifconfig lo 127.0.0.1
Sogenannte "Broadcast-Interfaces" sind die üblichen Schnittstellen zu lokalen Netzwerken, über die
mehrere Systeme erreichbar sind, und über die Broadcasts, also Nachrichten an alle, verschickt
werden. Es handelt sich dabei um Schnittstellen zu Ethernet und TokenRing. Neben der InternetAdresse werden bei der Initiatisierung des Broadcast-Interfaces auch die Netzmaske und die
Broadcast-Adresse angegeben:
ifconfig eth0 192.168.0.1 netmask 255.255.255.0 broadcast 192.168.0.255
Neben den Broadcast-Schnittstellen gibt es noch die sogenannten Point-to-Point-Schnittstellen. Sie
sind dadurch gekennzeichnet, daß man nur über sie ein anderes System erreichen kann. Beispiele
sind SLIP (Serial Line IP) und das Point-to-Point-Protokoll PPP, die Verbindungen über die serielle
Schnittstelle oder per Modem/ISDN-Adapter WAN-Verbindungen zulassen. Die Initialisierung einer
Point-to-Point-Schnittstelle hat z.B. die folgende Form:
ifconfig ppp0 192.168.1.1 192.168.1.2 netmask 255.255.255.240
So eine PPP-Verbindung bildet ein eigenständiges Netzwerk. Sollen mehrere Verbindungen
kombiniert werden, so muß eine Unterteilung in Subnetze erfolgen. Das heißt, daß eine
entsprechende Netzmaske gewählt werden muß.
ifconfig kennt eine ganze Reihe von Optionen. Der allgemeine Programmaufruf lautet:
ifconfig interface [address [parameters]]
interface ist der Name der zu konfigurierenden Schnittstelle, und address ist die IP-Adresse, die ihr
zugewiesen werden soll. Sie kann entweder als dotted quad angegeben werden oder als Name, den
ifconfig in /etc/hosts nachschlägt.
Ein Aufruf nur mit dem Interface-Namen gibt die Konfiguration des Interface aus. Wird es ganz ohne
Parameter aufgerufen, zeigt es alle bisher konfigurierten Schnittstellen an; die Option -a erzwingt
zusätzlich die Anzeige der inaktiven. Beispiel:
# ifconfig eth0
eth0
Link encap 10Mbps Ethernet HWaddr 00:00:C0:90:B3:42
225
inet addr 172.20.20.2 Bcast 172.20.20.255 Mask 255.255.255.0
UP BROADCAST RUNNING MTU 1500 Metric 0
RX packets 3136 errors 217 dropped 7 overrun 26
TX packets 1752 errors 25 dropped 0 overrun 0
MTU gibt die maximale Blockgröße an. Die Metrik wird von einigen Betriebssystemen verwendet, um
die Kosten einer Route zu berechnen. Linux benutzt diesen Wert bisher nicht, definiert ihn aber
trotzdem aus Gründen der Kompatibilität. Die Zeilen RX und TX zeigen an, wie viele Pakete
empfangen (RX - receive) bzw. gesendet wurden (TX - transmit), wie viele Fehler dabei auftraten, wie
viele Pakete verworfen wurden (dropped) und wie viele wegen eines überlaufs (overrun)
verlorengingen. Ein überlauf beim Empfänger tritt dann auf, wenn Pakete schneller hereinkommen,
als der Kernel die Interrupts bedienen kann.
Die folgende Liste zeigt die Parameter, die ifconfig versteht; die Namen der zugehörigen Flags stehen
in Klammern. Optionen, die eine bestimmte Eigenschaft des Interface aktivieren, können mit
vorangestelltem Minuszeichen (-) auch benutzt werden, um ihn wieder auszuschalten.
up
Aktiviert ein Interface für die IP-Schicht des Kernels. Sie wird
impliziert, wenn auf der Kommandozeile eine Adresse angegeben ist.
Sie kann auch dazu benutzt werden, ein Interface zu reaktivieren,
wenn es mit der down-Option temporär deaktiviert wurde.
Entspricht den Flags UP und RUNNING.
down
Markiert eine Schnittstelle als inaktiv, d.h. unzugänglich für die
Netzwerkschicht. Dadurch wird jeglicher IP-Transport durch die
Schnittstelle unterbunden. Beachten Sie, daß dadurch automatisch
alle Routing-Einträge gelöscht werden, die diese Schnittstelle
verwenden.
netmask Maske
Weist des Interface eine Subnetzmaske zu. Sie kann entweder als
eine 32-Bit-Hexadezimalzahl (mit führender 0x) oder als dotted quad
(Beispiel: 255.255.255.0) angegeben werden.
Wird für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen benutzt, die nur zwei Hosts
miteinander verbinden. Sie wird beispielsweise für die Konfiguration
von SLIP- und PLIP-Schnittstellen benötigt und teilt dem Kernel die
pointopoint Adresse
IP-Adresse des anderen Systems mit. Falls eine Punkt-zu-PunktAdresse gesetzt wurde, zeigt ifconfig das POINTOPOINT-Flag an
("pointopoint" wird wirklich so geschrieben).
broadcast Adresse
Die Broadcast-Adresse wird normalerweise aus der
Netzwerknummer gebildet, indem alle Bits des Hostanteils auf eins
226
gesetzt werden. Einige IP-Implementierungen verwenden dagegen
eine Broadcast-Adresse, bei der die Bits des Hostteils auf null gesetzt
sind. Die Option broadcast dient dazu, Ihre Konfiguration an eine
derartige Umgebung anzupassen. Wenn dem Interface eine
Broadcast-Adresse zugeordnet wurde, gibt ifconfig das Flag
BROADCAST aus.
metric Wert
Dem Routing-Tabellen-Eintrag des Interface einen Metrikwert
zuordnen. Dieser Wert wird beispielsweise vom Routing Information
Protocol (RIP) berücksichtigt, wenn es Routing-Tabellen für Ihr Netz
erstellt. Die Default-Metrik, die ifconfig einem Interface zuweist, ist
0. Wenn Sie das Routing in Ihrem Netz nicht mit RIP regeln,
benötigen Sie diese Option nicht; aber auch sonst wird die Option
selten benutzt.
mtu Bytes
Setzen der Maximum Transmission Unit (MTU), d.h. die maximale
Anzahl von Bytes, die das Interface in einer Transaktion behandeln
kann. Für Ethernets liegt der Defaultwert bei 1500; für SLIP beträgt
er 296.
arp
Kann nur für Broadcast-fähige Netz wie Ethernet verwendet werden.
Ermöglicht die Benutzung von ARP zur Zuordnung von IP-Adressen zu
physikalischen Adressen. Für Broadcast-Netze wird sie per
Voreinstellung eingeschaltet. Ist ARP abgeschaltet, zeigt ifconfig das
NOARP-Flag an. -arp schaltet ARP explizit aus.
promisc
Versetzt die Schnittstelle in den promiscous mode. Auf BroadcastNetzen hat das zur Folge, daß die Schnittstelle alle Pakete
unabhängig davon empfängt, ob sie für einen anderen Host
bestimmt sind oder nicht. Dadurch kann man den Netzwerkverkehr
mit Paketfiltern wie tcpdump analysieren. -promisc schaltet den
Modus ab.
allmulti
Multicast-Adressen sind wie Ethernet-Broadcast-Adressen, mit der
Einschränkung, daß sie nicht automatisch jeden möglichen
Adressaten berücksichtigen, sondern nur solche, die ausdrücklich
zum Empfang vorgesehen (programmiert) sind. Sie eignen sich
besonders für Anwendungen wie Ethernet-basierte
Videokonferenzen oder Audioübertragungen übers Netz, die nur an
Interessierte gerichtet sind. -allmulti schaltet Multicast-Adressen ab.
Das route-Kommmando
route erlaubt es Ihnen, Routen in die Routing-Tabelle des Kernels einzutragen oder aus ihr zu
entfernen. Es kann aufgerufen werden als:
227
route [add|del] [-net|-host] <target> [dev <if>]
Dabei bestimmen die Argumente add bzw. del, ob die Route zu target eingetragen bzw. aus target
entfernt wird. Die Optionen -net und -host teilen dem route-Kommando mit, ob target ein Netzwerk
oder ein Hostrechner ist (letzteres wird angenommen, wenn Sie hier nichts angeben). Das Argument
dev if ist optional und erlaubt Ihnen die Angabe einer Netzwerkschnittstelle, an die die Route
gerichtet werden soll. Wenn Sie dem Kernel keine Informationen darüber geben, versucht er selbst,
ein sinnvolles Argument herauszufinden.
Den Rechner konfigurieren
Das allererste Interface, die aktiviert werden muß, ist das Loopback-Interface:
ifconfig lo 127.0.0.1
Manchmal wird anstelle der IP-Adresse auch der Name localhost verwendet. Der Befehl ifconfig
sucht diesen Namen in der Datei /etc/hosts, wo er als Hostname für 127.0.0.1 definiert sein muß.
Zur Anzeige der Konfiguration eines Interface rufen Sie ifconfig mit dem Namen des Interface auf.
Ganz ohne Parameter wird die Konfiguration aller Interfaces gezeigt:
ifconfig lo
lo
Link encap:Local Loopback
inet addr:127.0.0.1 Mask:255.0.0.0
UP LOOPBACK RUNNING MTU:3924 Metric:1
RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
Collisions:0
Nun fehlt noch ein Eintrag in der Routing-Tabelle, der festlegt, daß dieses Interface als Route für das
Zielsystem 127.0.0.1 dient. Dazu geben Sie folgendes ein:
route add 127.0.0.1
Es kann auch hier wieder anstelle der IP-Adresse der Namen localhost verwendet werden (sofern er
in /etc/hosts eingetragen ist).
Es wäre auch möglich, das Netz von localhost einzutragen:
route add -net 127.0.0.0
Als nächstes wird mit dem Programm ping getestet, ob alles einwandfrei funktioniert:
ping localhost
PING localhost (127.0.0.1): 56 data bytes
64 bytes from 127.0.0.1: icmp_seq=0 ttl=255 time=0.4 ms
228
^C
--- localhost ping statistics ---
3 packets transmitted, 3 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 0.4/0.4/0.4 ms
Pakete an 127.0.0.1 werden also korrekt ausgeliefert und es erfolgt sofort eine Antwort. Das beweist,
daß die erste Netzwerkschnittstelle erfolgreich konfiguriert wurde.
Die bisher beschriebenen Schritte reichen aus, um Netzwerk-Programme auf einem alleinstehenden
Rechner zu benutzen. Die oben angegebenen Zeilen müssen in das Netzwerk-Initialisierungsskript
eingetragen werden, damit sie beim Systemstart ausgeführt werden. In der Regel wird zumindest die
Konfiguration von "lo" beim Installieren des Systems bereits erledigt. Zur Einstimmung war das obige
aber keine schlechte Übung. Nun sollte zum Beispiel telnet localhost eine telnet-Verbindung
aufbauen und Ihnen den Login-Prompt Ihres Systems geben.
Die Konfiguration von Ethernet-Schnittstellen geht fast genauso vonstatten wie eben. Man braucht
nur ein paar Parameter mehr, um auch Subnetze verwenden zu können.
Im Zwergenwald wird vom Klasse-B-Netz nur ein C-Subnetz verwendet. Um dies dem Interface
mitzuteilen, sieht der ifconfig-Aufruf so aus:
ifconfig eth0 172.20.20.2 netmask 255.255.255.0
oder unter Verwendung des Namens aus /etc/hosts:
ifconfig eth0 doc netmask 255.255.255.0
Dies weist des Interface eth0 die IP-Adresse von doc (172.20.20.2) zu. Hätte man die Netzmaske
weggelassen, wäre sie von ifconfig aus der Netzklasse der Adresse abgeleitet worden, was den
inkorrekten Wert von 255.255.0.0 ergeben hätte. Ein schneller Test ergibt jetzt:
ifconfig eth0
eth0
Link encap 10Mps Ethernet HWaddr 00:00:C0:90:B3:42
inet addr 172.20.20.2 Bcast 172.20.20.255 Mask 255.255.255.0
UP BROADCAST RUNNING MTU 1500 Metric 1
RX packets 0 errors 0 dropped 0 overrun 0
TX packets 0 errors 0 dropped 0 overrun 0
229
ifconfig hat die Broadcast-Adresse (im Bcast-Feld angezeigt) automatisch auf den passenden Wert
gesetzt, nämlich die Netzwerknummer mit einem Hostteil, bei dem alle Bits auf eins gesetzt sind.
Außerdem wurde die maximale übertragungseinheit (MTU = Maximum Transmission Unit, die
maximale Größe der IP-Pakete) auf das Ethernet-spezifische Maximum von 1.500 Bytes eingestellt.
Wie bereits bei der Loopback-Schnittstelle muß noch eine Route eingetragen werden. Für den
Zwergenwald gilt:
route add -net 172.20.20.0
Damit ist eine Route definiert, die alle Pakete, die ans Netz 172.20.20.0 gerichtet sind an die
Ethernetkarte schickt. Das weiß das System, weil die Ethernetkarte ja die Adresse 172.20.20.2 hat,
also die gleiche Netzadresse. Dieser Befehl ist bei modernen Versionen von ifconfig unnötig
geworden, weil diese Route eben automatisch bei der Konfiguration angelegt wird.
Vielleicht haben Sie bemerkt, daß die Angabe des Interface fehlt. Der Kernel prüft alle bisher
konfigurierten Interfaces und vergleicht das Zielnetz (in unserem Fall 172.20.20.0) mit der
Netznummer der Interface-Adresse, d.h. dem bitweisen UND der Interface-Adresse und der
Netzmaske. Die einzige Schnittstelle, bei der diese beiden Werte übereinstimmen, ist eth0.
Die Option -net ist nötig, da route sowohl Routen zu Netzwerken als auch zu einzelnen Hosts
einrichten kann. Wenn man route eine IP-Adresse übergibt, versucht das Kommando festzustellen,
ob es sich dabei um eine Host- oder Netzadresse handelt, indem es den Hostteil betrachtet. Ist der
Hostteil null, wird angenommen, daß es sich um eine Netz-Adresse handelt, andernfalls ist es eine
Hostadresse. Deshalb würde route in unserem Beispiel davon ausgehen, daß 172.20.20.0 eine
Hostadresse ist (Netz: 172.20.0.0, Host: ...20.0). Da ein Subnetz verwendet wird, braucht das routeKommando den Parameter "-net".
Unter Verwendung des Eintrags in /etc/networks wird das Kommando einfacher:
route add zwergenwald
Nun sollte man überprüfen, ob das Ethernet tatsächlich arbeitet. Wählen Sie irgendeine bereits
konfigurierte Maschine auf Ihrem lokalen Ethernet, z.B. grumpy, und geben Sie folgenden Befehl ein:
# ping grumpy
PING grumpy: 64 byte packets
64 bytes from 172.20.20.1: icmp_seq=0. time=10. ms
^C
----doc.zwerge.local PING Statistics----
230
4 packets transmitted, 4 packets received, 0 packets lost
Wenn ping keinerlei Antwort bekommt, sollten Sie die Schnittstellenkonfiguration mit netstat
überprüfen. Die Paketstatistiken, die ifconfig ausgibt, geben an, ob überhaupt Pakete über das
Interface übertragen wurden. Zusätzlich sollten Sie auf beiden Maschinen mit route die RoutingInformationen überprüfen. Wenn Sie route ohne weitere Parameter aufrufen, gibt es die RoutingTabellen aus. Die Option -n sorgt dafür, daß es Adressen numerisch anstelle der symbolischen
Hostnamen darstellt:
route -n
Kernel routing table
Destination Gateway Genmask
127.0.0.1 *
172.20.20.0 *
Flags Metric Ref Use Iface
255.255.255.255 UH 1
255.255.255.0 U
1
0 112 lo
0 10 eth0
Die Spalte "Flags" enthält eine Liste von Flags für jedes Interface. U ist für aktive Schnittstellen immer
gesetzt. Ein Flag H in dieser Spalte besagt, daß die Zieladresse einen einzelnen Host bezeichnet.
Wenn eine eingetragene Route benutzt wird, ändert sich der Wert im Use-Feld ständig.
Bisher wurde eine Maschine auf einem isolierten Ethernet eingerichtet (z.B. in einem Heimnetz). Der
Regelfall ist allerdings, daß mehrere Netze durch Gateways miteinander verbunden sind (man will ja
auch "nach draußen"). Diese Gateways verbinden zwei oder mehrere Ethernets miteinander, oder sie
stellen das Tor zum Internet bereit. Um einen Gateway zu nutzen, muß der Netzwerkschicht
zusätzliche Routing-Informationen zur Verfügung stehen.
Zum Beispiel sind die Ethernets des Zwergenwaldes und des Feenreichs durch solch ein Gateway
miteinander verbunden, nämlich doc, der bereits konfiguriert sei. Auf allen Maschinen des
Zwergenwaldes muß nur noch eine weitere Route eingetragen werden, die angibt, daß alle
Maschinen im Netzwerk der Feen über doc erreichbar sind. Der entsprechende Aufruf von route sieht
so aus (sofern feenreich in /etc/networks eingetragen wurde):
route add feenreich gw doc
Dabei gibt gw an, daß das folgende Argument ein Gateway bezeichnet. Natürlich muß jedes System
im Feen-Netz, zu dem Sie Verbindung aufnehmen wollen, einen analogen Routing-Eintrag für das
Zwergen-Netz haben. Sonst könnten Sie nur Daten vom Zwergen-Netz an das Feen-Netz senden, die
Rechner im Feen-Netz wären aber zu keiner Antwort fähig.
Das war nun ein Gateway, das Pakete zwischen zwei isolierten Netzen befördert. Nehmen Sie nun an,
daß doc außerdem eine Verbindung ins Internet hat. Dann wäre es wünschenswert, daß Pakete für
beliebige Zieladressen, die nicht im Zwergen-Netz liegen, an doc weitergereicht werden. Das erreicht
man, indem doc zum Default-Gateway wird:
route add default gw doc
route add default gw 172.20.20.1
oder
bei Angabe der IP-Adresse
231
Die Netzwerkadresse default ist eine Abkürzung für 0.0.0.0, die Default-Route. Sie paßt zu jeder
Zieladresse und wird immer dann benutzt, wenn keine andere eingetragene Route paßt.
Es ist ziemlich einfach, eine Maschine als Gateway einzurichten. Nehmen wir an, wir befänden uns
wieder auf doc, der mit zwei Ethernet-Karten ausgestattet ist, die jeweils mit einem der beiden Netze
verbunden sind. Man muß nur beide Schnittstellen getrennt konfigurieren und ihnen eine Adresse
auf dem jeweiligen Subnetz zuzuweisen. Dabei ist es recht nützlich, zusätzlich zum offiziellen
Hostnamen doc zwei Namen für die beiden Schnittstellen in /etc/hosts zu definieren:
172.20.20.1
doc.zwerge.local doc doc-if1
172.20.21.1
doc-if2
Mit diesen Einträgen lautet die Befehlsreihenfolge für die Einrichtung der beiden Interfaces:
ifconfig eth0 doc-if1 ...
route add feenreich
Damit Pakete überhaupt zwischen den verschiedenen Netzwerkschnittstellen vermittelt werden,
bedarf es in neueren Kerneln des Kommandos
echo '1' > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
Wenn es dann nicht funktioniert, überprüfen Sie, ob Ihr Kernel mit Unterstützung für IP-Forwarding
übersetzt wurde.
Sie brauchen nicht einmal eine zweite Netzwerkkarte, denn es gibt sogenannte "Device-Aliase". Dies
sind virtuelle Geräte, die mit der gleichen physischen Hardware verbunden sind, jedoch gleichzeitig
aktiviert werden können, um unterschiedliche IP-Adressen zu haben. Sie werden normalerweise mit
dem Gerätennahmen gefolgt von einem Doppelpunkt und einer Zahl dargestellt (zum Beispiel
eth0:1). Wenn Sie einen Alias verwenden, können weder das Interface noch der Alias zur
Verwendung von DHCP konfiguriert werden. eth0:1 ist der erste Alias für eth0. Der zweite Alias hätte
den Namen eth0:2, usw. Die Befehle um beide Netze über eine Netzwerkkarte zu routen, würden
lauten:
ifconfig eth0:1 doc-if2 ...
route add feenreich
Die Fehlermeldungen des route-Kommandos sind relativ kryptisch. Bei Linux kann - im Gegensatz zu
anderen Unixen - die Metrik-Angabe entfallen. Man kann mehrere Routen zu einem Ziel (mit
identischer Netzmaske) eingeben, sofern jeweils ein anderer Gateway angegeben wird.
232
Fehlermeldungen des route-Kommandos:
•
SIODELRT ist eine Fehlermeldung beim Löschen einer Route (DELeting a RouTe)
•
SIOADDRT ist eine Fehlermeldung beim Anlegen einer Route (ADDing a RouTe)
SIOCADDRT: Network is unreachable
route add default gw 1.2.3.4
Die angebene Adresse gehört nicht zum eigenen Netzwerk und so kann der Rechner keine Pakete
dorthin weiterleiten.
SIOCADDRT: File exists
Die angegebene Route existiert bereits.
SIOCADDRT: No such device
Es wurde das Schlüsselwort gw vor der Default-Gateway-Adresse vergessen; also nicht:
route add -net 10.2.2.76/24 10.1.1.22
sondern:
route add -net 10.2.2.76/24 gw 10.1.1.22
SIOCDELRT No such process
Versuch, eine Route zu löschen, die nicht existiert.
SIOCADDRT: Operation not supported by device
Es wurde das Schlüsselwort gw oder die Gateway-Adresse vergessen; also nicht:
route add -net 10.0.0.0/8 10.1.1.254 oder
route add -net 172.23.24.128/25
sondern:
route add -net 10.0.0.0/8 gw 10.1.1.254 oder
route add -net 172.23.24.128/25 gw 10.1.1.22
SIOCADDRT: Operation not permitted
Sie arbeiten nicht mit root-Berechtigung.
SIOCADDRT: Invalid argument
Falsche Kommandosyntax (z.B. vergessene Netzmaske); also nicht:
route add -net 10.2.2.0 gw 10.1.1.254 oder
route del -net 172.23.0.0
sondern:
route add -net 10.2.2.0 netmask 255.255.255.0 gw 10.1.1.254 oder
route add -net 10.2.2.0/24 gw 10.1.1.254 bzw.
route del -net 172.23.0.0/16 oder
route del -net 172.23.0.0 netmask 255.255.0.0
route: netmask doesn't match route address
233
Die Netzmaske passt nicht zur Host- und Gateway-Adresse.
route: netmask 00ffffff doesn't make sense with host route
Meist wurde der Parameter -net vergessen. Das Kommando nimmt dann an, dass man eine HostRoute angeben will. Oder man hat bei einer Host-Route eine Netzmaske angegeben.
addr: Unknown host
Meist wurde eine falsche Netzmaske angegebn, die das Kommando falsch interpretiert.
route: bogus netmask 255.255.255.25
Die Netzmaske ist falsch angegeben worden (z.B. '25' oder '2555' statt '255').
Anmerkung: Die Syntax des route-Kommandos variiert von System zu System.
Offene Ports und Anwendungen finden mit netstat
Ein offener Port im Status "Listen" ist ein potientielles Einfallstor für Eindringlinge. Auch Trojaner
installieren gerne "Backdoors" und öffnen dazu einen freien Port. Daher ist es sehr zu empfehlen,
sich von Zeit zu Zeit die offenen Ports seiner Systeme anzusehen.
Für eine Kontrolle der offenen Ports ruft man "netstat -nlp" auf.
netstat -npl
Proto Recv-Q Send-Q Local Address
Foreign Address State PID/Program name
tcp
0
0 72.139.238.24:80 0.0.0.0:*
LISTEN 25671/apache
tcp
0
0 72.139.238.24:21 0.0.0.0:*
LISTEN 16417/ftpd
tcp
0
0 72.139.238.24:22 0.0.0.0:*
LISTEN 1345/sshd
tcp
0
0 72.139.238.24:25 0.0.0.0:*
LISTEN 26007/exim4
tcp
0
0 72.139.238.24:443 0.0.0.0:*
LISTEN 1022/apache-ssl
Das System zeigt mit diesen Parameter nur Ports im Status "Listen" an. Zusätzlich wird in der letzten
Spalte die Prozessnummer und der Name des zuständigen Dämons angezeigt. Alternativ kann unter
Linux auch das Kommando "lsof" benutzt werden. Mit dem Aufruf
lsof -i | grep -e LISTEN
wird ebenfalls eine Liste der Ports im Status "Listen" angezeigt.
Einsatz von nmap
Zur Kontrolle der offenen Ports eines Host über das Netzwerk benötigt man einen Portscanner, z.B.
nmap von Fyodor. Der Portscanner nmap kennt eine Unmenge von Optionen. Für einen ersten Scan
nach offenen TCP-Ports wird lediglich der Parameter "-sT" und die IP-Adresse des Zielsystems
benötigt. Damit scannt nmap alle well know TCP-Ports (1-1024) und alle Ports aus der Datei
etc/services.
234
nmap -sT 192.168.1.1
Starting nmap 3.20 ( www.insecure.org/nmap/ ) at 2004-10-16 23:17 CEST
Interesting ports on Router (192.168.1.1):
(The 1610 ports scanned but not shown below are in state: closed)
Port
State
80/tcp open
Service
http
Nmap run completed -- 1 IP address (1 host up) scanned in 6.533 seconds
Der hier untersuchte IP-Host bietet einen Dienst an: HTTP auf TCP-Port 80. Auf der Maschine läuft
also höchstwarscheinlich ein Webserver. Um alle TCP-Ports von 1 bis 65535 zu untersuchen ruft man
nmap mit den Optionen "-sT -p 1-65535" auf. Mit der Option "-sU" sucht nmap nach offenen UDPPorts. UDP-Scanning ist allerdings oftmals sehr langsam. Ursache hierfür ist eine Begrenzung der
Anzahl der ICMP-Meldungen die ein Host pro Zeiteinheit versendet. Viele Systeme begrenzen die
ICMP-Meldungen nach RFC 1812. nmap erkennt dieses Verhalten und arbeitet entsprechen
langsamer um keine Meldungen zu verlieren.
tcpdump
Wenn Probleme in einem Netz auftauchen, so kann mit Hilfe des Programms "tcpdump" jedes
einzelne Paket des Netzes protokolliert und analysiert werden. Dazu wird die Netzwerkkarte in den
promisquous-mode geschaltet. "tcpdump" zeigt jetzt die empfangenen Paket-Header an und
ermöglicht so eine Diagnose der aufgetretenen Fehler. Die Anwendung ist ziemlich kompliziert und
würde den Rahmen dieses Kapitels sprengen. Es genügt, zu wissen, daß es dieses Programm gibt und
daß es folgendermaßen aufgerufen wird.
tcpdump -i Interface
Damit werden alle Pakete des genannten Interfaces abgehört. Das Interface wird mit seinem
symbolischen Namen angegeben, also beispielsweise eth0.
tcpdump hat eine eigene Art Abfragesprache, die Befehle ermöglicht wie
tcpdump host blackhole
Zeigt nur Pakete an den oder vom Rechner blackhole.
tcpdump host doc and grumpy
Zeigt nur Pakete, die zwischen den Rechnern doc und grumpy ausgetauscht werden.
Die ARP-Tabelle
235
Bei einigen Netzproblemen kann es aufschlußreich sein, einen Blick auf die ARP-Tabelle des Kernels
zu werfen oder sie sogar zu verändern. Die Kommandozeilenoptionen von ARP lauten:
arp [-v] [-t hwtype] -a [hostname]
arp [-v] [-t hwtype] -s hostname hwaddr
Alle hostname-Argumente können als symbolische Hostnamen oder als IP-Adressen angegeben
werden.
Der erste Aufruf gibt den ARP-Eintrag für die angegebene IP-Adresse bzw. Hostnamen aus. Fehlt
hostname, werden Informationen über alle bekannten Hosts ausgegeben. Zum Beispiel ergibt die
Ausgabe von arp auf www.netzmafia.de etwa folgendes:
arp
Address
129.187.206.254
HWtype HWaddress
Flags Mask Iface
ether 00:04:DE:FE:78:00 C
eth0
ns.e-technik.fh-muenche ether 00:07:E9:24:EC:15 C
eth0
proxy1.e-technik.fh-mue ether 00:07:E9:24:EC:15 C
eth0
web1.e-technik.fh-muenc ether 00:07:E9:24:EB:F5 C
eth0
Die Ausgabe kann mit der -t-Option auch auf bestimmte Hardwaretypen beschränkt werden. Als
Argument geben Sie ether, ax25 oder pronet an, was für 10 Mbps Ethernet, AMPR AX.25 und IEEE
802.5 Token Ring steht.
Die Option -s dient dazu, die Hardwareadresse von hostname manuell in die ARP-Tabelle
einzutragen. Das Argument hwaddr spezifiziert die Hardwareadresse, die normalerweise als
Ethernet-Adresse aus sechs Byte in hexadezimaler Notation angegeben ist. Sie können solche
Adressen auch bei anderen Hardwaretypen verwenden, wenn Sie zusätzlich die Option -t angeben.
Die Festverdrahtung von Hardwareadressen im ARP-Cache ist eine drastische Maßnahme, um
Maschinen aus Ihrem Ethernet daran zu hindern, sich als jemand anderes auszugeben.
Wenn Sie arp mit der Option -d aufrufen, entfernt es alle Einträge für einen bestimmten Host. Es
kann dazu benutzt werden, das Interface anzuweisen, eine bereits angeforderte Hardwareadresse
einer IP-Adresse nochmals anzufordern, und ist besonders dann nützlich, wenn ein fehlerhaft
konfiguriertes System falsche ARP-Informationen sendet (natürlich muß zuerst das fehlerhafte
System erneut konfiguriert werden).
236
12.
Höhere Protokolle
In diesem Abschnitt werden beispielhaft einige höhere Protokolle für Internet-Dienste skizziert.
Bemerkenswert ist, daß viele dieser Protokolle aus wenigen Anweisungen in lesbarem Klartext
bestehen. Der Grund hierfür ist unter anderem, daß man diese Protokolle zum Testen einer
Verbindung durch eine Telnet-Verbindung auf einem bestimmten Port (z. B. 80 für HTTP) von Hand
nachvollziehen kann. Durch den Klartext ist auch die Fehlersuche bei einer Verbindung ohne großen
Aufwand und ohne spezielle Tools möglich. Die vorgestellten Protokolle werden hier nicht bis ins
Detail ausgebreitet, es soll Ihnen nur eine Vorstellung über die Arbeitsweise der Internet-Protokolle
vermittelt werden.
12.1 DHCP und RADIUS
DHCP
Um in einem IP-basierten Netzwerk Kontakt mit anderen Rechnern aufnehmen zu können, benötigt
jeder Computer eine eigene, eindeutige IP-Nummer. Je größer das Netzwerk wird und je mehr
verschiedene Rechnerplattformen darin vereint sind, desto höher ist der Aufwand für den
Administrator: Wann immer ein neuer Rechner in das Netzwerk integriert wird, muß er zuerst
konfiguriert werden. Ändert einer der zentralen Server seine Adresse oder wird er auf eine andere
Maschine verlegt, müssen alle Netzwerk-Client umkonfiguriert werden. Einen zweiter Aspekt bringen
sogenannte "nomadische" Systeme, z. B. Laptops, die irgendwo ins Netz eingebunden werden sollen.
Dabei bieten sich verschiedene Zugangsmöglichkeiten für Rechner in das Intranet:
•
Anschluß über einen Ethernet-Hub oder -Switch
•
Zugang durch drahtlose Netze (und evtl. einen Router zum drahtlosen Subnetz)
•
Zugang vom Internet über eine Firewall
•
Modemzugang über einen Modemserver
Günstig wäre es, wenn der Zugang eines Rechners zum Netz folgenden Anforderungen genügen
würde:
•
automatisiert, d. h. ohne manuellen Eingriff
•
authentifiziert, d. h. nur zugelassene Systeme erhalten Zugriff
•
vollständig (Netz-, System- und Anwendungskonfiguration)
•
standardisiert, d. h. für alle Systeme in einheitlicher Form
Eine Lösung für dieses Problem bietet DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol). Dieser Dienst
ermöglicht es, einem Client dynamisch eine IP-Nummer und andere Netzwerkparameter, wie den
Netzwerknamen, die Gatewayadresse, etc., zuzuweisen, ohne daß der Administrator den Rechner
überhaupt zu Gesicht bekommt. DHCP ist dabei völlig unabhängig von der eingesetzten Plattform.
Das heißt, es kann sowohl Windows-Maschinen wie auch zum Beispiel Unix-Rechner mit den
237
Netzwerkeinstellungen versorgen. Um ein Mindestmaß an Verfügbarkeitsanforderungen zu erfüllen,
sollte natürlich mehr als nur ein DHCP-Server vorhanden sein, da sonst dessen Ausfall die Funktion
sämtlicher Clienten beeinträchtigt.
Das in RFC 2131 definierte Protokoll DHCP arbeitet nach dem Client-Server-Modell. Als Server wird
ein Programm bezeichnet, das den Pool der zu vergebenden Nummern verwaltet und sich darum
kümmert, daß eine Nummer nicht zweimal vergeben wird. Der Client ist ein Programm auf dem
lokalen Rechner, das zunächst den Server selbsttätig im Netz suchen muß und ihn anschließend
darum bittet, eine IP-Nummer zuzuteilen. Die Grundfunktion des Servers ist recht einfach aufgebaut:
über eine Konfigurationsdatei teilt der Administrator ihm mit, welche Adreßbereiche er für die
Weitergabe an Client zur Verfügung hat. Fragt ein Client nach einer IP-Adresse, dann muß der Server
zunächst nachsehen, ob noch eine Adresse frei ist. Diese freie IP-Nummer liefert er an den Client aus.
Gleichzeitig muß er eine Datei (Leases-File) führen, in der er protokolliert, welche Adresse bereits an
wen vergeben ist. Bei der Adreßvergabe sind drei verschiedene Modi einstellbar:
•
Automatic Allocation: Fordert ein Client eine IP-Nummer an, wird sie ihm auf unbegrenzte
Zeit zugeteilt, solange noch Adressen zur Verfügung stehen. Sind alle Adressen verbraucht,
kann kein neuer Client mehr konfiguriert werden, auch wenn ein Teil der zuvor bedienten
Rechner im Moment gar nicht eingeschaltet ist.
•
Manual Allocation: In dieser Betriebsart geht es nur darum, Verwaltungsaufwand zu
minimieren. In der Konfigurationsdatei ist für jeden Client im Netzwerk eine IP-Nummer fest
zugeordnet. Der Server ist lediglich für die Auslieferung der Adresse an den Client
verantwortlich.
•
Dynamic Allocation: Jeder Client bekommt auf Anfrage eine IP-Nummer, solange im
definierten Pool noch Einträge frei sind. Der Unterschied gegenüber der Automatic Allocation
besteht darin, daß die IP-Nummer nur für eine bestimmte, maximale Zeitspanne (LeaseTime) gültig ist und vom Client innerhalb dieser Zeit zurückgegeben werden kann, wenn sie
nicht mehr benötigt wird. Als einzige der drei Betriebsarten erlaubt Dynamic Allocation,
kleine IP-Nummern-Pools mit einer großen Anzahl von Rechnern zu teilen. Einzige
Voraussetzung: nicht alle Maschinen dürfen gleichzeitg laufen. Damit lassen sich auch
Computer, die eher selten ins Netzwerk integriert werden, wie Laptops, zuverlässig mit einer
IP-Nummer versorgen. Wird der Rechner vom Netz getrennt, kann die Adresse für eine
andere Station verwendet werden. In dieser Betriebsart werden die meisten DHCP-Server
betrieben.
DHCP ist eine Erweiterung des BOOTP-Protokolls und konkurriert in seiner Basisfunktionalität mit
RARP. Gegenüber BOOTP zeichnet es sich vor allem durch die Flexibilität bezüglich der abfragbaren
Konfigurationsparameter und durch das Konzept der Lease aus, d. h. die Möglichkeit eine
Information dem Client gegenüber als nur begrenzt gültig zu markieren. Damit wird die Flexibilität
bei Veränderungen der Netztopologie und weiterer Konfigurationsparameter gewahrt. Ferner ist die
Unterstützung von großen Netzen, in denen nichts stets alle Systeme zugleich aktiv sind, mit
limitierten Pools von Adressen möglich. Durch die Rückwärtskompatibilität zum PDU-Format von
BOOTP ist die Verwendung existierender BOOTP-Relay-Agents in Subnetzen ohne DHCP-Server
gewahrt.
238
Beim Start des Systems schickt der Client ein DHCPDISCOVER-Paket in Form eines Broadcasts an
255.255.255.255 (Phase 1). Anhand der Identifikation des Client im Paket können sich einige (oder
ein einzelner) DHCP-Server entscheiden, dem Client die gewünschte IP-Adresse sowie andere
Konfigurationsinformation in Form eines DHCPOFFER-Pakets zuzuteilen. (Vor der Vergabe können
und sollten die Server die Konfliktfreiheit bzgl. der Adresse mittels ICMP-Ping oder ARP prüfen.) Der
Client kann sich in Phase 2 aus den Antworten eine für ihn geeignete aussuchen und bestätigt dies
gegenüber dem Server durch ein DHCPREQUEST-Paket (Phase 3). Entscheidungsparameter können
z.B. die Leasedauer (t l ) oder die Menge der angebotenen Konfigurationsinformation. Bei korrekter
Information im DHCPREQUEST bestätigt der Server die Lease durch ein DHCPACK-Paket, womit die
Konfiguration abgeschlossen ist Bevor die IP-Adresse verwendet wird, sollte der Client ihre
Einzigartigkeit durch ein Gratuitious ARP prüfen. Sollte der Client die angebotene Adresse ablehnen
wollen, teilt er dies durch DHCPDECLINE-Paket dem Server und beginnt nach einer kurzen Wartefrist
erneut mit Phase 1. Sobald der Client die Bestätigung durch DHCPACK erhalten hat, ist er für die
Überwachung der Lease-Dauer selbst verantwortlich. Insbesondere kennt das Protokoll auch keine
Methode, einem Client die Lease zu entziehen. Vor Ablauf der Lease-Dauer (meist nach der Hälfte
der Zeit = 0,5 * tl ) sollte der Client durch einen erneuten Durchgang durch Phase 3 versuchen, die
Lease vom selben DHCP-Server verlängert zu bekommen. Gelingt ihm das nicht, kann er vor
endgültigem Ablauf der Lease-Dauer (meist nach ca. 0,8 * tl ) die Phase 1 nochmals durchlaufen, um
eine Verlängerung bzw. Neuausstellung der Lease (eventuell von einem anderen Server) zu erhalten.
Die vorzeitige Aufgabe einer Lease sollte der Client dem Server durch ein DHCPRELEASE mitteilen, um
den Pool freier Adressen möglichst groß und den Vergabestand im Server möglichst akkurat zu
halten. Alle Zustandsübergänge im Client sind in folgender Abbildung zusammengefaßt. Die
Komplexität hat in der Vergangenheit zu einigen Fehlimplementierungen mancher Client-Software
geführt, die jedoch aufgrund der großen "Toleranz" im Protokoll meist keine kritischen Auswirkungen
hatten.
239
Der Vorgang "Lease erneuen" kann beliebig oft wiederholt werden, solange der Client die Adresse
noch braucht und der Server nichts dagegen hat. Unter Umständen verweigert der DHCP-Server die
Erneuerung. Falls die gewünschte Adresse für den DHCP-Server inakzeptabel ist, schickt er dem Client
ein ablehnendes DHCPNAK. Der Client beginnt dann von Neuem.
Was passiert, wenn der Client den DHCP-Server nicht mehr erreichen kann, der ihm seine IP-Adresse
zugeteilt hat? Bevor sein Lease verfällt, soll der Client den DHCPREQUEST nicht mehr direkt an den
DHCP-Server schicken, sondern es broadcasten. Somit hören alle DHCP-Server wieder mit. Wenn
Failover richtig funktioniert, wird der Backup-Server jetzt das Lease erneuen. Kommt hingegen keine
Antwort oder nur ein DHCPNAK, muß der Client wieder von vorne beginnen, und ein DHCPDISCOVER
broadcasten usw. Das ist insofern schlecht, als er nun höchstwahrscheinlich eine ganz andere IPAdresse bekommt. Bestehende Verbindungen, die noch die alte IP-Adresse verwenden, müssen
abgebaut werden.
Es darf natürlich nicht jeder beliebige Rechner Zugang zum LAN erhalten. Deshalb kann der DHCPServer auch eingeschränkt werden - bis hin zu einer Liste von "erlaubten" MAC-Adressen. Man kann
auch eine gemischte Versorgung der Rechner im Netz vorsehen, teils mit festen IP-Adresse (z. B.
Server mit "Außenwirkung"), teils mit dynamisch zugewiesenen Adressen.
Remote-Zugang mit RADIUS
Der Zugang zum Netz über Wählleitungen (analoges Telefon, ISDN, xDSL) erfolgt normalerweise über
einen oder mehrere Remote Access Server (RAS), in Einzelfällen auch über einen Rechner mit
angeschlossenem Modem, ISDN-Karte oder xDSL-Anschluß. Deren Aufgabe ist es, ankommende
digitale oder analoge Anrufe entgegenzunehmen, eine Benutzerauthorisierung durchzuführen und,
falls diese erfolgreich war, die Verbindung des anrufenden Rechners mit dem internen Datennetz
freizugeben. Der ferne Rechner verhält sich dann so, als ob er direkt am Datennetz angeschlossen
wäre. Als Übertragungsprotokoll wird in der Regel PPP (Point to Point Protokoll, erlaubt IP- und IPXVerbindungen), SLIP (Serial Line Internet Protokoll, veraltet, nur für IP-Verbindungen) und ggf. ARAv2
(Apple Remote Access Version 2) angeboten.
Ein spezieller Terminalserver-Modus gestattet es, sich mit einem normalen Terminalprogramm (z.B.
Hyperterminal, Kermit, usw.) auf dem Access-Server anzumelden und von dort aus
Telnetverbindungen aufzubauen. IP-Adressen werden normalerweise aus einem IP-Adresspool
vergeben. Oft werden auch "virtuelle Verbindungen" unterstützt. Diese erlauben den physikalischen
Abbau von Verbindungen, wenn gerade keine Daten übertragen werden, ohne daß die logische
Verbindung verloren geht. Die Verbindung wird automatisch mit den gleichen Parametern wie vorher
wieder aufgebaut, wenn Daten wieder
übertragen werden müssen.
Für die standardisierte Authentifizierung am
Modem- und Internetzugang setzt sich
zunehmend das RADIUS-Protokoll (Remote
Authentication and Dial-In User Service)
durch. Seine Client-Proxy-Server-Architektur
erlaubt die flexible Positionierung an
Netzzugangspunkten und wird von fast allen
Herstellern von Modemservern unterstützt. In
240
Kombination mit DHCP und PPP ist die Aufgabe der Konfiguration der anwählenden Endsysteme in
automatisierter Weise gelöst. Der Radius-Server ist ein zentraler Authentifizierungs-Server, an den
sich alle RA-Server wenden. Auf diese Weise lassen sich unabhängig von der Netz-Infrastruktur alle
Remote-User zentral verwalten und Benutzerprofile mit Zugangsrestriktionen definieren, aber auch
zusätzliche Sicherheitsverfahren vorsehen. Beispielsweise kann festgelegt werden, dass der Nutzer
nur nach einem Rückruf durch den Einwahlknoten an eine zuvor vereinbarte Rufnummer Zugriff auf
das Unternehmensnetzwerk bekommen darf. Diese Informationen übergibt der Radius-Server an den
RA-Server, der das weitere Login entsprechend koordiniert. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in den
einmalig generierten Zugangsdaten der Nutzer, die auch in verteilten Netzwerken jederzeit aktuell
verfügbar sind und mit einfachen administrativen Eingriffen an zentraler Stelle definiert und
verändert werden können. Darüber hinaus ist die innerbetriebliche Abrechnung der Nutzung des
Systems durch ein entsprechendes Accounting möglich.
Das Radius-Protokoll setzt auf UDP auf. Die Struktur eines Radius-Pakets ist ausgesprochen einfach.
Es besteht aus fünf grundlegenden Elementen: einem Radius-Code, einem Identifier, einer Angabe
zur Paketlänge, einem Authenticator und gegebenenfalls aus einer Reihe von Attributen. Der RadiusCode beschreibt die Aufgabe des Datenpakets.
Aufbau des Radius-Pakets
Die Codes 1, 2 und 3 verwalten den reinen Access vom Request bis zur Bestätigung oder Abweisung.
Die Codes 4 und 5 dienen dem Accounting. Der Identifier ist acht Bit lang und dient der Zuordnung
von Anfragen und Antworten. Das sicherheitstechnisch wichtigste Feld eines Radius-Rahmens ist der
Authenticator, der eine Länge von 16 Oktetts beziehungsweise vier 32-Bit-Worten hat. Dabei wird
zwischen dem Request Authenticator und dem Response Authenticator unterschieden. Inhalt des
Request Authenticators ist eine Zufallszahl, die das gesamte Feld ausfüllt. Die Länge dieser Zufallszahl
gewährleistet mit einer sehr hohen Wahrscheinlichkeit die Einmaligkeit dieses Wertes. Damit bietet
das System einen gewissen Schutz vor Hackerattacken. Mit dem Versand des Request Authenticators
werden die Zugangsdaten des Nutzers, der sich im gesicherten Netzwerk anmelden möchte, als
Attribute übergeben. Der Radius-Server wird diese Anfrage entweder mit einer Access-Accept-,
Access-Reject- oder Access-Challenge-Nachricht beantworten, die ihrerseits mit einem 16 Oktett
langen Response Authenticator versehen ist. Dieser ist ein MD5-Hash-Fingerprint setzt sich
zusammen aus dem empfangenen Radius-Paket einschließlich der Attribute sowie den geheimen
Zugangsdaten, die auf dem Server abgelegt sind, zusammensetzt. Die Attribute eines Radius-Pakets
beinhalten alle wichtigen Informationen, die zwischen dem RAS und dem Radius-Server ausgetauscht
werden müssen.
241
Attribute sind sehr einfach aufgebaut
Attribute werden in einer Liste mit variabler Länge im Anschluss an den Authenticator übertragen. In
den Attributen können natürlich Nutzernamen und Passwörter, aber auch IP-Adresse, Service-Typen,
Status-Meldungen, Filter-IDs und - wichtig beim CHAP - ein entsprechender Challenge-Wert
übergeben werden. Attribute werden in Datensätzen variabler Länge übertragen, die jeweils aus drei
Feldern bestehen. Das erste aus acht Bit bestehende Feld benennt die Art des Attributes. Da nicht
nur die Liste aller Attribute, sondern auch jeder einzelne Datensatz selbst in der Länge variabel ist,
gibt das zweite Oktett die Länge des Attributes an. Erst ab dem dritten Oktett werden die
eigentlichen Informationen übertragen.
Im einfachsten Fall wird ein Radius-Request mit einer Legitimierung des Nutzers oder dessen
Abweisung beantwortet. Dazu folgt auf dem Access-Request eine Access-Accept- oder eine AccessReject-Nachricht vom Radius-Server. Die Art der Antwort wird mit dem Radius-Code angezeigt. Das
Verfahren harmonisiert mit PAP und CHAP.
12.2 SMTP
Der urspüngliche Standard für SMTP - niedergelegt im RFC 821 - stammt aus dem Jahr 1982 und gilt,
abgesehen von einigen Erweiterungen, nach wie vor. Dieser RFC 821 legte ein Minimum an
Schlüsselworten fest, die jede Implementation von SMTP (d. h. die Verkörperung von SMTP in einem
Programm) beherrschen muß. Dies sind:
Kommando Argument
Beschreibung
HELO
Systemname
Beginn, Name des sendenden Systems
MAIL
From: Absenderadresse
Beginn der Übermittlung
RCPT
To: Empfängeradresse
Adressat der E-Mail
DATA
Brieftext, Ende durch eine Zeile mit "."
HELP
Topic
Hilfestellung
VRFY
Mailadresse
Mailadresse verifizieren
EXPN
Mailadresse
Mailadresse expandieren (z. B. Liste)
RSET
Senden abbrechen, Zurücksetzen
NOOP
nichts tun
QUIT
Verbindung beenden
Die Verbindung eines MTA zu einem anderen läßt sich nachstellen:
telnet lx-lbs.e-technik.fh-muenchen.de smtp
242
Trying 129.187.106.196...
Connected to lx-lbs.e-technik.fh-muenchen.de.
Escape character is '^]'.
220 lx-lbs.e-technik.fh-muenchen.de Smail3.1.28.1 #1 ready at Sun,
25 Feb 96 23:15 MET
helo www.netzmafia.de
250 lx-lbs.e-technik.fh-muenchen.de Hello www.netzmafia.de
mail from: paulsen@fitug.de
250 ... Sender Okay
rcpt to: holm@lx-lbs.e-technik.fh-muenchen.de
250 ... Recipient Okay
data
354 Enter mail, end with "." on a line by itself
Hallo Holm,
zu Deiner Frage bezeglich der Reinigung von Morgensternen
wollte ich Dir nur den Tip geben, dazu reine Kernseife zu
verwenden.
Damit ist die Drecksarbeit im Handumdrehen erledigt.
Beste Gruesse, Paulsen
.
250 Mail accepted
quit
221 lx-lbs.e-technik.fh-muenchen.de closing connection
Connection closed by foreign host.
Beim Verbindungsaufbau meldet sich der lokale MTA mit einer "Begrüßungszeile". Der lokale
empfangende MTA wird mit "HELO" angesprochen und als sendender MTA der des Systems
www.netzmafia.de angegeben. Der lokale MTA antwortet mit einem Zahlencode, der dem SenderMTA signalisiert, daß seine geforderte Aktion in Ordnung geht. Die Klarschrift nach dem Zahlencode
dient nur der besseren Lesbarkeit für den Menschen (z. B. für den, der Fehler suchen muß). Auf
"MAIL FROM:" folgt die Adresse des Absenders, und auf "RCPT TO:" die des Empfängers. Auf das
Schlüsselwort "DATA" folgt schließlich der ganze Brief, also sowohl die Kopfzeilen, als auch der Text.
Der Empfänger-MTA wird solange Text erwarten, bis ihm der Sender-MTA über eine Zeile, die nur
einen Punkt enthält, signalisiert, daß der Brief zu Ende ist. Nach der letzten Bestätigung des
Empfänger-MTAs könnte der Sender den nächsten Brief übermitteln, wiederum beginnend mit
"MAIL FROM:". Nach dem Empfang des Briefes kopiert der lokale MTA den Brief in die Postfach-Datei
des Empfängers.
Der RFC 821 legte noch einige weitere Schlüsselworte fest, z. B. "EXPN" für expand, welches eine
Unterstützung von Mailing-Listen erlaubt, oder "VRFY" für verify, mittels dessen eine Bestätigung der
Empfänger-Adresse gefordert werden kann. Eine ganze Reihe von RFCs haben den Standard für SMTP
erweitert. Die erweiterte Version heißt nun offiziell ESMTP (für Extended SMTP). Hinzugekommen
sind beispielsweise Schlüsselworte für die Unterstützung von 8bit-Briefen (z. B. solche mit
Umlauten), und die Möglichkeit eine maximale Größe für Briefe, die empfangen werden, festzulegen.
Auf Arbeitsplatzrechnern, die normalerweise nicht ständig eingeschaltet sind, erfordert E-Mail
spezielle Betriebsweisen. Falls der Rechner in ein lokales Netz integriert ist, bietet sich eine Lösung
über den Netzwerkserver oder einen speziellen Mail-Server an. Es gibt auch die Möglichkeit, direkt
vom PC-Kompatiblen oder Macintosh auf eine Unix-Mailbox zuzugreifen. Voraussetzung dafür ist,
daß der Arbeitsplatzrechner direkt mit TCP/IP am Ethernet angeschlossen ist oder über eine ModemVerbindung per PPP-Protokoll angebunden ist. Die Mailer sind lokale Programme am PC oder Mac.
Der Vorteil ist, daß man in der PC-Umgebung bleibt, und Dateien direkt aus dem PC-Directory-System
versandt werden können. Die Mailbox des Benutzers liegt dabei selbst auf einem Mail-Server
243
(Postfach). Der Zugriff vom PC auf das Mailsystem des Servers wird über den Client/ServerMechanismus realisiert. Protokolle, die dieses erlaubt, sind POP ('Post Office Protocol') und IMAP
('Internet Message Access Protocol').
12.3 POP
POP, genauer POP 3, ist die bisher noch gebräuchlichste Methode, um E-Mails von einem Provider zu
empfangen, wenn der eigene Rechner nicht ständig mit dem Internet verbunden ist. Das Prinzip und
der Funktionsumfang von POP sind einfach:
•
Die für den Empfänger bestimmten E-Mails landen beim Provider im Spool-Verzeichnis und
müssen dort vom Empfänger abgeholt werden.
•
Der Provider stellt einen POP-Server zur Verfügung, welcher die Schnittstelle des POP-Clients
auf dem Empfänger-Rechner darstellt. Der lokale POP-Client kommuniziert mit dem POPServer beim Provider. Über ihn werden die vorhandenen E-Mails angeboten.
Eine Kommunikation zwischen dem POP-Client und dem POP-Server beim Provider kann schematisch
beispielsweise so aussehen :
Client: Hast Du neue E-Mails für mich?
Server: Ja, insgesamt fünf Stück!
Client: Liste mir die Absender auf!
Server: Meier, Mueller, Huber, Schulze
Client: Zeige die E-Mails an!
Server: ((Zeigt E-Mails an))
Client: ((Speichert E-Mails ab))
Client: Lösche alle angezeigten E-Mails
Server: ((Löscht alle angezeigten E-Mails))
Wenn ein Client über POP3 Nachrichten abrufen möchte, baut er eine TCP-Verbindung über Port 110
auf. Ist die Verbindung zustande gekommen, sendet der Server eine Begrüßungsmeldung. Die
weitere Kommunikation zwischen beiden Rechnern erfolgt über Kommandos, die aus drei oder vier
Zeichen langen Wörtern (mit einem oder mehreren Argumenten mit bis zu je 40 Zeichen) bestehen.
Antworten enthalten einen Status-Indikator und ein Statuswort sowie optionale Informationen. Es
gibt zwei Status-Indikatoren:
•
Positiv: +OK
•
Negativ: -ERR
Eine POP3-Verbindung durchläuft mehrere Stufen. Nach der Server-Begrüßung beginnt der
"Authorization State". Der Client muß sich gegenüber dem Server identifizieren. Nach erfolgreicher
Authorisierung beginnt der "Transaction State". Es werden alle Operationen zum Bearbeiten von
Mails ausgeführt. Sendet der Client das Kommando QUIT, beginnt der "Update State". Der Server
beendet die TCP-Verbindung und führt die vom Client im "Transaction State" angeforderten
Änderungen durch.
244
Viele POP3-Server haben zusätzlich einen Inaktivitäts-Timer. Laut Spezifikation muß dieser auf
mindestens zehn Minuten eingestellt sein. Jedes Kommando des Clients setzt den Timer zurück. Ist
der Timer abgelaufen, wird die TCP-Verbindung beendet, ohne in den "Update State" zu wechseln eventuelle Änderungen werden auf dem Server nicht gespeichert.
Nachdem der POP3-Client eine Verbindung zum Server aufgebaut hat, sendet dieser eine einzeilige
Begrüßungsmeldung beliebigenInhalts, z. B.:
Server: +OK POPEL-3 server ready
Dabei handelt es sich bereits um eine Antwort des Servers, daher beginnt die Meldung immer mit
einer positiven Bestätigung (+OK). Die Verbindung befindet sich nun im Zustand "Authorization". Der
Client muß sich jetzt gegenüber dem Server identifizieren. Dies erfolgt über die beiden Kommandos
USER und PASS.
Kommandos im "Authorization State"
Kommando Argument Beschreibung
USER
Name
Das Argument identifiziert eine Mailbox.
PASS
String
Der String enthält ein Mailbox-spezifisches Passwort.
QUIT
-
Beendet die Verbindung.
Die Kombination aus den Kommandos USER und PASS ist am gebräuchlichsten. Dabei werden die
jeweiligen Parameter im Klartext an den Server gesendet. Ein Beispiel: Der Username für das
Postfach soll "plate", das Passwort "XYZ1230" heißen. In diesem Fall wird folgender
Authentifizierungsdialog ablaufen:
Client: USER plate
Server: +OK name is a valid mailbox
Client: PASS YXZ1230
Server: +OK plates's maildrop has 9 messages (1600 octets)
Bei falschen Angaben verweigert der Server den Zugang und gibt eine Fehlermeldung aus. Mögliche
Dialoge bei falschem Usernamen:
Client: USER plato
Server: -ERR sorry, no mailbox for plato here
Oder bei einem falschen Passwort:
Client: USER plate
Server: +OK name is a valid mailbox
245
Client: PASS tralala
Server: -ERR invalid password
Die Tatsache, daß alle Dialoge im Klartext über das Netz abgewickelt werden, birgt ein hohes
Sicherheitsrisiko. Mit dem Kommando APOP sieht die aktuelle POP3-Definition eine wesentlich
sicherere Option zur Authentifizierung vor. Diese beschreibt in einem Kommando den User und
identifiziert ihn mit einer Einweg-Hash-Funktion.
Hat sich der Client beim Server identifiziert, wechselt die Verbindung in den "Transaction State". Dem
Client stehen nun eine Reihe von Kommandos zur Behandlung der Mails zur Verfügung:
Kommandos im "Transaction State"
Kommando Argument Beschreibung
STAT
-
Liefert die Anzahl der gespeicherten Mails und die Größe
der Mailbox zurück (in Byte).
LIST
Nummer Liefert die Nummer und Größe (in Bytes) aller Mails
zurück. Wird als Argument eine Mail-Nummer
angegeben, wird nur die Größe dieser Mail ausgegeben.
RETR
Nummer Gibt die Mail mit der als Argument übergebenen
Nummer aus.
DELE
Nummer Löscht die Mail mit der übergebenen Nummer.
NOOP
-
Bewirkt die Antwort "+OK". Dient zur Aufrechterhaltung
der Verbindung, ohne daß ein Time-Out auftritt.
RSET
-
Setzt die aktive Verbindung zurück. Noch nicht
ausgeführte Änderungen werden verworfen.
QUIT
-
Beendet die Verbindung und führt alle gespeicherten
Änderungen aus.
Der Server führt das Kommando DELE nicht unmittelbar aus. Die entsprechenden E-Mails werden als
gelöscht markiert und erst bei Beenden der Verbindung endgültig vom Server gelöscht. Hat man eine
Nachricht zum Löschen gekennzeichnet, möchte dies jedoch rückgängig machen, führt man das
Kommando RSET aus. Der Server verwirft alle noch nicht ausgeführten Operationen.
Sendet der Client das QUIT-Kommando, wechselt die Verbindung in den "Update State". Der Server
trennt die TCP-Verbindung und führt alle gespeicherten Änderungen aus.
Neben den hier vorgestellten, für eine minimale Implementation ausreichenden Kommandos gibt es
noch weitere, die von den meisten Clients und Servern unterstützt werden. Details hierzu finden Sie
in RFC1725.
246
Im folgenden Beispiel sehen Sie den Ablauf einer POP3-Verbindung. Der Client identifiziert sich
gegenüber dem Server und ruft eine Liste der gespeicherten E-Mails ab. Danach werden die
Nachrichten einzeln heruntergeladen, auf dem Server zum Löschen gekennzeichnet, und die
Verbindung wird beendet.
Server: +OK POP3 server ready
Client: user plate
Server: +OK
Client: pass xyz1230
Server: +OK
Client: LIST
Server: +OK 3 messages (520 octets)
Server: 1 120
Server: 2 190
Server: 3 210
Server: .
Client: RETR 1
Server: +OK 120 octets
Server: <... sendet Nachricht 1>
Server: .
Client: DELE 1
Server: +OK message 1 deleted
Client: RETR 2
Server: +OK 190 octets
Server: <... sendet Nachricht 2>
Server: .
Client: DELE 2
Server: +OK message 2 deleted
Client: RETR 4
Server: -ERR no such message
247
Client: QUIT
Server: +OK
12.4 IMAP
IMAP (genauer: IMAP, Version 4) löst das POP-Verfahren zunehmend ab und wird zum neuen
Standard. Der Unterschied liegt unter anderem in der Funktionalität des IMAP-Verfahrens. Das
Prinzip ist dem POP-Verfahren jedoch sehr ähnlich. Die E-Mails werden wie beim POP-Verfahren
beim Provider zwischengespeichert und können mit einem IMAP-Client auf den eigenen Rechner
kopiert werden. IMAP bietet jedoch zusätzliche Funktionalitäten, die von POP noch nicht angeboten
werden, z. B. kann der Mail-Body getrennt geladen werden, und auch die Attachments lassen sich
getrennt abrufen.
E-Mail-Client und Server tauschen bei IMAP ihre Daten über den TCP-Port 143 aus. Im Gegensatz zu
den Protokollen SMTP und POP muß der Client bei IMAP nicht nach jedem gesendeten Kommando
auf die unmittelbare Antwort des Servers warten. Es können mehrere Befehle hintereinander
versendet werden, die jeweilige Rückmeldung vom Server kann später erfolgen. Dazu wird jedem
Kommando seitens des Client eine Kennung vorangestellt, auch "Tag" genannt, zum Beispiel "X001"
für den ersten Befehl und "X002" für den zweiten. Der Server kann dem Client auf mehrere Arten
antworten: Mit einem Plus-Zeichen am Anfang der Zeile antwortet der Server, wenn er weitere
Informationen zu dem vorangegangenen Kommando erwartet. Er signalisiert dem Client gleichzeitig
seine Empfangsbereitschaft. Steht dagegen ein Sternchen am Anfang der Zeile, sendet der Server
weitere Informationen an den Client zurück.
Die Antwort eines Servers kennzeichnet den Erfolg oder Fehler eines Kommandos:
•
OK (Kommando erfolgreich ausgeführt),
•
NO (Fehler beim Ausführen) oder
•
BAD (Protokoll-Fehler: Kommando unbekannt oder Syntax-Fehler).
Die Antwort enthält denselben Tag wie das zugehörige Kommando, damit der Client erkennt,
welcher Response welchem Befehl gilt. Wie bei POP durchläuft eine IMAP-Verbindung mehrere
Sitzungsstufen:
•
Non-Authenticated State: Unmittelbar nach dem Aufbau der Verbindung. Der User muß sich
gegenüber dem Server identifizieren.
•
Authenticated State: Der User hat sich erfolgreich identifiziert und muß nun eine Mailbox
auswählen.
•
Selected State: Eine Mailbox wurde ausgewählt. Mailbox und Mails lassen sich bearbeiten.
•
Logout State: Die Verbindung wird beendet; der Server führt noch anstehende Tätigkeiten
aus.
Der "Non-Authenticated State" stellt mehrere Möglichkeiten zur Identifizierung des Anwenders zur
Verfügung. Es gibt in diesem Zusatand folgende Kommandos:
248
Kommandos im "Non-Authenticated State"
Kommando
Argument
Beschreibung
AUTHENTICATE AuthentifizierungsMechanismus
Das Kommando bestimmt den
Authentifizierungs-Mechanismus, zum
Beispiel "Kerberos" oder "S/Key". Details
zu den Authentifizierungs-Mechanismen
finden Sie in RFC1731.
LOGIN
Identifiziert den Anwender über
Benutzername und Passwort.
Name/Passwort
Beispiel für eine Authentifizierung mit dem LOGIN-Kommando:
Client: X001 LOGIN PLATE XYZ1230
Server: X001 OK LOGIN completed
Im "Authenticated State" hat sich der User authentifiziert und muß nun eine Mailbox auswählen,
welche in dieser Sitzung bearbeitet werden soll. Dazu stehen unter anderem folgende Kommandos
zur Verfügung:
Wichtige Kommandos im "Authenticated State"
Kommando Argument
Beschreibung
SELECT
Mailbox-Name
Wählt eine Mailbox zur weiteren
Bearbeitung aus. Als erfolgreiche Antwort
sendet der Client Informationen zur
gewählten Mailbox, wie beispielweise die
Anzahl der gespeicherten Nachrichten.
EXAMINE
Mailbox-Name
Identisch mit dem Kommando SELECT.
Jedoch wird die Mailbox als "read-only"
ausgewählt, es sind keine dauerhaften
Änderungen möglich.
CREATE
Mailbox-Name
Erstellt eine Mailbox mit dem als Argument
übergebenen Namen.
DELETE
Mailbox-Name
Löscht die als Argument übergebene
Mailbox.
249
RENAME
Bestehender
Mailbox-Name /
Neuer MailboxName
Ändert den Namen einer Mailbox.
Beispiel: Löschen einer Mailbox:
Client: X324 DELETE TRALALA
Server: X234 OK DELETE completed
Im "Selected State" gibt es viele Kommandos zum Bearbeiten einer Mailbox:
Wichtige Kommandos im "Selected State"
Kommando Argument
Beschreibung
CLOSE
-
Entfernt alle zum Löschen gekennzeichneten
Mails und setzt die Verbindung in den
Authenticated State zurück.
EXPUNGE
-
Entfernt alle zum Löschen gekennzeichneten
Mails, die Verbindung bleibt im Selected
State.
SEARCH
ein oder mehrere
Suchkriterien
Erlaubt die Suche nach bestimmten
Nachrichten in der aktuellen Mailbox. Das
Kommando unterstützt logische
Verknüpfungen.
FETCH
Gewünschte
Daten einer
Nachricht
Bewirkt das Senden von Daten einer
Nachricht vom Server zum Client.
Beispiel: Suchen einer Nachricht. Ergebnis sind die Nummern der entsprechenden Mails:
Client: X246 SEARCH SINCE 1-NOV-2001 FROM "ADAM"
Server: * SEARCH 2 84 882
Server: X246 OK SEARCH completed
Beendet der Client mit dem Kommando LOGOUT die Verbindung, wechselt der Server in den
"Update State" und führt noch anstehende Arbeiten aus.
Es gibt eine Reihe weiterer Befehle im "Authenticated State" und "Selected State", die in RFC2060
nachzulesen sind.
250
Im abschließenden Beispiel sehen Sie den Ablauf einer IMAP4-Verbindung. Der Client identifiziert
sich gegenüber dem Server, wählt eine Mailbox aus und lädt den Header einer Nachricht herunter.
Server: * OK IMAP4 Service Ready
Client: X001 login plate XYZ1230
Server: X001 OK LOGIN completed
Client: X002 select inbox
Server: * 12 EXISTS
Server: * FLAGS (\Answered \Flagged \Deleted \Seen \Draft)
Server: * 2 RECENT
Server: * OK [UNSEEN 11] Message 11 is first new message
Server: * OK [UIDVALIDITY 2905753845] is first new message
Server: X002 OK [READ-WRITE] SELECT completed
Client: X003 fetch 9 rfc822.header
Server: * 9 FETCH (RFC822.HEADER {346}
Server: Date: mon, 11 Mar 2002 09:23:25 -0100 (MET)
Server: From: plate <plate@netzmafia.de>
Server: Subject: Schulung Netzwerke am Donnerstag
Server: To: <schulung@ee.fhm.edu>
Server: Message-Id: <20020311104452.GH1474.plate@netzmafia.de>
Server: Mime-Version: 1.0
Server: Content-Type: TEXT/PLAIN; CHARSET=iso-8859-1
Server: )
Server: X003 OK FETCH completed
Client: X004 LOGOUT
Server: * BYE IMAP4 server terminating connection
Server: X004 OK LOGOUT completed
Nachdem der Mail-Client über TCP eine Verbindung zum SMTP-Server aufgebaut hat, wartet er auf
einen Begrüßungstext des Servers. Im nächsten Schritt identifiziert sich der Client mit dem
Kommando LOGIN, als Argument übergibt er den Benutzernamen und das Passwort. Nach dem
Auswählen der Mailbox sendet der Server einige Informationen, z. B. die Anzahl der ungelesenen
251
Nachrichten. Mit dem Kommando FETCH fordert der Client den Header der Nachricht 9 an. LOGOUT
beendet die Verbindung.
Bei Inbetriebnahme eines POP- bzw. IMAP-Clients (Outlook, Pegasus Mail, Netscape) muß dieser
zunächst konfiguriert werden. Wichtige Angaben sind:
•
Domainname des POP- bzw. IMAP-Servers, d.h. Systems, auf dem die eigentliche Mailbox
liegt.
•
Benutzernummer auf diesem System
•
Paßwort für diese Benutzernummer
•
für den Versand: Angabe des SMTP-Mail-Relayhosts
POP/IMAP dient nur zum Abholen der Post vom Mail-Server. Der Versand von E-Mail vom PC oder
Mac aus geschieht ganz normal mit SMTP (Simple Mail Transfer Protocol).
12.5 FTP
Ein weiterer zentraler Dienst in einem Intranet, der besonders dem Transport von Dateien auf andere
Systeme dient, ist das File-Transfer-Protokoll. Die Besonderheit des Protokolls liegt in den getrennten
Kanälen für die Daten und die Steuerung. Im RFC 959 ist für FTP TCP-Port 20 als Steuerungskanal und
TCP-Port 21 als Datenkanal festgelegt. FTP verwendet als Transportprotokoll immer TCP, da dieses
bereits einen sicheren Datentransfer garantiert und die FTP-Software sich nicht darum zu kümmern
braucht. FTP besitzt eine eigene Kommandooberfläche, die interaktiv bedient wird. Der Aufruf dieses
Filetransferprogrammes erfolgt durch das Kommando ftp.
Die Vorteile von FTP liegen in den effizienten Verfahren zur Übertragung von Dateien beliebigen
Formats und der Tatsache, daß der Zugriff seitens beliebiger Internet-Teilnehmern möglich ist.
Andererseits kann bei größeren Archiven schnell die übersicht verlorengehen, wenn die
Datenbestände nicht vernünftig sortiert sind. Bei umfangreichen Dateibäumen ist hingegen die
Navigation durch die Verzeichnisse eine zeitraubende Angelegenheit. Es werden weiterhin zwei
Betriebsmodi unterschieden:
•
Benutzerspezifisches FTP
•
Anonymous-FTP
In beiden Fällen ist es möglich, Verzeichnisse einzusehen und zu wechseln, sowie Dateien zu
empfangen und zu senden. Der Unterschied liegt in den Privilegien, die ein Benutzer besitzt.
Während im ersten Fall der User eine Zugangsberechtigung zum System benötigt, so verfügt ein
Gastzugang nur über eine eingeschränkte Sicht auf den Datenbereich des Servers, was als einfacher
Sicherheitsmechanismus anzusehen ist.
252
Der Kommandoaufruf des FTP-Kommandos lautet
ftp [ -v ] [ -d ] [ -i ] [ -n ] [ -g ] [ host ]
Wird beim Programmaufruf der gewünschte Kommunikationspartner (host) mit angegeben, so wird
sofort versucht, eine Verbindung zu diesem Rechensystem aufzubauen. Ist der Versuch erfolglos, so
wird in den Kommandomodus umgeschaltet. Der Prompt "ftp>" erscheint immer auf dem Bildschirm,
wenn ftp-Kommandos eingegeben werden können. ftp verfügt über einen help-Mechanismus, über
den sämtliche auf dem jeweiligen System verfügbare Kommandos mit Kurzerklärungen abfragbar
sind.
Nachfolgend werden wesentliche Kommandos nach Funktionalität gruppiert vorgestellt. Kommandos
können soweit verkürzt eingegeben werden, als sie noch eindeutig erkennbar sind. Enthalten
Kommandoargumente "Blanks", so sind die Argumente beidseitig mit Hochkommas eingeschlossen
einzugeben. Nicht alle ftp-Implementierungen unterstützen alle ftp-Kommandos.
•
help [ kommando ]
zeigt kurze Informationen zu dem angegebenen Kommando. Wird das Kommando
weggelassen, zeigt dieser Aufruf eine Liste der zulässigen Kommandos.
•
open host
Öffne einer Verbindung zu einem fernen Host. Je nach angewähltem System werden
Benutzerkennung und Passwort abgefragt.
•
user user-name [ password ]
Eingabe von Benutzerkennung und Passwort.
253
•
!
Aufruf einer (eingeschränkten) Shell auf dem lokalen System. Für Dateiübertragung relevante
Kommandos wie mkdir, mv, cp, etc sind absetzbar. Verlassen wird diese Shell mit "exit".
•
lcd [directory ]
Wahl des lokalen Directories für die Dateiübertragung.
•
pwd
Anzeige des aktuellen Directories auf dem entfernten System.
•
cd remote-directory
Wahl des aktuellen Directories auf dem entfernten System.
•
cdup
Wechsel in das nächsthöhere Directory auf dem entfernten System.
•
dir [ remote-directory [ local-file ] ]
ls [ remote-directory [ local-file ] ]
Ohne Optionen erfolgt eine Anzeige der Einträge des entfernten aktuellen Directories. Dabei
liefert dir ausführliche und ls eine knappe Information bezüglich des Directory-Inhalts.
Bei Angabe des remote-directory erfolgt die Anzeige der Einträge des entfernten Directories.
Wird local-file angegeben, erfolgt eine Umlenkung der Directory-Anzeige in die Datei localfile auf dem lokalen System.
•
mdir remote-files [ local-file ]
mls remote-files [ local-file ]
Anzeige von Dateien aus dem entfernten aktuellen Directory und Abspeicherung in eine
lokale Datei.
•
mkdir directory-name
Einrichten eines neuen Directories directory-name auf dem entfernten System.
•
rmdir directory-name
löscht das Directory directory-name auf dem entfernten System.
•
rename [ from ] [ to ]
Umbenennen einer Datei auf dem entfernten System von from nach to.
•
delete remote-file
Löschen der Datei remote-file auf dem entfernten System.
•
mdelete remote-files
Löschen mehrerer Dateien remote-files auf dem entfernten System.
•
put local-file [ remote-file ]
send local-file [ remote-file ]
Dateiübertragung der Datei local-file vom lokalen zum entfernten System. Wird remote-file
nicht angegeben, so wird auch auf dem Zielsystem der Dateiname local-file verwendet.
254
•
append local-file [ remote-file ]
überträgt die Datei local-file vom lokalen System an das entfernte System und hängt diese
am Ende der Datei remote-file an. Wurde remote-file nicht angegeben, wird die Datei ans
Ende der Datei local-file auf dem entfernten System angehängt.
•
mput local-files
Dateiübertragung einer Dateigruppe namensgleich vom lokalen zum entfernten System.
•
get remote-file [ local-file ]
recv remote-file [ local-file ]
Dateiübertragung einer Datei remote-file vom entfernten System zum lokalen System. Wird
local-file nicht mitangegeben, so erhält die Datei auch auf dem lokalen System den
Dateiname remote-file.
•
mget remote-files
Dateiübertragung einer Dateigruppe namensgleich vom entfernten zum lokalen System.
•
ascii
type ascii
Die Dateiübertragung findet im ASCII-Code statt. Gegebenfalls werden bei Binärdateien
Zeichen verändert (z. B. die Zeilenendedarstellung ans Zielsystem angepaßt) oder Zeichen
verfälscht.
•
binary
type image
type binary
Die Dateiübertragung findet transparent statt.
•
case
Mit diesem Schalter läßt sich einstellen, ob Dateinamen beim Empfangen (get, recv, mget)
von Großbuchstaben nach Kleinbuchstaben übersetzt werden sollen.
•
glob
Mit diesem Schalter läßt sich einstellen, ob bei den Kommandos mdelete, mget und mput bei
Dateinamen, die Metazeichen (*?[]~{}) enthalten, diese Metazeichen übertragen werden
oder nicht. ("off" = keine Metazeichenbehandlung).
•
ntrans [ inchars [ outchars ] ]
Definition und Aktivierung einer Übersetzungstabelle für Dateinamen, wenn beim
Dateiübertragungsauftrag (Senden und Empfangen) keine Zieldateinamen angegeben
werden. Zeichen eines Dateinamens, die in inchars zu finden sind, werden durch das
positionsgleiche Zeichen in outchars übersetzt. Ist inchars länger als outchars, so werden die
korrespondenzlosen Zeichen von inchars aus dem Zieldateinamen entfernt.
•
prompt
Mit diesem Zeichen wird bei Mehrdateienübertragung gesteuert, ob jede zu übertragende
Datei extra quittiert werden muß oder nicht.
255
•
verbose
Wenn der "verbose"-Modus eingeschaltet ist, erhält man für jede übertragene Datei den
Dateinamen auf dem lokalen und entfernten Rechner, sowie die Datenmenge und die dafür
benötigte Übertragungszeit angezeigt.
•
bell
Dieser Schalter bewirkt, daß je nach Stellung am Ende jedes Dateiübertragungsauftrages ein
akustisches Signal ertönt oder nicht.
•
status
Anzeige der aktuellen logischen Schalterstellungen sowie des Verbindungszustandes.
•
close
disconnect
Beendigung einer aktiven Verbindung.
•
quit
Beendigung des Programmes ftp.
•
bye
Beendigung einer aktiven Sitzung und des Programmes ftp.
Die optionalen Parameter beim ftp-Kommando setzen logische Schalter für den ftp-Programmlauf.
Im Kommandomodus sind die Einstellungen jederzeit wieder änderbar.
•
-v verbose-Schalter einschalten.
•
-d debug-Schalter einschalten.
•
-i interactive-Modus für Mehrdateiübertragung einschalten.
•
-n verhindert, daß FTP zum Beginn der Sitzung einen Login-Versuch unternimmt.
•
-g glob-Schalter einschalten.
Die Datei-Übertragung wird durch die Terminal "interrupt"-Taste (üblicherweise Ctrl-C) abgebrochen,
was einen sofortigen Abbruch zur Folge haben soll. Nicht alle Kommunikationspartner verstehen die
Abbruchaufforderung, wodurch dennoch die gesamte Datei übertragen wird.
Dateinamen, die als Argumente von FTP-Kommandos Verwendung finden, werden wie folgt
bearbeitet: Ist "file globbing" eingeschaltet, werden bei den Kommandos mget, mput und mdelete
die Namen lokaler Dateien folgendermaß behandelt:
•
Der * steht für eine beliebige Anzahl (auch Null) von Zeichen.
•
Das ?steht für ein einziges beliebiges Zeichen.
•
Wird im Dateinamen eine Zeichenfolge angetroffen, die zwischen eckigen Klammern oder
zwischen geschweiften Klammern steht, so sind alle Dateinamen zutreffend, die an dieser
Stelle ein einziges beliebiges Zeichen aus der Zeichenfolge innerhalb der Klammern
enthalten.
256
•
Steht die Zeichenfolge ~/ (Tilde, Schrägstrich) am Beginn des Dateinamens, so wird sie durch
den Home-Directory-Pfad ersetzt. Das Zeichen ~, dem eine Benutzerkennung folgt, wird
durch den Home-Directory-Pfad dieser Benutzerkennung ersetzt.
Kommandos und Protokoll-Anweisungen:
ftp-Client
FTP-Protokoll
Aufgabe
login
USER username
PASS password
anmelden
help
help command
HELP
HELP command
Hilfe
SYST
Server-Identifikation
STAT
Transfer-Status
STAT path
wie LIST, über control-Verbindung
dir path
LIST path
Kataloginhalt zeigen, ausführlich
ls path
NLST path
Dateinamen zeigen
delete path
DELE path
Datei löschen
rename from to
RNFR from-path
RNTO to-path
Datei umbenennen
pwd
PWD
Arbeitskatalog zeigen
cd path
CWD path
Katalog wechseln
mkdir path
MKD path
Katalog erzeugen
rmdir path
RMD path
Katalog löschen
ascii
TYPE A N
Textübertragung (Voreinstellung)
binary
TYPE I
Datenübertragung
PORT h,h,h,h,p,p
Port des Klienten für data-Verbindung
status
257
get remote-path
RETR path
Datei zum Klienten übertragen
put local-path
STOR path
Datei zum Server übertragen
append local-path
APPE path
an Datei auf Server anfügen
interrupt
ABOR
_bertragung abbrechen
quit
QUIT
Verbindung beenden
Beispiel
Benutzereingaben sind fett gedruckt.
ftp multimedia.ee.fhm.edu
Verbindung mit multimedia.ee.fhm.edu.
220 ProFTPD 1.2.2rc2 Server [multimedia.e-technik.fh-muenchen.de]
Benutzer (multimedia.ee.fhm.edu:(none)): plate
331 Password required for plate.
Kennwort:
230 User plate logged in.
Ftp> ls
200 PORT command successful.
150 Opening ASCII mode data connection for file list.
tmp
Mail
bin
226 Transfer complete.
Ftp: 36 Bytes empfangen in 0.00Sekunden 36000.00KB/Sek.
Ftp> cd tmp
250 CWD command successful.
Ftp> lcd E:\www-netzmafia\skripten\perl
Lokales Verzeichnis jetzt E:\www-netzmafia\skripten\perl.
258
Ftp> cd /opt/www/skripten/perl
250 CWD command successful.
Ftp> put perl3.html
150 Opening ASCII mode data connection for perl3.html.
Ftp: 77604 Bytes gesendet in 9.17Sekunden 8.46KB/Sek.
Ftp> put perl4.html
150 Opening ASCII mode data connection for perl4.html.
Ftp: 30930 Bytes gesendet in 3.24Sekunden 9.55KB/Sek.
Ftp> quit
Active und Passive FTP
Beim FTP-Zugriff werden zwei Modi unterschieden, active und passive FTP. Beim active mode FTP
öffnet der Client eine Verbindung von einem unprivilegierten Port (Portnummer N > 1023) zum
Kommandoport 21 des FTP-Servers. Dann spezifiziert der Client den Port N+1 als Datenport (PORTKommando). Der Server schickt seine Daten an den spezifizierten Port des Client von seinem Port 20
aus. Aus Sicht eines vorgeschalteten Firewall-Systems müssen demnach folgende Ports offen sein:
•
FTP Serverport 21 von allen Ports ausserhalb (Client initiert die Verbindung)
•
FTP Serverport 21 an Ports > 1023 (Server-Antwort auf Kommandos)
•
FTP Serverport 20 an Ports > 1023 (Datenverbindung, Aufbau von Serverseite)
•
FTP Serverport 20 von Ports > 1023 (Datenverbindung, Bestätigung vom Client)
Sperrt ein Firewall im Netz des Client den Verbindungsaufbau von außen, ist keine Datenübertragung
möglich (wohl aber die Kommandoverbindung).
259
Zur Lösung dieses Problems kann der FTP-Client mit dem Befehl PASV in das passive mode FTP
umgeschaltet werden. Der Client initiert nun Kommando- und Datenverbindung. Nach dem
Umschalten in den passiven Modus, bietet der Server einen unprivilegierten Port > 1023 an, den der
Client dann für den Datentransfer ansprechen kann. Aus Sicht eines vorgeschalteten FirewallSystems müssen demnach folgende Ports offen sein:
•
FTP Serverport 21 von allen Ports ausserhalb (Client initiert die Verbindung)
•
FTP Serverport 21 an Ports > 1023 (Server-Antwort auf Kommandos)
•
FTP Serverport > 1023 von überall (Datenverbindung, Aufbau von Clientseite)
•
FTP Serverport > 1023 an Ports > 1023 (Datenverbindung, Bestätigung vom Server)
Wenn auch nun die Probleme auf der Cleintseite gelöst sind, sind sie nun auf der Serverseite
vorhanden. Der FTP-Server muß im Passivmodus alle Verbindungen von anderen Systemen auf Ports
> 1023 zulassen. Um hier die Sicherheit zu verbessern, kann man bei etlichen Serverprogrammen den
Portbereich per Konfiguration einschränken.
Manche FTP-Clients können nicht in den Passivmodus schalten, es bleibt dann nur die Wahl eines
anderen Programms. Dagegen können die Webbrowser im Passivmodus arbeiten (und tun dies meist
per Default).
12.6 HTTP
HTTP ist ein Protokoll der Applikationsschicht, das alle Möglichkeiten der Übertragung von
Hypermedia-Informationen bietet. HTTP ist nicht Hardware- oder Betriebssystemabhängig. Seit 1990
ist dieses Protokoll im Einsatz und wird derzeit meist in der Version 'HTTP/1.1' (seltener 1.0)
verwendet.
Heutige Informationssysteme benötigen weit mehr Funktionen als das einfache Senden und
Empfangen von Nachrichten. Die Entwicklung von HTTP ist nicht abgeschlossen. Es bietet die
Möglichkeit, weitere Funktionalität zu entwickeln. Die Adressierung von Ressourcen erfolgt dabei
260
mittels URls, die zum einen Orte (URL) oder Bezeichner (URN) sein können. Diese zeigen gleichzeitig
den gewünschten Übertragungsmechanismus an. Nachrichten werden in der gleichen Form
übertragen, wie sie auch bei normalem Mail-Transport verwandt werden. Dabei kommt oft MIME
zum Einsatz. HTTP/1.1 ist auch für den Zugriff auf Server mit anderen Protokollen geeignet.
Hauptfunktionen des HTTP
Die grundlegende Funktionsweise des HTTP folgt dem alten Frage-Antwort-Spiel. Ein fragendes
Programm (WWW-Browser) öffnet eine Verbindung zu einem Programm, welches auf Fragen wartet
(WWW-Server) und sendet ihm die Anfrage zu. Die Anfrage enthält, die Fragemethode, die URL, die
Protokollversion, Informationen über den Dienst und möglicherweise etwas Inhalt in Form einer
Nachricht. Der Server antwortet auf diese Frage mit einer Statusmeldung, auf die eine MIME-artige
Nachricht folgt, die Informationen über den Server und eventuell schon das gefragte Dokument
enthält.
Direkt nach Beantwortung der Frage wird die Verbindung wieder abgebaut. So soll erreicht werden,
daß die Leitungskapazitäten geschont werden. Derzeit finden HTTP-Verbindungen meist per TCP/IP
statt. Das soll aber nicht heißen, daß HTTP nicht auch auf anderen Netzwerkprotokollen aufsetzen
kann. Beide Seiten müssen auch dazu in der Lage sein, auf den vorzeitigen Abbruch der
Kommunikation durch die andere Seite zu reagieren. Vorzeitiger Abbruch kann durch Aktionen von
Benutzern, Programmfehler oder Überschreiten der Antwortzeiten ausgelöst werden. Durch den
Abbruch der Verbindung durch eine der beiden Seiten wird der gesamte Vorgang abgebrochen.
Struktur der HTTP-Botschaften
Jede Kommunikation zwischen zwei WWW-Programmen besteht aus HTTP-Botschaften, die in Form
von Anfragen und Antworten zwischen Client und Server ausgetauscht werden. Eine HTTP-Botschaft
(HTTP-Message) kann entweder ein Simple-Request, eine Simple-Response, ein Full-Request oder
eine Full-Response sein. Die beiden zuerst genannten Botschaftstypen gehören zum HTTP/0.9Standard. Die beiden letzten Typen gehören schon zum HTTP/1.0.
Allgemeinfelder des Botschaftskopfes
Jedes der Felder eines HTTP-Botschaftenkopfes weist die gleiche Struktur auf. Im RFC 822 wurde
definiert, daß jedes Feld mit einem Feldnamen und dem Feldinhalt erscheint. Auf den Feldnamen
261
muß unbedingt ein Doppelpunkt folgen. Der Feldname kann alle Zeichen außer dem Doppelpunkt
und der Escape-Sequenzen enthalten. Allgemeinfelder enthalten Informationen wie das Datum, die
Message-ID, die verwendete MIME-Version und ein 'forwarded'-Feld, das angibt, ob das Dokument
eigentlich von einer anderen Adresse stammt.
Anfragen
Bei Anfragen wird zwischen einfachen und komplexen Anfragen unterschieden. Eine einfache
Anfrage besteht nur aus einer Zeile, die angibt, welche Information gewünscht wird. Ein Beispiel:
GET http://www.netzmafia.de/index.html
Dabei wird nur die Methode (GET) und die URL des Dokumentes angegeben. Es werden keine
weiteren Felder erwartet und vom adressierten Server wird auch nur ein ganz einfacher Antwortkopf
zurückgesendet. Es kann aber auch eine komplexere Anfrage erzeugt werden. Dabei muß die Zeile
aus dem obigen Beispiel noch die Version des HTT-Protokolls angehängt werden. In einem Beispiel
würde das folgendermaßen aussehen:
GET http://www.netzmafia.de/index.html HTTP/1.0
Die Anfügung der HTTP-Version ist also der ganze Unterschied zwischen einer einfachen und einer
komplexen HTTP-Anfrage. Der Unterschied zwischen einfacher und komplexer Anfrage wird aus
Gründen der Kompatibilität gemacht. Ein Browser, der noch das alte HTTP/0.9 implementiert hat,
wird nur eine einfache Anfrage losschicken können. Ein neuer Server muß dann eine Antwort, auch
im Format des HTTP/0.9 zurücksenden.
Felder einer komplexen Anfrage
Um die Anfrage näher zu spezifizieren, wurden weitere Felder eingeführt. In den Anfragefeldern
stellen z. B. Informationen über den Server und den benutzten Browser. Weiterhin kann man dort
Informationen über den Gegenstand der Übertragung bekommen. In der folgenden kurzen Übersicht
sind alle möglichen Felder einer Anfrage aufgeführt.
•
Anfragezeile (Request-Line)
Informationsanfrage wie oben geschildert. Die zugehörigen Methoden folgen im nächsten
Abschnitt.
•
Allgemeiner Kopf (General-Header)
Im allgemeinen Kopf werden allgemeine Informationen über die Nachricht übermittelt.
•
Anfragekopf (Request-Header)
In diesen Feldern kann der Browser weitere Informationen über die Anfrage und über den
Browser selbst absetzen. Diese Felder sind optional und müssen nicht erscheinen.
•
Gegenstandskopf (Entity-Header)
In diesem Feld werden Einträge übermittelt, welche den Inhalt der Nachricht näher
beschreiben.
262
•
Gegenstand der Nachricht (Entity-Body)
Vor dem eigentlichen Inhalt muß definitionsgemäß eine Leerzeile stehen. Der Inhalt ist dann
in dem Format codiert, das in den Gegenstandsfeldern definiert wurde (meist HTML).
Fragemethoden
Das an erster Stelle in einer Anfragezeile (Request-Line) stehende Wort beschreibt die Methode, die
mit der nachfolgenden URL angewendet werden soll. Die Methodennamen müssen dabei immer
groß geschrieben werden. Der Entwurf des HTTP-Standards erlaubt leicht eine Erweiterung. Kommen
wir nun zur Bedeutung der einzelnen Methoden.
•
•
GET
Diese Methode gibt an, daß alle Informationen, die mit der nachfolgenden URL beschrieben
werden, zum rufenden Client geholt werden sollen. Zeigt die URL auf ein Programm (CGIScript), dann soll dieses Programm gestartet werden und die produzierten Daten liefern.
Handelt es sich bei dem referenzierten Datum um eine Datei, dann soll diese übertragen
werden. Beispiel:
GET http://www.netzmafia.de/index.html
•
HEAD
Diese Methode ist identisch zur Methode GET. Die Antworten unterscheiden sich nur darin,
daß bei der Methode GET ein komplettes Dokument übertragen wird und bei HEAD nur die
Meta-Informationen gesendet werden. Dies ist nützlich, um Links auszuprobieren oder um
die Erreichbarkeit von Dokumenten zu testen. Bei Anwendung der Methode HEAD wird der
Kopf des referenzierten HTML-Dokuments nach 'link' und 'meta' Elementen durchsucht.
•
POST
Diese Methode wird hauptsächlich für größere Datenmengen verwandt. Man stelle sich vor,
ein HTML-Dokument enthält ein komplexes Formular. Per POST wird dem Server angezeigt,
daß er auch die Daten im Körper der Botschaft bearbeiten soll.
Verwendet, wird es hauptsächlich bei Datenblöcken, die zu einem verarbeitenden Programm
übertragen werden. Die wirkliche Funktion, die durch POST auf dem adressierten Rechner
angestoßen wird, wird durch die URL bestimmt. Meist, sind es CGI-Scripte, die den Inhalt der
Nachricht verarbeiten.
•
PUT
Die mit der Methode PUT übertragenen Daten sollen unter der angegeben URL gespeichert
werden. Das soll ermöglichen, daß WWW-Seiten auch ohne direkten Zugriff auf den
anbietenden Rechner erstellt und angeboten werden können. Wird ein Dokument mit der
Methode PUT übertragen, dann wird unter dieser Adresse ein Dokument mit dem
übertragenen Inhalt angelegt. War die Aktion erfolgreich, wird die Meldung '200 created'
zurückgegeben. Existiert unter dieser Adresse schon ein Dokument, dann wird dieses
überschrieben. War auch diese Aktion erfolgreich, dann wird nur '200 OK' zurückgemeldet.
Der Hauptunterschied zwischen POST und PUT besteht darin, daß bei POST die URL eine
Adresse eines Programmes referenziert, das mit den Daten umgehen kann. Bei PUT hingegen
wird die URL als neue Adresse des Dokumentes gesehen, das gerade übertragen wurde.
263
Meist jedoch ist die Methode PUT ausgeschaltet, weil Server-Betreiber befürchten, daß die
Sicherheit, des Systems dadurch nicht mehr gewährleistet ist.
•
DELETE
Mit dieser Methode kann der Inhalt einer URI (Unified Resource Identifier) gelöscht werden.
Diese Methode ist neben der Methode PUT eine der gefährlichsten. Wenn Server nicht
richtig konfiguriert wurden, dann kann es mitunter vorkommen, daß alle Welt die
Berechtigung zum Löschen von Ressourcen hat.
•
LINK
Mit dieser Methode können eine oder mehrere Verbindungen zwischen verschiedenen
Dokumenten erzeugt werden. Es werden dabei keine Dokumente erstellt, sondern nur schon
bestehende miteinander verbunden.
•
UNLINK
entfernt Verbindungen zwischen verschieden Ressourcen. Dabei wird nur die Verbindung
gelöscht. Die Dokumente existieren trotzdem weiter. Mit diesen Methoden kann man alle
möglichen Ressourcen erreichen, welche die verschiedenen Server zur Verfügung stellen. Die
folgenden Felder beschreiben nun die Fragen etwas genauer. Es kann zum Beispiel
verhindert werden, daß ungewollt umfangreiche Bilder übermittelt werden, wenn dies nicht
gewünscht wird.
Beispiel einer Konversation
Benutzereingaben werden kursiv geschrieben. Das lokale System ist eine Windows-Kiste.
plate@lx3-lbs:~ > telnet www.netzmafia.de 80
Trying 141.39.253.210...
Connected to www.netzmafia.de.
Escape character is '^]'.
GET /index.html HTTP/1.0
HTTP/1.1 200 OK
Date: Mon, 18 Sep 2000 13:59:58 GMT
Server: Apache/1.3.6 (Unix) (SuSE/Linux)
Last-Modified: Tue, 29 Aug 2000 08:08:58 GMT
ETag: "134015-8e8-39ab6f9a"
Accept-Ranges: bytes
Content-Length: 2280
264
Connection: close
Content-Type: text/html
<HTML>
<HEAD>
<TITLE>Netzmafia</TITLE>
</HEAD >
<body bgcolor="#000000" text="#FFFFCC" link="#FFCC00"
alink="#FF0000" vlink="#FF9900">
...
</BODY>
</HTML>
Connection closed by foreign host.
265
13.
Weitverkehrsnetz, VoIP, Powerline, Funknetze
13.1 Übertragungsmedien für Weitverkehrsnetze
Datex-Netz (veraltet)
DATEX-L
DATEX ist eine Abkürzung für "Data Exchange" (Datenaustausch). Das L sagt aus, daß es sich um ein
leitungsvermitteltes Netz handelt, d. h. es wird ein Leitungsweg zwischen zwei
Kommunikationspartnern zur Verfügung gestellt. Beide Partnerstationen müssen in Datenrate, Code
und Protokoll übereinstimmen. Der Vorteil gegenüber dem Telefonnetz liegt im schnellen
Verbindungsaufbau (0.4 - 1 Sekunde). Da heute Datex-L keine Vorteile mehr gegenüber ISDN hat, ist
Datex-L ein auslaufendes Modell.
DATEX-P
Das P steht für "Paket-Vermittlung". Die Daten werden in Form genormter und mit
Adressinformation versehener Datenblöcke (Datenpakete) übertragen. Stationen, die nicht zur
Paketübertragung in der Lage sind, werden über einen Umsetzer (PAD = Packet Assembly
Disassembly) versorgt. Die angeschlossenen Stationen können mit unterschiedlichen Datenraten
arbeiten. Die Paketübertragung selbst erfolgt im Netz mit 64 KBit/s, wobei derzeit das Netz auf 1,92
MBit/s ausgebaut wird. Jedes Datenpaket wird auf dem günstigsten Weg ohne Rücksicht auf die
logische Reihenfolge übertragen. Zwischen zwei über DATEX-P verbundenen Partnern können u. U.
mehrere Übertragungswege existieren. Beim Empfänger wird die korrekte Reihenfolge der Pakete
wiederhergestellt. Inzwischen ist aber der Bedarf an schnellerer Datenübertragung erheblich
gestiegen, so dass als Nachfolgetechnik nun vorzugsweise Frame Relay verwendet wird.
Fernsprechnetze und ISDN/DSL
Das Fernsprechnetz ist das mit Abstand am weitesten ausgebaute Weitverkehrsnetz. Es dient vor
allem zur Übertragung von Telefongesprächen, aber auch für die Datenkommunikation. Das
Telefonnetz ist ein Beispiel für ein Leitungsvermitteltes Netz. Jedem Verbindungskanal steht eine
Bandbreite von 64 kBit/s zur Verfügung. Auf analogen Leitungen (Modem) wird diese Grenze
allerdings nicht erreicht. Die Datenrate kann hier bei bester Leitungsqualität bis zu 56 kBit/s
betragen. Bei einem Zugang über eine Mobilfunkstrecke ist die Bandbreite allerdings noch geringer.
ISDN steht für "Integrated Services Digital Network" = diensteintegrierendes Netz (Siehe auch
Näheres im Modem-Skript). Der ISDN-Basisanschluß bietet zwei Kanäle mit einer Bandbreite 64
kBit/s pro Kanal. Aufgrund der digitalen Übertragungsweise steht diese durchgehend zur Verfügung.
Neben den beiden Basiskanälen steht noch der Signalisierungskanal (D-Kanal) mit 16 kBit/s zur
Verfügung. Dieser wird nur für die Signalisierung genutzt, während die beiden B-Kanäle der
eingentlichen Datenübertragung dienen. Neben dem Standardanschluß mit 64 kBit/s wird noch der
ISDN-Primärmultiplexanschluß (PMxA) PMxA angeboten, der eine Bandbreite von 2 MBit/s bietet.
Der PMxA hat 30 B-Kanäle mit einer Datenrate von jeweils 64 kBit/s. Dazu kommt noch ein D-Kanal,
266
der hier im Unterschied zum ISDN-Ba auch eine Datenrate von 64 kBit/s hat, sowie ein weiterer Kanal
für Rahmenbildung und Rahmenerkennung mit einer Rate von ebenfalls 64 kBit/s.
Die Bandbreite für Modems ist selbst bei gutem Signal/Rausch-Abstand auf analogen
Telefonleitungen ausgereitzt. Jedoch stellen die geringen Übertragungsraten kein Problem der
Kupferadern des Telefonanschlusses bis zur Vermittlungsstelle dar. Das Problem liegt im
Zusammenspiel aller beteiligten Komponenten des Netzes: Der Weg vom Anschluß zur
Vermittlungsstelle, die Übertragungstechnik der Vermittlungsstellen untereinander und der Weg zu
dem Anschluß der angewählt wurde. Ende der 80er Jahre hat man SDSL (Single Line Digital Subscriber
Line) und HDSL (High Data Rate Digital Subscriber Line) entwickelt. So war es nun endlich möglich
kostengünstige 2-MBit-Systeme anzubieten. HDSL hat einige Vorteile gegenüber SDSL: Drei- bis
vierfache Leitungslänge ohne Regeneratoren durch Verwendugn eines andern Leitungsprotokolls und
einer leistungsstarken Echokompensation. Außerdem verursacht HDSL relativ geringe Störungen der
benachbarten Adern, diese können bei SDSL wegen der starken Einstrahlung kaum für andere
Anwendungen (Telefonie) verwendet werden. ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line) und VDSL
(Very High Data Rate Digital Subscriber Line) wurden ebenfalls Anfang der 90er Jahre entwickelt,
hierdurch wird noch mehr Bandbreite zur Verfügung gestellt. Mehr dazu im Modem-Skript.
Frame Relay
Aufgrund des immer breiteren Einsatzes von Glasfaserleitungen ist die Fehleranfälligkeit der
Datenübertragung zurückgegangen. Die Rechenleistung der Endgeräte ist zudem mittlerweile
genügend hoch, um auch Aufgaben der Flußsteuerung und Verbindungsüberwachung zu
übernehmen. Aus diesem Grunde kann hier das Prinzip des "Fast Packet Switching" (schnelle
Paketvermittlung) zum Einsatz kommen. Das Verfahren ist als "Frame Relay" standardisiert worden.
Das Frame-Relay-Verfahren arbeitet mit Datenpaketen variabler Länge, die allerdings ohne
Fehlerkorrektur vermittelt werden. Beim Frame-Relay-Verfahren findet die Datenübertragung über
virtuelle Verbindungen statt. Die zugehörigkeit eines Datenpaketes zu einer virtuellen Verbindung
wird im Paketheader codiert. Hierfür ist das DLCI (Data Link Connection Identifier) Feld vorgesehen,
das insgesamt 10 Bit breit ist. Insgesamt sind maximal 1024 virtuelle Verbindungen gleichzeitig
möglich. Die Zahl der virtuellen Verbindungen wird durch die Anzahl der Bits im Paketheader, die zur
Codierung einer Verbindung dienen begrenzt. Mit 10 Bit können demnach 210 = 1024 virtuelle
Verbindungen dargestellt werden. Effektiv nutzbar sind allerdings nur 976 virtuelle Verbindungen, da
einige DLCI für Sonderaufgaben reserviert sind.
Eine virtuelle Verbindung kann dauerhaft eingerichtete werden oder erst bei Bedarf aufgebaut und
nachher abgebaut werden. Im Falle der dauerhaften Verbindung spricht man von einer "Permanent
Virtual Circuit", abgekürzt PVC, anderenfalls von einer "Switched Virtual Circuit" (SVC). Die SVCs
werden beispielsweise dann eingesetzt, wenn die Verbindung nur selten punktuell genutzt wird. Eine
dauerhafte Verbindung würde in einem solchen Falle nur unnötige Kosten verursachen. Ein Beispiel
hierfür ist z.B. die Anbindung von Telearbeitsplätzen an das Rechnernetz des Betriebes.
Das Frame-Relay-Verfahren ermöglicht zwar einen schnellen Datenaustausch in paktetvermittelten
Datennetzen, doch die Übertragung von Sprache und anderen echtzeitkritischen Datenströmen kann
hiermit nicht erfolgen. Bei der Übertragung eines Datenpaktes ist die Leitung für die Zeit der
Übertragung blockiert; eine begonnene Übertragung eines Paketes kann nicht mehr unterbrochen
werden. Aufgrund der variablen Größe der Datenpaktete bei Frame Relay kann die Übertragung
267
daher eine längere Zeit inanspruch nehmen. Ein Weg dieses Problem zu lösen wäre es, die
Datenpaketgröße drastisch zu reduzieren, wie es z.B. beim ATM-Verfahren festgelegt wurde.
Während das Datex-Netz bis zur Schicht 3 hinauf definiert ist, umfaßt der Standard von Frame-Relay
nur noch die Schichten 1 und 2. Die Eigenschaften in Stichpunkten:
•
Paketorientiertes Protokoll mit variabler Paketlänge
•
Frames werden in derselben Reihenfolge Empfangen wie sie abgeschickt wurden, es ist also
keine Zwischenspeicherung und Sortierung nötig.
•
Keine Empfangsbestätigung, keine Flußkontrolle (bleibt höheren Protokollen vorbehalten).
•
Fehlererkennung, aber keine Fehlerkorrektur.
•
Nur fehlerfreie Frames werden weitergeleitet.
•
Transparente Verbindung
FPS
FPS (fast packet switching) ist ein schneller Paketvermittlungsdienst, bei dem Rahmen fester Länge
vermittelt werden. Die Rahmen werden auch als Zellen bezeichnet, man spricht von
Zellenvermittlung (cell switching). ATM basiert auf FPS. FPS zeichnet sich durch eine variable
Bandbreitenzuordnung aus. Nur die Informationen im Informationsteil (Header) der Zellen sind mit
einer Fehlererkennung ausgestattet. Die Zellen werden wie bei ATM über virtuelle Verbindungen
durch das Netz übertragen (zu virtuellen Verbindungen siehe 'ATM'). Zellen werden ununterbrochen
generiert und übertragen, nicht belegte Zellen werden im Header als 'leer' gekennzeichnet.
ATM
ATM steht für asynchronous transfer mode = asynchrone Übertragungsart. Diese
Hochgeschwindigkeits-Paketvermittlung wurde für Breitband-ISDN (B-ISDN) als Vermittlungstechnik
entwickelt und ist für Daten, Sprache, Text und Bilder gleichermaßen geeignet. Es gilt als die
Technologie der Zukunft. ATM basiert auf FPS (fast packet switching). Dabei werden die Daten zu
Paketen zusammengefaßt und zum Ziel geroutet. Das zuständige Normungs- und
Standardisierungsgremium ist nicht das IEEE, sondern das ATM-Forum. Im folgenden soll die
Funktion von ATM vereinfacht dargestellt werden. ATM arbeitet verbindungsorientiert, d. h. vor der
Übertragung muß eine Verbindung erst geschaltet werden. Wie bei der klassischen Telefontechnik
wird die Verbindung "irgendwie" geschaltet; wenn der kürzeste Weg bereits ausgelastet ist, wird ein
Ausweichweg verwendet (salopp gesagt: Wenn die Strecke Nürnberg-München ausgelastet ist, wird
eben der Weg Nürnberg-Flensburg-München gewählt).
Im Kontrollfeld (Header) werden auch keine expliziten Quell- und Zieladressen angegeben, sondern
ein virtueller Pfad und ein virtueller Kanal.
Ein virtueller Pfad (virtual path, VP) ist eine für kurze Zeit geschaltete Verbindung, die während ihrer
Existenz so aussieht wie eine richtige Festverbindung (Standleitung). Dieser geschaltete Weg durch
das Netz wird als virtuell bezeichnet, weil er nicht permanent fest geschaltet ist, sondern nur für die
kurze Zeit der Datenübertragung.
Zur Kennzeichnung wird ihr ein VPI (virtual path identifier) als Bezeichnung zugeordnet. Ein virtueller
268
Kanal (virtual channel, VC) ist ein Übertragungskanal, der genau wie der virtuelle Pfad nur während
der Datenübertragung existiert. Zur Kennzeichnung wird ihm ein VCI (virtual channel identifier) als
Bezeichnung zugeordnet.
Ein virtueller Pfad besteht aus mehreren virtuellen Kanälen, komplexe Anwendungen können
mehrere virtuelle Kanäle gleichzeitig belegen. Die klassischen Standleitungen enthalten ebenfalls
mehrere Übertragungskanäle, doch können die virtuellen Kanäle bei ATM die virtuellen Pfade
(Leitungen) wechseln. Wenn beispielsweise zwei virtuelle Kanäle auf Pfad 1 ankommen, kann Kanal 1
durchaus auf Pfad 2 und Kanal 2 auf Pfad 1 zum selben Zielnetz geschaltet werden.
•
Bei VP-Switches bleiben die Kanäle den virtuellen Pfaden fest zugeordnet, die Pfade werden
durch das Netz geschaltet.
•
Bei VC-Switches werden die Kanäle über verschiedene Pfade geschaltet. Bei den geschalteten
Verbindungen gibt es zwei wichtige Arten:
o
Eine PVC (permanent virtual circuit = permanente virtuelle Verbindung) bleibt auch
im unbenutzten Fall so lange geschaltet, bis sie wieder gewollt abgebaut wird.
o
Eine SVC (switched virtual circuit = geschaltete vinuelle Verbindung) bleibt nur für die
Dauer der Übertragung geschaltet und wird nach Übertragungsende automatisch
wieder abgebaut.
Bei der Wegewahl wird eine einfache Art des Routings verwendet, um die Datenpakete durch das
Netz zu senden. Der Weg, den das Datenpaket durch das ATM-Netz zurücklegt, besteht dabei aus
drei Hauptabschnitten:
1. Vom Absender zum Switch, an dem der Absender angeschlossen ist.
2. Vermittlung innerhalb des ATM-Netzes von Switch zu Switch.
3. Vom Switch, an dem der Empfänger angeschlossen ist, zum Empfänger.
Als Übertragungsverfahren wird bei ATM das Paketvermittlungsverfahren Cell Relay
("Zellenvermittlung") verwendet. Bei diesen Zellen handelt es sich um Rahmen fester Länge mit 5
Byte Header für Adressierung und Steueranweisungen sowie 48 Byte Nutzdaten, insgesamt also 53
Byte. Dabei wird zwischen zwei unterschiedlichen Zelltypen unterschieden.
•
Die UNI-Zellen (user network interface) werden an der Schnittstelle zwischen Anwender und
ATM-Netz verwendet und besitzen im Header 8 Bit für die Angabe des virtuellen Pfades und
4 Bit für die Flußkontrolle.
•
Die NNI-Zellen (network node interface) werden zwischen den Netzwerkknoten (ATMSwitches) verwendet und besitzen 12 Bit für die Angabe des virtuellen Pfades, jedoch keine
Flußkontrolle.
Die Zellen werden von den Switches an den entsprechenden Trennstellen im ATM-Netz automatisch
umgewandelt. Durch die sogenannte 'cell loss priority', die Verlustpriorität, wird festgelegt, welche
Zellen auch bei sehr hoher Auslastung des Netzes noch unbedingt übertragen werden müssen (z. B.
kritische Daten oder Synchronisationsanweisungen) und welche gegebenenfalls auch verloren gehen
können (z. B. Bildinformation bei Bildtelefonie). Die Fehlerkontrolle bezieht sich nur auf den 5 Byte
269
großen Header, nicht jedoch auf die Daten. Es ist ATM völlig egal, was übertragen wird, wichtig ist
nur wohin und wie. Das ist auch ein Grund für die Schnelligkeit. Die wichtigsten Übertragungsraten
sind 622 MBit/s (Lichtwellenleiter), 155 MBit/s (LWL und Kupferleitungen), 100 MBit/s (LWL und
FDDI) und 26 MBit/s (Kupferleitungen).
ATM kann Datenströme unterschiedlicher Bitraten flexibel übertragen und vermitteln. Die
Übertragungsrate ist skalierbar, d. h. Übertragungsbandbreite wird flexibel bereitgestellt. Jedem
Endgerät kann statisch (also vorab) oder dynamisch (also bei konkretem Bedarf) Bandbreite
zugewiesen werden, die Netzleistung wächst also mit. Durch die transparente Übertragung in den
Zellen werden bei den Netzübergängen keine Gateways benötigt, um von LAN- auf WAN-Protokolle
umzusetzen. ATM ist gleichermaßen für LANs, schnelle Backbones und WANs geeignet.
ATM ist verbindungsorientiert und baut immer eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung auf. Für eine
Übertragung muß also immer eine Verbindung zwischen zwei Stationen geschaltet werden (ATM
basiert auf der Vermittlungstechnik). Klassische LANS sind verbindungslos, jede Station ist zu jeder
Zeit mit allen anderen Stationen fest verbunden, alle teilen sich dasselbe Übertragungsmedium. ATM
als LAN (lokales ATM, L-ATM) benötigt eine LAN-Emulation. So entsteht ein virtuelles Netz, bei dem
das ATM-Netz mehreren Teilnehmern (Geräte/Software) ein nichtexistierendes LAN vorspiegeln
muß. Dabei sind verschiedene Ansätze allerdings noch in Diskussion. Diese LAN-Emulationen arbeiten
alle auf Schicht 2 des ISO-Schichtenmodells, dadurch eignen sie sich für routebare und nicht
routebare Protokolle gleichermaßen. Für die Übertragung von IP-Paketen über ATM haben sich die
nachfolgend beschriebenen 3 Verfahren heute etabliert.
•
CLIP
Dies ist die Abkürzung für "Classical IP". Hier werden die Datenpakete aus unterschiedlichen
Netzen über ATM transportiert. Die Datenpakete aus verschiedenen Netzformen (wie
Ethernet, Token-Ring) können in einem Fall nach der "Logical Link Control Encapsulation"Methode alle über eine virtuelle Verbindung übertragen werden. Die ATM-Zellen werden mit
Header-Informationen über den Protokolltyp des transportierten Datenpaketes versehen.
Zur effizienten Gestaltung des Datentransportes kann auch je Protokolltyp eine virtuelle
Verbindung aufgebaut werden. Das Feld mit der Typangabe für die transportierten Pakete
kann enfallen, so das mehr Raum für Nutzinformationen zur Verfügung steht. Die mittels CLIP
transportierten Datenpakete können allerdings hinsichtlich der IP-Adressen nur immer
innerhalb eines IP-Subnetzes transportiert werden, da hier keine Möglichkeit des Routings
über ATM besteht.
•
LANE
Das LAN-Emulationsverfahren (LANE) simuliert die Abläufe und Funktionen eines
herkömmlichen LAN. Hierdurch kann eine existierendes LAN auf ATM abgebildet werden.
Das emulierte LAN (ELAN) hat eine Client/Serverarchitektur, bei der jedes Endgerät einen
softwareseitigen "LAN Emulation Client" (LEC) besitzt. Dieser unterhält Steuerverbindungen
zu den einzelnen LANE-Servern. Eine Nutzdatenverbindung kann direkt zu den anderen LEC
aufgebaut werden. Daneben kann auch eine Broadcastsendung verschickt werden, indem
einen Nachricht an den "Broadcast and Unknown Server" (BUS) geschickt wird, der diese
Nachricht dann an alle Clients verteilt. Das ELAN wird von einem "LAN Emulation
Configuration Server" konfiguriert. Daneben ist noch ein LAN-Emulations-Server installiert,
der zur Registrierung einzelner Clients und zur Ermittlung von Adressen dient. Die
270
Teilnehmer des emulierten LAN gehören alle zu einem Subnetz. Es besteht mittels LANE
keine Möglichkeit, Datenpakete zwischen einzelnen LANE-Netzen zu routen. Auch die
Garantie einer Dienstgüte ist bei LANE nicht möglich.
•
MPoA
Das "Multiprotocol Encapsulation over ATM"-Verfahren beseitigt die Nachteile der anderen
beiden Verfahren hinsichtlich des Routings zwischen den Subnetzen. Zudem kann hier die
Dienstegüte für einzelne Dienste garantiert werden. Das Netz besteht aus MPoA-Servern und
MPoA-Clients. Die MPoA-Server dienen als virtelle Router, welche die Aufgabe haben, die
Route zum Zielnetz zu ermitteln. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Routern, die auch den
Transport der Daten übernehmen, sind die Router hier allerdings nur für die Wegewahl
zuständig. Die MPoA-Clients bauen mit den Informationen der MPoA-Server die gewünschte
Verbindung auf, und übernehmen den eigentlichen Datentransport.
Gegenüberstellung der Technologien
Telefonnetz
Paketnetz
(Datex, X.25)
Frame-Relay
ATM
schnelle
Vermittlungsprinzi Leitungsvermittlun Paketvermittlun
Zellvermittlun
Paketvermittlun
p
g
g
g
g
Fehlerkorrektur im
nein
Netz
ja
nein
nein
Paketgröße
keine Pakete
variabel
variabel
fest (53 Byte)
mehrere
Verbindungen
gleichzeitig
nein
ja
ja
ja
Durchsatz der
Netzknoten
sehr hoch
mittel
hoch
sehr hoch
Punkt-zu-Punkt-Verbindungen
Bei größeren Entfernungen zwischen zwei Punkten kommen fast ausschließlich Glasfaserleitungen
zum Einsatz. Sie bieten theoretisch mögliche Kapazitäten im TBit/s-Bereich. In der Boom-Phase des
Internet um die Jahrteusendwende vergruben die Telekommunikationsunternehmen zehntausende
Kilometer teures Glasfaserkabel in ganz Europa. Einige Energieversorger sind ins Geschäft mit den
Lichtwellenstrecken eingestiegen und machen sich dabei ihre bestehende Infrastruktur zunutze. Der
Bedarf blieb jedoch hinter den Erwartungen zurück.
271
Quelle: TeleGeography Research, PriMetrica Inc, www.telegeography.com
Angemietet wurden die Lichtwellenleiter von den Providern meist "dunkel" (Dark Fiber), also
unbeschaltet. Wenn ein IP-Carrier neue Punkt-zu-Punkt-Strecken benötigt, kann er bei den DarkFiber-Versorgern Faser(n) anmieten. Der Dark-Fiber-Anbieter verlegt Kabel verschiedener Hersteller.
In einem LEAF-Kabel (Large Effective Area Fiber) beispielsweise stehen 144 Fasern zur Verfügung. Mit
welcher Kapazität der Carrier die Fasern beschaltet, liegt in seinem Ermessen. Die technische
Ausstattung dafür richtet er selbst ein.
Um eine flächendeckende Versorgung mit seinem Backbone-Netz zu gewährleisten, muss ein IPCarrier zumindest in mehreren Großstädten vertreten sein. Dazu betreibt er dann "Points of
Presence" (PoPs), die über Punkt-zu-Punkt-Glasfasertrassen verbunden sind. Von dort aus führen sie
außerdem IP-Leitungen zu ihren Kunden. Außerdem arbeiten die IP-Carrier oft auch als Internet
Service Provider. In den PoPs finden überdies noch Router von kleineren lokalen Carriern Platz, die
mit dem großen Nachbarn IP-Daten austauschen. Die PoPs dienen innerhalb des Carrier_netzes als
Datendrehscheibe. Um mehr Bandbreite aus einer Faser herhauszuholen, hat sich das "Dense
Wavelength Division Multiplexing" (DWDM) durchgesetzt. Dabei werden mehrere Signale multiplex
in den Lichtwellenleiter eingespeist. Pro Wellenlänge und Faser lassen sich heutzutage Bitraten von 1
GBit/s bis 40 GBit/s erreichen. Auf dem Weg durch den Lichtwellenleiter wird das Signal gedäpft.
Etwa alle hundert Kilometer müssen Repeaterstationen stehen, die mit optischen Faserverstärkern
ausgestattet sind. Je nach Bedarf wird bei dieser Gelegenheit auch noch eine Abzweigung
eingerichtet, um regionale Kunden zu versorgen.
In nahezu jedem modernen Weitverkehrsnetz kommt als Transporttechnik in Europa die "Synchrone
Digitale Hierarchie" (SDH) und in den USA der fast deckungsgleiche "Standard Synchronous Optical
Network" (SONET) zum Einsatz. Mit einem Zeitmultiplexverfahren werden Nutzdaten in TransportContainer ("Synchrone Transport-Module", STM) verpackt und mit einem Header versehen. Jedes
Paket hat je nach Streckenbandbreite eine bestimmte "Byte-Breite", dauert aber stets 125
Nanosekunden.
SDH gestattet den Verkauf von Kapazitäten je nach Bandbreite. Im Angebot stehen beispielsweise
STM-1 (155 MBit/s), STM-4 (622 MBit/s), STM-16 (2,5 GBit/s) und STM-64 (10 GBit/s). In den USA
bietet der SONET-Standard die gleichen Geschwindigkeitsstufen unter anderen Bezeichnungen: Eine
STM-4-Leitung entspricht in SONET einer OC-12-Verbindung ("OC = Optical Carrier"), STM-16
272
entspricht OC-48, usw. Diese Klassifizierung ist für die Provider wichtig. Inoffiziell teilen sich die
Unternehmen in "Tier"-Klassen ein (englisch "tier" = Stufe, Rang). "Tier 1" bedeutet über weite
Strecken mindestens STM-16, ein autonomes System mit nationaler oder globaler Ausdehnung und
rege Beziehungen zu anderen Carriern. "Tier-2"-Anbieter sind deutlich kleiner, und "Tier-3"-Provider
verfügen über ein lokal beschränktes Glasfasernetz.
Der Betrieb von Austauschknoten oder Transitpunkten benötigt Hardware und Wartung. Daher
haben sich weltweit einige große öffentliche Knoten etabliert. Europas größter Knoten ist der
"London Internet Exchange"(LINX). An den Knoten können die Provider ihre Daten kostenneutral von
einem Netz ins andere leiten ("Commercial Internet Exchange", CIX). Sie sorgen dabei selbst für die
Zuführung zum CIX und die Kosten. National existieren kleinere Knoten, in Deutschland
beispielsweise der INXS in München, der BCIX in Berlin und der HHCIX in Hamburg sowie der
internationam bedeutende DeCIX in Frankfurt (betrieben vom Provider-Verband eco). 141 Carrier
und Provider sind dort derzeit angebunden.
IP-Routen zwischen London, Paris und Frankfurt
Statistiken über die Datenmenge, die durch den DeCIX rauscht erhalten Sie unter
http://www.decix.com/info/traffic.html.
273
Weiterführende Informationen zu diesem Thema:
Roland Kiefer, Peter Winterling: Optische Netze, Technik, Trends und Perspektiven, c't 2/03, S. 152
Holger Bleich, Jürgen Kuri, Petra Vogt: Zwischen Boom und Baustopp, Schweinezyklus beim Ausbau
der Internet-Backbones, c't 21/03, S. 184
Irene Heinen: Daten-Disponenten, Neue Internet-Knoten verkürzen Wegstrecken auf dem DatenHighway, c't 25/03, S. 92
Holger Bleich: Bosse der Fasern, Die Infrastruktur des Internet, c't 07/05, S. 88
13.2 Voice over IP
Der klassische Telefondienst wird heute im Fernbereich, Mobilkommunikation sogar generell über
digitale Paketvermittlungsnetzwerke abgewickelt. Die Konvergenz von Internet und
Telekommunikation ist ein Trend von erheblicher Bedeutung für die gesamte Informatik.
Unternehmen mit eigenen Computernetzen und/oder festen Internet-Anschlüssen gehen deshalb
dazu über, diese Netzwerke auch zur internen bzw. externen Sprachkommunikation zu nutzen. Das
verwendete Protokoll in der Anwendungsschicht heißt "Voice-over-IP" (VoIP). Durch "InternetTelefon-Gateways" läßt sich das klassische Telefonnetz mit dem IP-Netz verbinden, so daß von
Telefon zu Telefon über das Internet telefoniert werden kann.
Bekanntester, aber wenig populärer Ableger ist die Internet-Telefonie. Zwar läßt sich damit billig mit
Gesprächspartnern in der ganzen Welt telefonieren, dies müssen lediglich ebenfalls über ein
Internet-Telefon oder die entsprechende Software verfügen. Aber da der Datenstrom im Internet
unberechenbar ist und es keine Zustellgarantie für Datenpakete gibt, leidet die Sprachqualität. Im
eigenen Firmennetz hingegen lassen sich Netzlast, Traffic, Laufzeiten und Verbindungswege
kontrollieren. Das ändert zwar nichts daran, daß IP an sich ausschließlich zur Datenübertragung
entwickelt wurde. Das IP-Protokoll ist aber wesentlich flexibler, als es ihm viele zutrauen.
Firmen können Ihren gesamten internen Telefonverkehr über ihr Intranet kostenlos abwickeln.
Privatanwendern und Firmen erschließen sich Kostenersparnisse bei Telefonaten ins Ausland oder
zum Mobilfunknetz. Voice over IP stellt die erste Stufe der Konvergenz von Daten und Sprache dar.
Die Sprachintegration auf der flexibleren EDV-Infrastruktur auf der Basis von IP bietet sich an. Die
Schritte zur integrierten Telefonie bzw. der vollständigen Vereinigung der
Kommunikationsplattformen sind:
1. Gemeinsame Infrastruktur
In die Telefonapparate werden Netzwerk-Schnittstellen eingebaut. Das Telefon ist somit in
die gleichen Services- bzw. Netzumgebung eingebunden wie der PC
2. Gemeinsames Management
Die Funktionen der Telefonzentrale werden auf einem PC-Server integriert. Die Verbindung
274
ins öffentliche Telefonnetz erfolgt via Router. Die Sprache wird auf dem Firmennetz
gegenüber dem Datenverkehr privilegiert.
3. Gemeinsame Anwendungen
Die Interaktion zwischen Daten und Sprache ist nun möglich: Eine Telefonnummer kann mit
einer Produkt- oder Kunden-Nummer oder einer Homepage verknüpft werden etc.
4. Mehrwertdienste
Die Internet-Telefonie bietet zusätzliche Leistungsmerkmale bei PC-Nutzung z. B.
Videoübertragung, Whiteboard oder gemeinsames Bearbeiten von Dokumenten.
Bei geringeren Kosten bietet die integrierte Telefonie bessere Leistung und ist bereits sehr stark auf
die kommenden Geschäftsanwendungen ausgerichtet. Die Vorteile sind u. a.:
•
Mit dem Zusammenlegen der Infrastruktur und dem Management verringern sich nicht nur
die Investitionskosten (nur eine Verkabelung, nur ein Kommunikationsanschluss pro
Arbeitsplatz), sondern insbesondere auch die Betriebskosten. Der Unterhalt und Betrieb
eines einzigen Service für Sprache und Daten auf einer einzigen Kommunikationsinfrastruktur
schlägt gegenüber zwei getrennten Systemen positiv zu Buche.
•
Die lokale Telefonie innerhalb eines Netzwerkes ist gratis. Die Infrastruktur stellt einen
lokalen Telefonanbieter dar; es fallen für lokale Gespräche keine Kosten bei einem externen
Carrier an.
•
Die Auslastung des bestehenden Netzwerkes wird optimiert. Die LAN-Architektur bietet
grösstmögliche Flexibilität für Anpassungen an die Unternehmensstruktur.
Zu einem kompletten Voice-over-IP-System gehört zunächst einmal eine TK-Anlage auf
Softwarebasis. Als Kommunikationszentrale verwaltet sie die Berechtigungen und Profile der Nutzer.
Sie stellt Verbindungen her und sorgt für die richtige Zuordnung, ohne daß die eigentliche
Kommunikation über sie läuft. Der IP-Gateway ist der Mittler zwischen IP-Telefonie und der bisher
genutzten Telefontechnologie wie etwa ISDN. Am Ende der Leitung im VoIP-Netz steht entweder ein
IP-Telefon oder ein Computer mit Sound-Karte und IP-Telefonie-Software. Für die Sprachein- und -
275
ausgabe wird ein Headset verwendet. Herkömmliche Telefone lassen sich aber mit einer
Adapterkarte ebenso computertauglich anschließen.
Bei Datenpaketen kommt es nicht so sehr darauf an, in welcher Reihenfolge und mit welcher
Verzögerung sie übertragen werden. Der Empfänger speichert die eingehenden Pakete und setzt sie
wieder in der richtigen Reihenfolge zusammen. Wird ein Paket beschädigt oder geht verloren, wird
es erneut gesendet.
Das funktioniert nicht bei zeitsynchronen Daten wie Sprache oder Video. Deshalb wurden im neuen
IP-Standard, IPv6, zwei neue Sub-Standards implementiert: das Reservation Protocol (RSVP) und das
Realtime Transport Protocol (RTP). RSVP erlaubt zwei Endpunkten einer Verbindung, bestimmte
Parameter auszuhandeln, darunter eine maximale Verzögerung (Delay) und einen minimalen
Durchsatz. Das IP-Netz garantiert mittels verschiedener Verfahren, daß diese als "Flowspec"
bezeichneten Quality of Service (QoS) eingehalten werden.
Am sichersten funktioniert das unter Verwendung des "Guaranteed-Service"-Verfahrens. Hierbei
wird anderer Traffic im Netz unterbunden, sobald dieser die Flowspec gefährden könnte. Diesem
starren, aber effizienten Verfahren steht "Controlled Load" gegenüber. Hierbei dürfen auch andere
Stationen IP-Pakete solange senden, wie eine mittels Flowspec ausgehandelte Verbindung keine
Beeinträchtigung in den vorgegebenen Parametern feststellt. "Controlled Load" bietet also mehr
Dynamik und lastet das IP-Netz insgesamt besser aus. Ein Vorurteil ist, daß für Voice over IP
Anwendungen bestimmte IP-Pakete mit Sprachdaten mittels RSVP priorisiert werden. Das stimmt
nicht. RSVP dient nur zum Aushandeln und Überwachen der Verbindungsparameter. IP-Sprachpakete
werden zwar in den meisten IP-Netzen von Routern und Switches vorrangig behandelt, allerdings ist
diese Priorisierung meist herstellerabhängig und somit proprietär. Das birgt Probleme, wenn
Netzkomponenten unterschiedlicher Hersteller im IP-LAN Voice-Daten transportieren soll.
Dem soll RTP entgegenwirken. Jedes IP-Paket erhält seit IP 6 zusätzlich einen Zeitstempel (Time
Stamp) mit der Entstehungszeit sowie eine Folgenummer (Sequence Information). Dies erlaubt es
dem Empfänger, Pakete nicht nur in richtiger Reihenfolge, sondern auch zeitsynchron
zusammenzusetzen. Das Real Time Control Protocol (RTCP) koordiniert zudem Sender- und
Empfängerprotokolle und sorgt für Monitoring und Management von Echtzeitverbindungen.
Außerdem definiert RTP die Kodierung von Audiosignalen nach G.711 sowie G.723. Hierbei handelt
es sich um Codecs (Coding/Decoding), die von der ITU zur analogen und digitalen Verschlüsselung
von Sprache in Telefonnetzen definiert wurden. G.711 entspricht in etwa dem ISDN-Standard,
Sprachdaten werden mit einem Datenstrom von 64 kbit pro Sekunde übertragen.
Für Voice over IP kommt G.711 jedoch nicht zum Einsatz, da sich die Datenlast durch zusätzliche
Komprimierung und bessere Abtastverfahren auf bis zu 9,6 kbps drücken läßt (dies entspricht dem
GSM-Standard). Verbreitet ist vor allem das CELP-Verfahren (Codebook Excited Linear Predictive
Coding), das mit einem komplizierten mathematischen Modell der menschlichen Sprache arbeitet.
Als Ergebnis entsteht ein Datenstrom von 16 kbit pro Sekunde, der Telefonate in ISDN-Sprachqualität
276
überträgt.
Kombiniert mit Dualrate Speech Coding, definiert im G.723-Standard, genügt sogar ein Datenstrom
von nur 5,3 kbps. Außer der geringeren Netzlast bringt dies den Vorteil, daß sich mehr Pakete puffern
lassen, ohne die Echtzeitbedingung zu gefährden. Die Qualität der Sprachübertragung im IP-Netz
gewinnt also, je kleiner die Datenrate für einen Sprachkanal ist.
Ein weiterer wichtiger Standard für Voice over IP kommt vom Videoconferencing. H.323 umfaßt
sowohl eine Codec-Technologie (wie G.723) wie auch die Signalisierung und Verbindungssteuerung
für Videokonferenzsysteme. Für IP-Telefonie wurden Teile des H.323-Standards übernommen. Über
eine TCP-Verbindung wird zwischen Sender und Empfänger das Signalisierungsprotokoll H.245
ausgehandelt. Dies zeigt eingehende Rufe an und übermittelt Statusinformationen. Die
Datenübertragung selbst erfolgt über UDP. TCP-Pakete werden dadurch bei jedem Hop auf Fehler
kontrolliert und gegebenenfalls korrigiert beziehungsweise zurückgewiesen. UDP läßt diese Kontrolle
aus, UDP-Pakete erreichen den Empfänger also schneller. Dafür muß der sich selbst um
Fehlerkorrektur bemühen. Voice over IP kodiert hierzu entweder im selben Paket oder im Folgepaket
Redundanz, aus der sich ein beschädigtes Paket beim Empfänger reparieren läßt, womit ein erneutes
Senden defekter IP-Pakete vermieden wird. Zusätzlich erfolgt die Verbindungssteuerung einer
Sprachübertragung im IP-Netz gemäß H.323 mit einem Q.931-konformen Signalisierungskanal. Dieser
steuert die Sprachverbindung und ist für Funktionen wie etwa Makeln oder
Rufnummernübermittlung zuständig.
Um Voice over IP im LAN einzuführen, müssen sämtliche Switches und Router die entsprechenden
Protokolle von IPv6 auf dem ISO/OSI-Level 3 unterstützen. Wichtig sind vor allem die Verarbeitung
von RTP sowie die Unterstützung von RSVP. Für Konferenzen und Videodaten (die mittels der selben
Verfahren wie Sprache übertragen werden), wird außerdem das relativ neue IP-Multicast genutzt.
Dabei kopiert eine Netzkomponente einen eingehenden Datenstrom eigenständig und sendet ihn an
alle Empfänger weiter. Dies vermeidet zusätzliche Datenkanäle zwischen dem Ursprung der
Übertragung und jedem Empfänger. Statt dessen wird der Datenfluß an beliebiger Stelle im Netz
dupliziert.
Mittlerweile gibt es erste Ethernet-Telefone. Diese werden statt an eine Telefondose an eine RJ-45Buchse eines Ethernet-Hubs angeschlossen. Alternative hierzu bieten sich CTI oder Wandlerkarten
an. Auch etliche DSL-Router ermöglichen den Anschluß von herkömmlichen Analogtelefonen oder
dienen sogar als Telefonanlage. Aber auch die Telefonie direkt am PC mit einem Headset und
passender Software ist möglich (sogenanntes Softphone).
VoIP läuft so zuverlässig wie die Internetverbindung selbst. Generell besteht damit kein Unterschied
zur Festnetzanschluss. Auch können Gespräche in die Fest- und Mobilfunknetz geführt und
entgegengenommen werden. Dazu erhalten Nutzer beim VoIP-Provider kostenlos ihre
Ortsrufnummer, der auch die Notrufe 110 und 112 bereitstellt.
Bei Voice-over-IP (VoIP) bestehen Sicherheitsmängel, die sich aus der Internetnutzung ergeben.
Telefonate von VoIP-Nutzern lassen sich innerhalb lokaler Netze mit Hilfe von Software-Tools (Paket
Sniffern) abhören und Rufnummern ausspionieren. VoIP-Adapter und -Telefone sind empfindlich
gegenüber Hacker-Attacken, insbesindere Denial-of-Service-Angriffen. Generell sollte auch die
Konfigurationsoberfläche der VoIP-Hardware durch ein Passwort geschützt werden. Eindringlinge
könnten sonst bestehende Guthaben abtelefonieren und eingehende Anrufe entgegennehmen.
277
Im Gegensatz zur SPAM-Problematik bei E-Mail ist unerwünschte Werbung über VoIP, sogenannter
SPIT, derzeit noch kein Problem. Gegenüber E-Mail ist der VoIP-Bereich nicht offen zugänglich,
sondern abgeschottet. Realisiert wird dies durch die genaue Zuordnung der VoIP-Rufnummern. Jeder
Nutzer ist damit dem VoIP-Provider bekannt. Anrufe, die außerhalb dieser vertrauenswürdigen Netze
initiiert werden, sind nicht kostenlos und deshalb uninteressant für SPITTER. Ein Problem stellt die
Signalisierung zwischen den einzelnen Telefonanbietern dar, die gewissermaßen "auf
Vertrauensbasis" abläft. Überwindet ein Hacker die Signalisierungsprotokolle, kann er so ziemlich
alles machen was er will.
13.3 Powerline Communications
die Stromleitung ist das Netzwerk
Powerline Communications erlaubt die Obertragung von Daten mit Geschwindigkeiten von mehr als
einem Mbit/s bis zum Endbenutzer über das Niederspannungs-Energieverteilnetz. Mit dieser
Übertragungstechnik wird eine echte Alternative für die sogenannte "Letzte Meile" geschaffen. Mit
der Powerline Communications Systemlösung von Siemens können Energieversorgungsunternehmen
(EVU) und Stadtwerke vor allem den privaten Stromkunden neue Dienste wie beispielsweise
"Internet aus der Steckdose" sowie Energie- und Mehrwertdienste auf eigener Infrastruktur
anbieten. Das Stromverteilnetz ist die weltweit größte flächendeckende Kabelinfrastruktur bis in
jeden Haushalt. Die bisher ausschließlich für die Energieversorgung genutzte Verkabelung ist im
deregulierten Telekommunikationsmarkt der Schlüssel für den direkten Zugang zum privaten
Kunden. Die EVUs können ihr existierendes Stromnetz für neue Dienstangebote nutzen und sich
dadurch neue Einnahmequellen erschließen. Auf Basis der PLC Kommunikationsinfrastruktur werden
EVUs weitere Anwendungen zur Effizienzsteigerung (z.B. Lastmanagement) und zusätzliche Dienste
(z.B. Security, Fernüberwachung) entwickeln und so ihre Wettbewerbsposition in deregulierten
Energiemärkten verbessern. Im Unterschied zu anderen Lösungsansätzen ermöglicht die Powerline
Communications Lösung von Siemens die Nutzung des Niederspannungsnetzes bis zur Steckdose im
Haushalt. Über das Stromnetz können zusätzlich zur Energie gleichzeitig Daten und Sprache
übertragen werden. Bitraten von mehr als einem Mbit/s machen aus jeder Steckdose einen
leistungsfähigen Kommunikationsanschluß. In die Lösung ist ein intelligentes
Bandbreitenmanagement implementiert, das ermöglicht, den Benutzern je nach Bedarf Bandbreite
zur Verfügung zu stellen. Siemens entwickelte für Powerline Communications ein neues, für das
besondere Übertragungsverhalten des Stromnetzes optimiertes Übertragungsverfahren. Das
Verfahren (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) ermöglicht hohe Datenraten selbst
bei starken Störungen auf dem Energienetz. Die Siemens AG, Bereich Information and
Communication Networks und der Schweizer Hersteller von Telekommunikationsausrüstung Ascom
wollen die Entwicklung der breitbandigen Powerline Communications (PLC)-Technik für den Einsatz
auf dem Niederspannungsnetz gemeinsam weiter vorantreiben. Beide Unternehmen führen
Gespräche, um offene Fragen für die Regulierung zu klären und Spezifikationen für gemeinsame
Schnittstellen zu erstellen. Heute gibt es bereits erste Feldversuche und Labormuster für die neue
Technik. Aus Kundensicht sind die derzeit auf dem Markt angebotenen proprietären Lösungen jedoch
nicht zufriedenstellend. Denn ein breiter Einsatz dieser PLC-Technik wird heute weniger durch den
noch frühen Entwicklungsstand, als durch die nicht vorhandene Kompatibilität der Lösungen
behindert.
278
HomePlug: PC-Vernetzung über die Stromleitung
"Power-Line-Communications" ist dezeit relativ tot, aber seit 2002 gibt es etwas Neues, die "HomePlug-Technologie" wieder. Mit der Powerline-Technologie hat Home-Plug wenig zu tun. Jedoch
haben die technischen Grundprinzipien eine neue und sinnvole Anwendung gefunden: Rechner über
existierende 230-V-Leitungen im Haus miteinander zu vernetzen. Etliche Unternehmen bieten
entsprechende Adapter an, die alle ähnlich arbeiten. Bei der Develo AG heißt das Teil "Micro-LinkDLAN" und sieht aus wie ein Steckernetzteil. Die Home-Plug-Technologie nutzt die bestehenden 230V-Leitungen im Haus für die Datenübertragung.
Mit einer maximalen Datenübertragungsrate von 14 Mbit/s und synchronem Up- und Download ist
Home-Plug auch recht flott. In der Praxis lassen sich - je nach Leitungsqualität - Bandbreiten zwischen
5 Mbit/s und 7 Mbit/s gewährleisten, was z. B.für die Verlängerung des DSL-Anschlusses in jedes
Zimmer eines Hauses völlig ausreicht. Je nach Dämpfungsfaktor der Elektroinstallation lassen sich mit
MicrolinkDLAN (Direct-LAN) Entfernungen bis 200 m überbrücken und beliebig viele Computer
anschließen. Zusätzliche Geräte sind nicht notwendig, da die Phasenkopplung durch ein
"Übersprechen" stattfindet. Die Installation der DLAN-Komponenten gestaltet sich einfach: Über den
DLAN-Adapter verbindet man eine Netzkomponente an die nächstgelegene Steckdose, und sofort
lässt sich jede andere beliebige Stromsteckdose im Haus als Netzwerkzugang verwenden. Ein
Ethernet- oder ein USB-Kabel - je nach Modell - koppelt den PC an einen weiteren Micro-Link-DLANAdapter, dessen Stecker die Verbindung zum Heimnetz herstellt. Auf Grund automatischen
Frequenzwechsels unterdrückt das System Einflüsse in der Datenübertragung durch aktive und
Störungen ins Stromnetz sendende Haushaltsgeräte wie Waschmaschinen oder Kühlschränke. Im
Unterschied zu drahtlosen Funknetzen wirkt bei HomePlug der Stromzähler im Haus als Sperre gegen
unerwünschten Zugriff von außen (Signal wird stark gedäpft). Zusätzliche Sicherheit bietet eine
leistungsfähige DES-Verschlüsselung (Datenverschlüsselung in Übertragungssystemen).
Die Geräte sind kompatibel zum Home-Plug-Standard 1.0. Im vergangenen Jahr verabschiedete die
Home-Plug-Powerline-Alliance diesen Standard, zu deren weltweit über 100 Mitgliedern unter
anderem Compaq, Intel, Motorola, AMD, Cisco Systems, 3Com, Panasonic und Texas Instruments
gehören. Die von der DLAN-Technik verwendeten Frequenzen liegen im Bereich von 4 MHz bis 21
MHz, somit werden die Rundfunkbänder nicht gestört (520 kHz bis 1605 kHz = Mittelwelle; 150 kHz
bis 285 kHz = Langwelle; 87,20 MHz bis 108,00 MHz = UKW). Die Technik basiert auf dem Home-PlugStandard, in dem die Sendepegel speziell in einigen Amateurfunkbändern abgesenkt sind.
279
"Abgesenkt" heiß aber, daß das Signal ist in der Nähe durchaus noch feststellbar ist, teilweise sogar in
störender Stärke. Übrigens betrifft die Absenkung nur die klassischen KW-Amateurfunk-Bänder 40m,
20m und 15m. Die seit einigen Jahren im Bereich 4 bis 21 MHz zusätzlich erlaubten Blöcke (30m und
17m) sehen keine Absenkung. Wenn sich DRM (www.drm.org) weiter ausbreitet, dürften sich auch
die neuen Kurzwellendigitalrundfunkhörer über PLC ärgern - ebenso die Minderheit der
Fernempfangsfreaks.
Obwohl Home-Plug von der Leistungsfähigkeit herkömmlicher Ethernet-Verbindungen noch ein gutes
Stück entfernt ist, stellt es für viele Gebiete eine interessante Alternative dar. Auch gegenüber
Wireless-LAN bietet diese Technologie einige Vorteile. In der Praxis hängt die erreichbare
Übertragungsgeschwindigkeit allerdings vom Zustand der Elektroinstallation im Haus und der
Ausstattung der Steckdosen ab. Hier ist dann das Know-how des Elektroinstallateurs gefragt.
13.4 Funk-LAN-Technologie
Die Möglichkeit, Computer drahtlos zu vernetzen, ist auf den ersten Blick verlockend, konnte sich
aber im Vergleich zu kabelgebundenen Lösungen bisher nur für einige Spezialaufgaben durchsetzen.
Das hat vor allem folgende Gründe:
•
Drahtlose Netzwerk-Adapter sind erheblich langsamer als herkömmliche Netzwerkkarten.
Selten wird eine Geschwindigkeit von mehr als 22 MBit/s erreicht, meist erheblich weniger.
•
Innerhalb der Reichweite (je nach Gebäudestruktur etwa 10...50 m) teilen sich die drahtlos
vernetzten Computer die Übertragungsleistung. Die Netto-Geschwindigkeit sinkt dadurch
weiter.
•
Die Kosten für drahtlose Adapter liegen über jenen für konventionelle 10-MBit/sNetzwerkkarten.
•
Bei den meisten Lösungen sind zusätzliche teure "Access Points" nötig, die die Schnittstelle
zwischen einem Kabel-Netzwerk und drahtlosen Workstations darstellen.
Die ersten "Radio LANs" arbeiteten überwiegend mit dem gegenüber Störungen relativ
unempfindlichen Spread-Spectrum-Verfahren, bei dem die Daten auf viele Trägerfrequenzen verteilt
werden, typisch auf einen Bereich von 20 MHz bei einer Datenrate von 2 MBit/s. Das Spreizen des
Signals erfolgte entweder mit dem Zufallssystem Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) oder
durch das zyklische Springen zwischen mehreren Frequenzbändern (FHSS, Frequency Hopping Spread
Spectrum). Sicherheitshalber werden die Daten verschlüsselt.
Technisch entsprechen diese Netze einem Bus-System ohne Kabel oder die Schnurlos-Stationen
bilden zusammen eine Bridge. Seit 1997 werden Funk-LANs mit 1 oder 2 MBit/s im 2,4-GHz-Bereich
mit der Norm IEEE 802.11 standardisiert. Als Sendeleistung ist maximal 1 Watt vorgesehen. Die
Reichweite innerhalb von Gebäuden beträgt etwa 50 m, außerhalb davon einige hundert Meter.
Neuere Entwicklungen erreichen bei 19 GHz bis zu 10 MBit/s, allerdings bei deutlich kleinerer
Reichweite.
280
Mit IEEE 802.11 (Teil der Standardisierungsbemühungen des IEEE-802-Komitees, zuständig für lokale
Netzwerktechnologien) ist 1997 ein erster Standard für Funk-LAN-Produkte geschaffen worden.
Mitte 1997 wurde der erste IEEE-802.11-Standard (2 Mbit/s Funk-LAN-Technologie) veröffentlicht,
welcher dann, im Oktober 1999, mit IEEE 802.11b (High Rate) um einen Standard für 11-Mbit/sTechnologie erweitert wurde. Der IEEE-802.11-Standard beschreibt die Übertragungsprotokolle bzw.
Verfahren für zwei unterschiedliche Arten, Funk-Netzwerke zu betreiben.
Der 802.11-Standard basiert auf CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance).
Der WLAN Standard ist ähnlich aufgebaut wie der Ethernet-Standard 802.3 (CSMA/CD), versucht
aber, Kollisionen zu minimieren. Der Grund liegt darin, daß z.B. zwei mobile Einheiten zwar von
einem Access Point erreicht werden, sich aber gegenseitig nicht "hören". Damit kann die wirkliche
Verfügbarkeit des Access Points nicht in jedem Fall erkannt werden.
Wie bei CSMA/CD hören alle teilnehmenden Stationen den Verkehr auf dem Funkkanal mit. Wenn
eine Station übertragen will, wartet sie, bis das Medium frei ist. Danach wartet sie noch eine
vorbestimmte Zeitperiode (DIFS) plus einer zufällig gewählten Zeitspanne, bevor sie ihren Frame
übertragen will. Auch in dieser Zeitspanne (Wettbewerbsfenster) wird der Funkkanal weiter
überwacht. Wenn keine andere Station innerhalb des Wettbewerbsfensters vor dem gewählten
281
Zeitpunkt mit der Übertragung beginnt, sendet die Station ihren Frame. Hat aber eine andere Station
innerhalb der Wartezeit mit der Übertragung begonnen, wird der Zeitzähler angehalten und nach der
Übertragung der anderen Station weiter benutzt. Auf diese Weise gewinnen Stationen, die nicht
übertragen durften, an Priorität und kommen mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit in den nächsten
Wettbewerbsfenstern zum Zug. Eine Kollision kann nur entstehen, wenn zwei oder mehrere
Stationen den gleichen Zeitslot auswählen. Diese Stationen müssen die Wettbewerbsprozedur
erneut durchlaufen.
Funknetz-Szenarien
Das erste Funk-Netz-Szenario beschreibt die Kommunikation in einfachen "Ad-hoc"-Netzwerken.
Hierbei sind mehrere Arbeitsrechner in einem begrenzten Sendebereich miteinander verbunden.
Zentrale Übermittlungs- bzw. Kontrollsysteme, sogenannte "Access-Points" sind bei diesem
Anwendungsfall nicht vorgesehen. Ein derartiges "Ad-hoc" Netzwerk könnte zum Beispiel zwischen
den tragbaren Computersystemen während einer Besprechung in einem Konferenzraum aufgebaut
werden.
Im zweiten Anwendungsfall, dem sogenannten "Infratruktur-Modus", kommen "Access-Points" zum
Einsatz. Bei diesen Geräten handelt es sich um Netzwerkkomponenten, welche die Kommunikation
innerhalb eines Funk-LANs, zwischen einzelnen Funk-LAN-Zellen und die Verbindung zwischen FunkLANs und herkömmlichen LANs (Kabel basierend) ermöglichen und kontrollieren. Access-Points
regeln die "gerechte" Verteilung der zur Verfügung stehenden Übertragungszeit im Funk-Netzwerk.
Des Weiteren ermöglichen diese Komponenten mobilen Arbeitsstationen das unterbrechungsfreie
Wechseln (Roaming) von einer Funk-LAN-Zelle in die Nächste.
Verschiedene Systeme können mittels einer speziellen Frequenzwahl bis zu acht unterschiedliche
Kanäle im Frequenzband alternativ oder teilweise auch gleichzeitig nutzen. Durch dieses Verfahren
können in bestimmten Fällen z. B. auch durch Störungen belastete Frequenzen umgangen werden,
um so die Übertragung zu sichern. Des weiteren können durch den Einsatz mehrere Accesspoints
parallele Funkzellen auf unterschiedlichen Frequenzen aufgebaut werden und so die
Gesamtübertragungskapazität eines WLANs erweitern. Die dadurch entstehende Möglichkeit
282
unterschiedliche Frequenzen zur Datenübertragung mit getrennten Benutzergruppen zu nutzen,
kann den Datendurchsatz in einem solchen Funknetz vervielfachen, da die einzelnen
Frequenzsegmente jeweils die volle Bandbreite für den Datenstrom zur Verfügung stellen.
Eine wichtige Frage, die sich im Hinblick auf den Einsatz von Funk-Technologie immer wieder stellt,
ist die mögliche gegenseitige Störung von elektronischen Geräten (nicht nur von Funk-Sendern und
Empfängern). Oftmals werden sogar Bedenken zu einem möglichen Gesundheitsrisiko durch die
Nutzung von auf Funk basierenden Produkten geäußert.
Auf Funk basierende Geräte müssen einer Vielzahl von Standards und strengen gesetzlichen
Richtlinien entsprechen, die sicherstellen, daß die Beeinflussung zwischen verschiedenen auf Funk
basierenden Geräten und auch anderen elektronischen Geräten entweder unmöglich ist, oder die
festgelegten Grenzwerte nicht überschreiten, welche die internationalen und nationalen bzw.
europäischen Standardisierungs-Gremien festlegen.
Alle in Deutschland zugelassenen WLAN Systeme benutzen ein offiziell für industrielle und andere
Zwecke reserviertes ISM-Frequenzband (Industrial Scientific Media) zwischen 2,400 und 2,483 GHz
und übertragen durch Nutzung eines Teils der darin verfügbaren Frequenzen mit Datenraten von bis
zu 11 Mbps (802.11b) oder 22 Mbps (802.11g). Der Standard 802.11a beschreibt Systeme, die im 5GHz-Band betrieben werden und Brutto-Datenraten bis zu 54 Mbps ermöglichen. Im 5-GHz-Band
steht ein größeres Frequenzband zur Verfügung - und damit mehr Kanäle. Wichtig ist auch, daß
dieses Band ausschließlich für WLAN reserviert ist.
Die Kanäle von 802.11b und ihre Frequenzen.
Kanal
Mittenfrequenz
Kanal
(GHz)
Mittenfrequenz
(GHz)
1
2.412
8
2.447
2
2.417
9
2.452
3
2.422
10
2.457
4
2.427
11
2.462
5
2.432
12
2.467
6
2.437
13
2.472
7
2.442
14
2.484
o
Die Abstufung erfolgt in 5 MHz Schritten (ausgenommen Kanal 14).
o
In den USA sind die Kanäle 1 - 11 verfügbar.
o
In Europa sind die Kanäle 1 - 13 verfügbar.
o
In Frankreich sind die Kanäle 10 - 13 verfügbar.
283
o
In Japan ist Kanal 14 verfügbar.
Da Funk-LAN-Produkte speziell für den Einsatz in Büros und anderen Arbeitsumgebungen entwickelt
wurden, senden sie auch mit einer entsprechend niedrigen, gesundheitlich unbedenklichen Leistung.
Diese Leistung liegt unter einem maximalen Wert von 100 mW und damit z. B. signifikant unter der
Sendeleistung von gebräuchlichen GSM Telefonen (ca. 2 W bei Geräten GSM Klasse 4, d. h.
Frequenzbereich 880-960 MHz). Erhöhte Gesundheitsrisiken konnten deshalb beim Umgang mit
Funk-LANs im 2.4 GHz Frequenzband nicht festgestellt werden.
Die größten Bedenken gelten üblicherweise der Technologie Funk selbst. Aber unberechtigtes
"Mithören" erweist sich in der Praxis sogar als wesentlich schwieriger und aufwendiger als bei
herkömmlichen auf Kupferkabeln basierenden Netzwerken. Sogenannte "Walls" sichern den
Datenverkehr mittels eines Verfahrens zur Bandspreizung (Spread-Spectrum, SS) gegen Abhören und
Störungen, dieses Verfahren entspricht einer komplexen Kodierung, die ein Abhören schon durch die
eingesetzten technischen Prinzipien sehr schwer macht. Alle z. Zt. bekannten zugelassenen WLAN
Systeme setzen zwei verschiedene Techniken ein, das sogenannte Direct Sequence SS (DSSS) und das
Frequency Hopping SS (FHSS) Prinzip.
Direct Sequence SS verschlüsselt jedes Bit in eine Bitfolge, den Chip, und sendet diesen auf das
Frequenzband aufgespreizt. Für unbefugte Lauscher verschwindet das Signal dadurch im
Hintergrundrauschen, erst der autorisierte Empfänger kann es wieder ausfiltern. Das DSSS System ist
unempfindlicher gegen Störungen und hat sich als Lösung mit den meisten installierten Geräten in
diesem Markt durchgesetzt.
Beim Frequence Hopping vereinbaren Sender und Empfänger während des Verbindungsaufbaus eine
Folge, nach der einige Male pro Sekunde die Sendefrequenz umgeschaltet wird. Ein nicht
autorisierter Zuhörer kann diesen Sprüngen nicht folgen, die Synchronisation zwischen Sender und
Empfänger bedeutet jedoch zusätzlichen Ballast (Overhead) in der Datenübertragung.
284
Um das komplette Signal erfolgreich empfangen und interpretieren zu können, muß der Empfänger
den korrekten Entschlüsselungsalgorithmus kennen. Daten während der Übertragung abzufangen
und zu entschlüsseln wird dadurch recht schwierig. Die Sicherheit von Funk-LAN-Produkten
beschränkt sich selbstverständlich nicht nur auf die Wahl von DSSS als Übertragungsverfahren. So
sieht der IEEE-802.11-Standard optional auch verschiedene Methoden für Authentisierung und
Verschlüsselung vor. Unter Authentisierung versteht man dabei all jene Mechanismen mit denen
überprüft bzw. kontrolliert wird, welche Verbindungen im Funk-LAN zulässig sind. Mit der
zusätzlichen Verschlüsselungstechnik WEP (Wired Equivalent Privacy), welche auf dem RC4Verschlüsselungsalgorithmus basiert, wird ein Sicherheitsniveau erreicht, welches dem
herkömmlicher LAN-Technologien mehr als entspricht. Als weitere sehr flexible Sicherheitsfunktion,
erweisen sich auch Filter auf MAC-Adress-Ebene, die im Access-Point konfiguriert werden können.
Über diese Filter kann die Kommunikation über den Access-Point sehr wirkungsvoll gesteuert
werden.
Funk-LAN-Technologie und -Produkte ergänzen in idealer Weise die "klassischen" LAN-Lösungen. Die
Bandbreite wird jedoch dann zu einem entscheidenden Faktor beim Einsatz von Funk-LANInstallationen, wenn eine große Anzahl von Arbeitsstationen angebunden werden soll und der
Einsatz sehr "bandbreitenintensiver" Multimedia-Anwendungen geplant ist. Man sollte nicht
übersehen, daß Funk-LAN-Technologie sich wie jedes andere "Shared-Medium" verhält und damit
sehr ähnlich zu Ethernet-Lösungen ist.
Ein weiterer wichtiger, zu beachtender Aspekt bei Planung und Einsatz von Funk-LAN-Lösungen, liegt
in den oftmals schwer einschätzbaren Umgebungseinflüssen, welche die Übertragungsqualität und
Übertragungsreichweite vermindern können. So können Reichweite und Qualität der Übertragung
nicht nur durch die Positionierung und Anordnung der Arbeitsstationen und Access-Points beeinflusst
werden, sondern es entsteht auch eine, zum Teil gravierende, Beeinträchtigung durch die zu
durchdringenden Hindernisse (Ziegelwände, Stahlbeton, etc.).
Für die Realisierung eines Funk-Lan stehen zwei Betriebsarten zur Verfügung:
•
Im Infrastructure Mode hingegen vermittelt eine spezielle Basisstation, Access Point
genannt, zwischen den Clients. Er dient zum einen als Bridge zum drahtgebundenen Netz,
vermittelt also Pakete zwischen den Netzen hin und her. Zum anderen arbeitet ein Access
Point als Repeater, das heißt er empfängt die Pakete der Stationen und leitet sie an andere
weiter - dabei sinkt natürlich der Durchsatz. Letztlich kann ein Access Point die Reichweite
verdoppeln, wenn er zentral aufgestellt ist: Er lässt zwei Stationen miteinander
kommunizieren, die so weit voneinander entfernt stehen, daß sie sich im Ad-hoc-Modus
285
nicht "sehen" könnten. Bei der Raumabdeckung ist mit einem Radius von rund 50 Metern zu
rechnen, innerhalb dessen sich die mobilen Stationen um einen Access-Point bewegen
können.
•
Im Ad-hoc-Modus kommunizieren die Stationen direkt miteinander. Im Grunde genommen
handelt es sich um Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, da aber jeder Rechner mehrere dieser
Verbindungen unterhalten kann, spielt das praktisch keine Rolle. Mit einer Ausnahme: Es ist
möglich, daß weit voneinander entfernte Stationen einander nicht "sehen" können, beide
sehr wohl aber eine dritte Station dazwischen. Der Ad-hoc-Modus ist letztlich am besten
geeignet, wenn man gar kein großes Funknetz aufbauen will, sondern nur zwei Netze oder
Systeme verbinden will.
Der Ad-hoc-Modus hat aber Haken: Viele Hersteller haben dieser Betriebsart anfangs wenig
Aufmerksamkeit gewidmet und statt der verabschiedeten Standards proprietäre Verfahren
implementiert. So kann es sein, daß die Karten zweier Hersteller im Ad-hoc-Modus nicht
zueinander finden.
Zur Inbetriebnahme eines Ad-hoc-Netzes muß man auf allen Clients einen einheitlichen Namen für
das Funknetz einstellen. Bei einem Netz mit Access Point reicht es hingegen, dort den gewünschten
Namen einzutragen; bei der Einstellung "any" auf den Clients erhalten diese automatisch den Namen
übermittelt. Unter Umständen kann es im Ad-hoc-Netz Sinn machen, den Kanal vorzugeben, auf dem
die Stationen funken sollen; im Normalfall finden sie aber selbstständig einen gemeinsamen Kanal.
Eine gute Hilfestellung bietet die Software, die viele Hersteller ihren Funkkarten beilegen.
WLAN-MIni-PCI-Karte und Adapter für den PCI-Bus im PC.
Die neuen Funk-LAN-Standards
Ein gravierender Nachteil der ersten WLAN-Standards ist die geringe Datenrate von 11 MBit/s. Selbst
bei guten Empfangsbedingungen ist nur etwa die Hälfte für Nutzdaten einsetzbar. Abhilfe versprach
zunächst die Verdoppelung auf 22 MBit/s. Diese Erweiterung war aber proprietär. IEEE 802.11a ist
mit nominell 54 MBit/s noch schneller, die Geräte arbeiten jedoch im 5-GHz-Bereich - bei einem
Wechsel muß die gesamte Infrastruktur ausgetauscht werden. Zudem verschlechtert sich mit der
286
doppelten Frequenz die Reichweite.
Die ETSI-Projektgruppe BRAN (Broadband Radio Access Networks) arbeitet an einer neuen
Generation von WLANs und plant die Eigenschaften bezüglich Quality of Service, MultiserviceNetzwerken, Sicherheit, Roaming zwischen LAN und WAN beziehungsweise privaten und öffentlichen
Netzen sowie die Bandbreite zu verbessern. Das BRAN-Projekt konzentriert sich dabei auf die
Entwicklung von zwei Basisstandards mit der Absicht, einen Zugang zu den künftigen Kernnetzen
ATM und IP mit Datenraten von mindestens 25 MBit/s upstream oder Downstream bereitzustellen.
Obwohl noch keine charakteristische Killerapplikation existiert, muss eine breitbandige
Zugangstechnologie äußerst vielseitig sein und die Kommunikation von und zu den Terminals mit
hoher Geschwindigkeit ermöglichen. Ein dritter Standard für drahtlose Punkt-zu-Punkt-Verbindungen
ist in Planung. Die Zielsetzungen umfassen feste und drahtlose Breitbandzugänge bei Datenraten von
25 bis 155 MBit/s sowie Nettodatenraten zwischen 16 kBit/s und 16 MBit/s bei Reichweiten von 50
Metern bis 5 Kilometer. Die Gruppe visiert eine Zusammenarbeit mit anderen Foren für
Kernnetztechnologien an. Im Einzelnen entwickelt die Projektgruppe BRAN aktuell drei
Netzwerkstandards:
•
HiperLAN/2 mit typischen Datenraten von 25 MBit/s für die Kommunikation zwischen
portablen Computern und breitbandigen ATM- oder IP-Netzen innerhalb von Gebäuden. Die
Mobilität von Benutzern beschränkt sich nur auf lokale Servicebereiche; Roaming innerhalb
von öffentlichen Netzen ist nicht Bestandteil der BRAN-Aktivitäten.
•
HiperAccess stellt feste Funkverbindungen außerhalb von Gebäuden mit typischen
Datenraten von 25 MBit/s bereit. Damit sollen Serviceprovider in der Lage sein, breitbandige
Netzzugänge für Privatkunden und kleine unternehmen innerhalb kurzer Zeit bereitzustellen.
•
HiperLink stellt eine statische Richtfunkverbindung mit hohen Übertragungsraten bis zu 155
MBit/s bereit. Die neue Technik soll HiperAccess- und HiperLAN-Netzwerke zu einer
vollständigen drahtlosen Infrastruktur zusammenfassen.
Leider hat man in letzter Zeit kaum noch etwas von HiperLAN/2 gehört. Ein neuer Lichtblick ist der
Standard IEEE 802.11g. Geräte nach diesem Standard sind abwärtskompatibel zu 802.11b und
senden ebenfalls im 2,4-GHz-Bereich, verwenden gegenüber der 11-MBit/s-Technik jedoch mehrere
Kanäle und kommen so auf eine Bruttodatenrate von 54 MBit/s. So lassen sich auf den 13 WLANKanälen aber nur vier 802.11g-Netze am gleichen Ort nebeneinander betreiben. Fremde Netze nach
802.11b im Empfangsbereich können die 54-Bit/s-Technik jedoch ausbremsen: Im ungünstigsten Fall
verteilen sich die langsamen Netze quer über die Kanäle, sodass keine Bündelung für die
Breitbandtechnik mehr möglich ist. Weitere Störfaktoren sind Bluetooth-Geräte, auch sie arbeiten im
2,4-GHz-Bereich. An exponierten Standorten im Stadtgebiet können Access Points nach IEEE 802.11g
wohl kaum ihre Leistung ausspielen, es gibt einfach zu viele langsame WLAN-Netze. Für den Betrieb
in Gebäuden ist die Technik aber durchaus interessant: Störungen von außen gibt es hier kaum.
Eigene Access Points nach 802.11b werden bei Kanalüberschneidungen umkonfiguriert oder
kurzerhand ersetzt, die Workstations merken wegen der Abwärtskompatibilität von IEEE 802.11g zu
802.11b nichts davon.
287
Modulationsverfahren
Bei CCK wird nur eine Trägerfrequenz moduiert
Die Komplementäre Code-Umtastung CCK dient als Basismodulation gegenwärtiger WiFi-Systeme
nach IEEE 802.11b und moduliert nur einen Träger.
Bei der komplementären Code-Umtastung werden sowohl Präambel/Header als auch die
Nutzinformation in CCK-Moduation ausgesendet.
Parallele Datenübertragung im Frequenzmultiplex, kurz OFDM, ist eine Technologie, die gerade in
den Markt drahtloser lANs eingeführt wird und sich in Geräten nach IEEE 802.11a für das 5-GHz-Band
findet. Bis vor Kurzem verhinderten FCC-Vorschriften nämlich den Einsatz von OFDM im 2,4-GHzBand. Dies änderte sich im Mai 2001: Seitdem ist OFDM auch für das 2,4-GHz-Band zugelassen, so
daß jetzt beide Bänder (2,4 und 5 GHz) mit einem einzigen Modulationsformat abgedeckt werden
können. OFDM ist ein Mehrträger-Modulationsverfahren, bei dem die Daten auf mehrere, eng
beieinander liegende Unterträger aufgeteilt werden. Eine andere entscheidende Eigenschaft von
OFDM ist die kürzere Präambel: Nur 16 ms gegenüber 72 ms bei CCK. Eine kürzere Präambel ist
vorteilhaft, da sie weniger Grundaufwand für das Netzwerk bedeutet.
288
Auch wenn die Präambel ein unverzichtbarer Teil des Datenpaketes ist, stört doch die von ihr
beanspruchte Zeit, die für eine Nutzdatenübertragung nicht mehr verfügbar ist. Mit der kurzen
Präambel bei OFDM steigt also die Nutzdatenrate - eine gute Sache! Reine OFDM-Systeme setzen
OFDM sowohl für Präambel/Header als auch für die Nutzdaten ein. Wie der Name schon andeutet,
handelt es sich bei CCK/OFDM um ein hybrides Verfahren, das als Option im Standardentwurf IEEE
802.11g enthalten ist. Wie in Bild 5 verdeutlicht, setzt CCK/OFDM die CCK-Modulation für
Präambel/Header und OFDM für die Nutzdaten ein. Dabei bleiben die Modulationsarten mit dem
Übergang zwischen Präambel/Header und Nutzdatenstrom separat und zeitlich getrennt.
Dies wirft sofort eine naheliegende Frage auf: Wozu diese Trennung? Wie sich zeigen wird, gibt es
gute Gründe dafür, die optionalen Hybridverfahren in den Standardentwurf aufzunehmen. Wenn
nämlich ein Betrieb in Anwesenheit existierender WiFi-Geräte stattfindet, sorgt der ausgesendete
CCK-Header dafür, daß alle WiFi-Geräte den Beginn einer Sendung mitbekommen, und vor allem, wie
lange (in ms) diese Sendung dauern wird. Daraufhin folgt die Nutzinformation in OFDM. Auch wenn
existierende WiFi-Geräte nicht in der lage sind, diese Nutzinformation aufzunehmen, wissen sie doch,
wie lange die Sendung dauern wird, und starten in dieser Zeit keine Sendeversuche: Dies vermeidet
Kollisionen und sorgt für friedliche Koexistenz mit neueren Geräten nach IEEE 802.11g mit
CCK/OFDM-Modulation. Da hier die Präambel länger ist als bei reinem OFDM, steigt der
Grundaufwand. Allerdings kann dies leicht in Kauf genommen werden, da CCK/OFDM höhere
Datenraten zulässt (über 20 Mbit/s), was diesen Zeitverlust mehr als wettmacht, gleichzeitig aber
Rückwärtskompatibilität mit existierenden CCK-Systemen sicherstellt.
Es ist immer daran zu denken, daß CCK/OFDM lediglich als Option im angenommenen
Standardentwurf IEEE 802.11g enthalten ist. Die verbindlich festgelegte OFDM-Modulation kann
ebenfalls neben vorhandenen WiFi-Geräten existieren und mit ihnen zusammenarbeiten. Allerdings
ist dafür eine andere Methode notwendig, die unter RTS/CTS bekannt ist. Diese wird im letzten
Abschnitt des Artikels näher betrachtet.
Das Modulationsverfahren PBCC (Packet Binary Convolutional Coding) basiert auf einem Träger,
unterscheidet sich aber wesentlich von CCK. Es nutzt eine komplexere Signalkonstellation (8-PSK für
PBCC statt BPSK/QPSK für CCK) und einen Konvolutions-Code statt des Block-Codes bei CCK. Damit
unterscheidet sich der Decodier-Mechanismus sehr von den bisher besprochenen Verfahren. Wie bei
289
CCK/ OFDM handelt es sich bei PBCC auch um ein hybrides Verfahren: CCK für Präambel/Header und
PBCC für die Nutzdaten. Dies ermöglicht höhere Datenraten bei gewahrter Rückwärtskompatibilität
mit existierenden WiFi-Systemen in gleicher Weise, wie oben für CCK/OFDM beschrieben wurde.
Als maximale Datenrate für PBCC sind im Standardentwurf IEEE 802.11g 33 Mbit/s festgelegt. Dieser
Wert liegt unter den Spitzenwerten für das vorgeschriebene OFDM und auch des optional möglichen
CCK/OFDM. Hier ist festzustellen, daß PBCC als optionales Element auch im ursprünglichen Standard
IEEE 802.11b enthalten ist, wobei aber noch keine Geräte auf den Markt gebracht wurden, die nach
diesem Verfahren arbeiten.
Verborgene Teilnehmer und RTS/CTS
Unter üblichen Betriebsbedingungen können sich alle Teilnehmer in einem gemeinsamen Kanal auch
gegenseitig hören. Es gibt aber Situationen, in denen die Partner Kontakt zur Basisstation haben, sich
aber untereinander nicht hören können. Hier nützt der Grundsatz "Erst hören, dann sprechen"
nichts: Wenn ein Teilnehmer einen vermeintlich freien Kanal feststellt und zur Basisstation zu senden
beginnt, während diese gerade der Sendung eines anderen Teilnehmers lauscht, dann gibt es ein
Problem, das auch als das Hidden-Node-Problem bekannt ist.
Zur Lösung dieses Problems hält der Standard 802.11 einen bekannten Mechanismus bereit: RTS/
CTS (Request-To-Send/Clear-To-Send). Dazu muß jeder Teilnehmer eine Sendeanforderung RTS an
die Basisstation senden und eine CTS-Antwort von der Basisstation abwarten, bevor er seine
Sendung starten kann. Die Situation von CCK- und OFDM-Partnern, die im gleichen Kanal arbeiten,
ähnelt sehr dem Hidden-Node-Problem, da die CCK-Partner keine OFDM-Sendungen hören können.
Mit dem RTS/CTS-Mechanismus ist es also möglich, daß OFDM-Teilnehmer ohne Kollision im gleichen
Kanal wie WiFi-Geräte arbeiten können. Für den RTS/CTS-Ablauf ist eine zusätzliche
Verkehrssteuerung im Netz notwendig.
Sicherheit von Funknetzen
Der größte Vorteil des Mediums Funk ist auch gleichzeitig sein größter Nachteil: Die Funkwellen
gehen überall hin, auch dorthin, wo sie nicht hin sollen. Drahtlose Netze bestehen in der Regel aus
einem Access-Point und einer Anzahl Clients mit drahtlosen Netzwerkkarten. Immer häufiger sind die
notwendigen Zugangspunkte zum Internet, so genannte "Hotspots", an Flughäfen, in Cafes oder
Hotels der Großstädte zu finden. Auch zuhause können sich Notebook-Nutzer recht einfach mit
290
entsprechendem Zubehör einen Hotspot installieren und die Vorteile des kabellosen Surfens
genießen. Bei vielen handelsüblichen Geräten ist der AP in einen DSL-Router integriert.
Im Lieferzustand sind die Geräte nach dem Auspacken betriebsbereit, nach dem Einschalten können
sich drahtlose Geräte bereits mit dem Accesspoint verbinden. In diesem Betriebsmodus besteht aber
keinerlei Schutz des Netzwerks gegenüber der unerwünschten Mitbenutzung durch andere
Teilnehmer, es ist auf jeden Fall eine Konfiguration seitens des Netzwerkbetreibers erforderlich.
Ein großes Sicherheitsrisiko, das Nutzer von kabellosen Netzwerken haben, ist der
Vertraulichkeitsverlust durch einen "Lauschangriff". Mittels Notebook und einer WLAN-Karte ist es
für Dritte nicht allzu schwer, von außen in ein solches Netzwerk zu gelangen. Dabei "schmuggelt" sich
der Eindringling in die Verbindung zwischen dem HotSpot und dem Notebook ein, quasi als "Man-inthe-Middle". Ohne Probleme gelangt er so an persönliche Daten oder kann sogar auf Kosten des
Besitzers im Internet surfen, was viele noch mehr "schmerzen" dürfte.
Inzwischen ist allein durch das Erlauschen des Datenverkehrs ein passiver Angriff auf WEP mit
handelsübliche Hardware und frei erhältliche Software gelungen. Er beruht auf der Tatsache, daß
WEP einen berechneten und nicht einen zufälligen Initialisierungsvektor im Klartext überträgt. So
kann aus den erlauschten Daten der bei WEP verwendeten Schlüssel errechnet werden. Nach
Schätzungen dauert das Berechnen eines 40-Bit-WEP-Schlüssels eine Viertelstunde, die bessere 128Bit-Variante mit 104 Bit langem Schlüssel würde nur rund 40 Minuten dauern.
Adresse für den Access-Point (SSID) setzen
Der Service Set Identifier (SSID) stellt quasi den Namen des Funknetzes dar. Sie wird vom Hersteller
des AP auf einen Standardnamen gesetzt. Mit dem SSID bestimmt der Administrator, auf welche
Access-Points Notebooks oder PCs zugreifen können. Der SSID benennt einen oder eine Gruppe von
Access Points (AP). Damit der Anwender drahtlos auf das Netz zugreifen kann, müssen auf den
Notebooks die entsprechenden SSIDs hinterlegt sein. Der SSID funktioniert wie ein einfaches
Passwort, wobei der Name des Access-Points vom Endgerät übermittelt wird. Jeder AP ist über
seinen mit einem konkreten Wireless LAN verknüpft. Sendet das Notebook nicht die korrekte
Adresse des Access Points, so erhält der Anwender keinen Zugriff auf die Daten.
Eine Sicherheitslücke entsteht, wenn der Access-Point so konfiguriert ist, dass er seine SSIDs
denjenigen Notebooks, die sich anmelden wollen, per Broadcastverfahren mitteilt.Ein weiteres Risiko
besteht darin, dass die Anwender ihre Systeme selbst konfigurieren und anderen Personen die SSIDs
möglicherweise mitteilen. Nach der Einrichtung von WEP/WPA und MAC-Filtern sollte das SSIDBroadcasting abgeschaltet werden, da die Clients fest eingerichtet sind und eine zyklische
Bekanntgabe des Netzwerknamen (SSID-Broadcasting) nur noch ein Sicherheitsrisiko darstellt.
Es versteht sich von selbst, daß alle voreingestellten Passwörter (z.B. beim AP) geändert werden.
MAC-Adresse des Endgeräts speichern
Anhand der MAC-Adresse kann der Administrator des AP festlegen, welche Endgeräte Daten über
einen Access Point senden oder empfangen können. Die MAC-Adresse benennt das Laptop oder den
Handheld-Computer. Um die Sicherheit in einem drahtlosen Netz zu erhöhen, lässt sich das System
mit einer Liste von MAC-Adressen derjenigen Notebooks programmieren, denen Zugriff aufs LAN
gestattet ist. Clienten,deren Adresse nicht in der Liste enthalten ist, erhalten keinen Zugang zum
Access Point.
291
Nachteile: Die Liste der Adressen muß vom Administrator in jeden Access Point manuell eingegeben
und aktualisiert werden.
Viele Netzwerkinterfaces erlauben die Konfiguration einer beliebigen MAC-Adresse, wodurch die
Sperre unterlaufen werden kann.
Erst in Kombination mit einer Verschlüsselung stellt diese Maßnahme eine weitere Steigerung der
Sicherheit dar. Die MAC-Adresse eines Windows-Clients können Sie übrigens durch die kommandos
ipconfig /all bzw. winipcfg ermitteln.
Verschlüsselung der Datenpakete
Die WEP-Verschlüsselung (Wired Equivalent Privacy) soll die Kommunikation innerhalb eines WLANs
(Wireless Local Area Network) vor Lauschangriffen schützen. Damit Access Point und Notebook
miteinander Daten ver- und entschlüsseln können, benutzen sie einen identischen Code. Das
Verschlüsselungssystem codiert Datenpakete mit 128 Bit. Die Codierung dient als Zugangskontrolle:
Einem Notebook wird der Zugriff auf einen AP verweigert, wenn die Schlüssel der beiden
Komponenten nicht übereinstimmen.
Der 802.11-WLAN-Standard sieht kein Protokoll für das Key-Management vor, so dass alle Schlüssel
in einem Netz manuell administriert werden müssen. Die WEP-Sicherheit ist in Ad-hoc-Netzen, die
keinen Access-Point benötigen, nicht verfügbar. Die WEP-Verschlüsselung ist mit relativ geringem
Aufwand zu knacken. Im Ernstfall ist die Aufzeichnung und die Analyse von ca. 25 GB Datenverkehr
ausreichend, um eine WEP-basierende Verschlüsselung zu knacken und erfolgreich über ein
drahtloses Netzwerk in die Gesamtstruktur eines Unternehmensnetzweks einzudringen.
Bei Verlust eines Notebooks muß der Administrator bei allen anderen Geräten und APs den Schlüssel
ändern.
Im Rahmen der Einrichtung ist es zweckmäßig, einen drahtgebundenen Zugang zum AP zu haben, um
unbeabsichtigte Selbstaussperrungen zu vermeiden. Viele Geräte gestatten die Eingabe eines
Schlüsseltextes (im Regelfall 13 Buchstaben oder Ziffern) zur Erzeugung eines Schlüsselcodes. Dieses
Verfahren ist jedoch zwischen den verschiedenen Geräten nicht kompatibel, bei Problemen sollte
hier ein 26-stelliger Hexadezimalcode verwendet werden (Schlüssellänge von 128 Bit).
VPN im WLAN
Ursprünglich bietet das VPN (Virtual Private Network) einen sicheren "Tunnel" durch das weltweite
öffentliche Netz, seine Sicherheitsverfahren lassen sich aber auch auf ein lokales drahtloses Netzwerk
anwenden. In Verbindung mit zentralisierten Authentifizierungslösungen wie RADIUS-Servern
kommen dabei verschiedene Tunneling-Protokolle zum Einsatz.
Die bereits vorhandene VPN-Infrastruktur im Unternehmen lässt sich leicht auf das Wireless LAN
erweitern. Der Administrationsaufwand ist klein, da sich der VPN-Server zentral verwalten lässt.Es
gibt noch Schwächen beim Roaming: Bewegen sich die Anwender von einem zum anderen
drahtlosen Netz, werden sie zu einem erneuten Log-In aufgefordert.
Für die Absicherung von Funknetzen bleiben damit nur Techniken, wie sie in Virtual Private Networks
(VPNs) gebräuchlich sind - also Verfahren, die auf höheren Netzwerkebenen greifen. Das erfordert
allerdings einige Umstellungen: Anstatt die Access Points schlicht in die bestehende LANInfrastruktur zu integrieren, muss man ein separates Netz für sie aufbauen. An einem Übergabepunkt
zwischen WLAN und LAN muss dann die Zugriffsberechtigung überprüft werden. Man sollte dabei
292
nicht nur von der normalen Benutzerverwaltung getrennte Passwörter verwenden, sondern diese
möglichst lang machen. Deutlich sicherer geht es mit IPsec.
Physische Sicherheit Man sollte gegebenenfalls die physischen Bedingungen in das
Sicherheitskonzept mit einbeziehen. Bei der Abdeckung eines Geländes oder eines Gebäudes ist
durch Auswahl der AP-Standorte, der Antennen und der Sendeleistung eine Einschränkung der
Abdeckung auf den erwünschten Bereich möglich. So kann beispielsweise die Installation der APs in
den Kellerräumen eine Abdeckung des Gebäudes und des naheliegenden Bereiches bieten, jedoch
eine Absrahlung auf angrenzende Grundstücke wirkungsvoll vermieden werden. Die Verwendung
von Antennen mit bestimmter Abstrahlungscharakteristik kann bei komplexen Umgebungen einen
deutlichen Sicherheitsgewinn bringen.
Warchalking
Unter Warchalking versteht man die öffentliche Kennzeichnung offener
drahtloser Netzwerke (Wireless LAN Hotspots) etwa durch Kreidezeichen
an Hauswänden und auf Bürgersteigen. Genau wie die Reisenden früherer
Zeiten sich durch Graffiti über die Qualität der lokalen Infrastruktur
austauschten tun dies auch moderne Informationsnomaden. Um überall
mit dem Internet verbunden zu sein nutzen sie oft auch die (unzureichend
gesicherten oder absichtlich offen gelassenen) Wireless LANs von
Institutionen und Privatpersonen, um über diese Netzwerke Verbindung
mit dem Netz der Netze aufzunehmen. Welche WLAN-Hotspots in
Deutschland frei zugäglich sind erfährt man unter www.hotspots-indeutschland.de
Technische Probleme
WLANs benutzen sehr hohe Frequenzen 2,4 bis 2,5 GHz. In diesem Frequenzbereich ändern sich die
Ausbreitungsbedingungen im Nahfeld schon mit kleinsten Veränderungen der Antennenposition und
des Umfeldes der Antenne. So stören metallische Gegenstände in der Nähe der Antenne teilweise
gewaltig. Um die starken Beeinflussungen der Ausbreitung zu verstehen, muß man die verwendete
Wellenlänge berücksichtigen: 2,4 GHz entsprechen etwa 12,7 cm Wellenlänge. Jeder Gegenstand,
der ungefähr so groß ist wie die Wellenlänge, kann die Abstrahlung der Antenne beeinflussen. Also
nehmen Wasser, Pflanzen, Gebäude die Sendeenergie auf und setzen diese in Wärme um. Diese
Energie steht dann nicht mehr für weitere Ausbreitung zur Verfügung.
Ein weiterer Störfaktor sind Reflektionen. HF Energie wird von manchen Oberflächen hervorragend
reflektiert oder abgelenkt. Dabei kann es zur Überlagerung des Originalsignals mit dem abgelenkten
Signal kommen, was zu völliger Auslöschung aber auch zu einer Verstärkung führen kann. Durch
Reflexionen verändert sich oft auch die Polarisation der Welle. Idealerweise sollten Sende- und
Empfangsantenne die gleiche Polarisation haben, also beide vertikal oder beide horizontal. Ein
konkrete, zuverlässige Vorhersage welche Antennen welche Reichweiten bringen ist ohne genaue
Betrachtung der Umgebung nicht möglich.
Wünschenswert sind dünne Kabel wegen ihrer größeren Flexibilität, Aber gerade die dünnen Kabel
sogen für eine starke KabelDämpfung, die in in dB/100 m angegeben wird. Verringern lässt sich die
293
Kabeldämpfung nur durch dickere Kabel, das liegt an der Physik. Das Problem ist, daß man zwar mit
dicken Kabel im Aussenbereich und an einer festmontierten Antenne gut arbeiten kann, ein
Notebook oder ein leichter Accesspoint aber vom dicken Kabel einfach weggehoben werden würde.
Dadurch wird die Mobilität des WLANs wieder eingeschränkt. Um dieses Problem zu umgehen, wird
mit sogenannten "Pigtails" gearbeitet. Dies sind kurze, hochflexible Kabelstücke mit den
entsprechenden Steckern, die vom Notebook oder AP auf das dicke Kabel adaptieren. Dadurch
kommt zwar wieder ein etwas stärker dämpfendes Kabel ins Spiel, aber das System bleibt flexibel.
Dazu kommt noch das die üblichen Winzigstecker der Accesspoints oder PCMCIA-Karten gar nicht an
ein dickes Kabel montiert werden können. Die folgende Tabelle zeigt typische Dämpfungswerte von
HF-Kabeln:
Kabeltyp
Dämpfung bei 2.4 Ghz db/100m
RG58
107
RG213
46
Aircom Plus 21,5
Aircell 7
39
WLAN-Stecker
Lucent
Sehr kleiner Stecker, der nur bei PCMCIA-Karten verwendet wird. Passt nur an RG(Orinoco) 316- oder RG-174-Kabel.
MMCX
Sehr kleiner Stecker der nur bei PCMCIA Karte Verwendung findet. Passt nur an
RG-316 und RG-174 Kabel.z.b. bei Cisco Aironet 350.
SMA
Kleiner Stecker für Access-Points, PCI-Karten o.ä. Kann an RG-316-, RG-58- und
RG213-Kabel angeschlagen werden.
SMA-Stecker: Innengewinde und innen Stift.
SMA-Buchse: Aussengewinde und innen Kelch.
Reverse- Wird sehr oft im WLAN-Bereich verwendet. z.B. D-Link Reverse-SMA.
SMA
Reverse-SMA-Stecker: Innengewinde und innen Kelch.
Reverse-SMA-Buchse: Aussengewinde und innen einen Stift.
TNC
Etwas größerer Stecker, wird gelegentlich an WLAN-Accesspoints und -Clients
gefunden. Passt an RG-316-, RG-58- und RG213-Kabel. Achtung: Es gibt dieses
System umgekehrt: Buchse (Kelch) anstelle des Stiftes für den Innenleiter, es nennt
sich dann "Reverse-TNC". Wird häufiger im WLAN-Bereich verwendet. z.B. von
Cisco.
N
Der Stecker für professionelle Montage und praktisch alle Kabeltypen. Dicke Kabel
zur Antenne sollte man immer mit N-Stecker ausrüsten. Die Verbindung zum
294
Notebook/AP wird dann mit einem Pigtail mit N-Buchse adaptiert.
13.5 Weitere Drahtlos-Verfahren
Das Nebeneinander verschiedener kabelloser Vernetzungstechniken ist nicht leicht zu durchschauen.
Hier ein Überblick über Technik und Anwendung gängiger Systeme, die für den Heimbereich geeignet
sind.
WiMAX
Die Wireless-Technologie Worldwide Interer operability for Microwave Access (WiMAX) hat nicht
zuletzt aufgrund ihrer vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten eine beachtliche Zukunft vor sich. Vor
allem die breitbandige High-Speed-Übertragung zu mobilen Endgeräten nach dem Standard IEEE
802.16e verspricht eine weitergehende Verbreitung. Das Spektrum der WiMAX-Anwendungen reicht
von der "Richtfunk-Anbindung" von Wohngebieten oder Industriekomplexen über die Versorgung
mobiler Laptops bis hin zur Datenversorgung in Städten oder auch in größeren Gebieten, in denen
sich wegen der dünnen Besiedelung das Verlegen von Kabeln nicht lohnt (Gebiete also, die niemals in
den Genuss von DSL kommen werden). Die Funkzellendurchmesser betragen bis zu 20 km (typisch 10
km oder weniger). Auch die Installationskosten sind relativ niedrig, sie betragen etwa ein Drittel der
Kosten für das Universal-Mobile-Telecommunications-System (UMTS). Die (Mobil)Übertragungsraten liegen in der Praxis zwischen 5 Mbit/s und etwa 25 Mbit/s. Die heute bereits in
vielen Ländern zur drahtlosen Breitband-Versorgung eingesetzte WiMAX-Technik beruht auf dem
Standard IEEE 802.16. Bei der aktuellen Version ist der Wechsel der Funkzelle noch nicht möglich, die
Anwendung ist also auf echte Festverbindungen ausgerichtet. Ende 2005 hat das IEEE-Gremium dann
die Version 802.1 6e verabschiedet, womit auch der Wechsel der Funkzelle mit mobilen Endgeräten
möglich sein wird. Die notwendigen Frequenzbereiche bei 2,5 GHz und 3,5 GHz sind verfügbar. Es
wurde auch ein Quality of Service festgelegt, der auch Sprachübertragung erlaubt.
IrDA
Der IrDA (Infrared Data Association) - Standard für den Kurzstreckenbereich (wenige Meter) gehört
schon fast zu den Veteranen der drahtlosen Technologien. Entsprechende Hardware ist sehr
preisgünstig und heute Grundausstattung in Notebooks, Palm-, Handspring- und CE-Plattformen
sowie Handys. Mobile Telefone mit Infrarotschnittstelle gibt es beispielsweise von Siemens, Nokia,
Qualcomm, Motorola und Ericsson. Seit einigen Monaten wird die Infrarot-Technologie mit 16
MBit/s-Transceiver ausgeliefert. Ein schwerwiegendes Handikap hat die IrDA-Technik, denn Sender
und Empfänger benötigen eine direkte Sichtverbindung. Dieses Manko hat sich in der Praxis als so
drastisch erwiesen, daß die Akzeptanz von IrDA sehr nachgelassen hat. Die Hersteller haben bereits
reagiert - in vielen Fällen wird wohl IrDA demnächst von Bluetooth ersetzt, obwohl IrDA mit seinem
Licht-Übertragungsmedium keine Rangeleien um Funkfrequenzen kennt und natürlich auch keinerlei
möglicherweise gesundheitsschädliche Mikrowellen-Strahlung emittiert. Eine weitere Einschränkung
der IrDA-Anwendung: Es sind nur Punkt-zu-Punkt-Verbindungen möglich.
Bluetooth
Über 200 Hersteller ziehen an einem Strang und entwickeln ein Verfahren zur drahtlosen Integration
mobiler Geräte. Aus dem Projekt mit Codenamen "Bluetooth" ging bis zur CeBIT 1999 die erste
Version einer Spezifikation hervor. Wer oder was ist "Bluetooth"? Der Held, um den es hier geht,
regierte vor 1000 Jahren Dänemark und hieß Harald Blaatand, zu deutsch Blauzahn. Eines der
295
wenigen Zeugnisse für die Existenz des Königs legt ein jütländischer Runenstein ab, auf dem steht: "...
Harald, der ganz Dänemark und Norwegen gewann und die Dänen christianisierte." Was dieser
Herrscher vergangener Tage mit drahtlosem Datenaustausch zu tun hat, versucht eine PowerpointPräsentation der "Bluetooth Special Interest Group" zu deuten: "Harald glaubt, daß mobile PCs und
Handys kabellos miteinander kommunizieren sollten." Im Frühjahr 1998 beschlossen die Hersteller
Ericsson, IBM, Intel, Nokia und Toshiba, gemeinsam eine Technik für die kurzreichweitige
Funkverbindung von PCs, digitalen Kameras, Mobiltelefonen und anderen tragbaren Geräten zu
entwickeln. Als Forum für den Austausch von Ideen gründeten sie die "Bluetooth Special Interest
Group", eine Arbeitsgruppe, die zunächst Rahmenbedingungen formulierte und nach und nach einen
Standard festlegen sollte. Die Initiatoren hatten ein Verfahren im Visier, das Anwendern von
Notebooks das Leben erleichtert. Dementsprechend sollte die drahtlose Technik
Stimme und Daten übertragen, überall funktionieren, automatisch Verbindungen aufbauen,
Störeinflüssen von Mikrowellenherden widerstehen, mit kleinen Chips arbeiten, die auch in Handys
passen, wenig Strom verbrauchen, auf offenen Standards beruhen und sehr billig sein.
Am 20. Mai 1998 gab die Special Interest Group Einzelheiten zur Technik bekannt und begrüßte neue
Mitglieder: 3Com, Axis, Cetecom, Compaq, Dell, Lucent, Motorola, Puma, Qualcomm, Symbionics
TDK, VLSI und Xircom. Fünf Monate später wurde von bis dahin mehr als 200 Mitgliedern auf einer
Entwicklerkonferenz in Atlanta die Version 0.7 der Bluetooth-Spezifikation aus der Taufe gehoben.
Heute zählt die Teilnehmerliste rund 520 Einträge. Nun steht die Herausgabe der endgültigen
Fassung 1.0 des Reglements kurz bevor. Nach dem Kalender der Bluetooth-Gruppe sollte das
Dokument im 1. Quartal 1999 erscheinen, nach Möglichkeit bis zur CeBIT. Bis dahin blieben
Detailinformationen in den Händen der Mitglieder. Kurz nach der Veröffentlichung, so lauten die
Pläne, werden Entwicklungswerkzeuge für Bluetooth-Anwendungen erhältlich sein. Die ersten
Produkte schließlich, welche die Technik umsetzen, könnten dann in der zweiten Jahreshälfte auf den
Markt gehen. Auch wenn es bislang nocht keine Bluetooth-Chips zu kaufen gibt, können wir schon
davon träumen; die Web-Site der Arbeitsgruppe (http://www.bluetooth.org) versorgt uns mit
genügend Stoff:
Handys schalten am Arbeitsplatz automatisch auf den kostenlosen Betrieb im firmeninternen
Telefonnetz um und funktionieren zu Hause als Schnurlosapparate im Festnetz. Die Teilnehmer einer
Konferenz brauchen ihre Notebooks nur einzuschalten, um sie miteinander zu verbinden. Auch der
Referent braucht kein Kabel, wenn er den Projektor an einen PC anschließt. E-Mail, die der Anwender
im Flugzeug auf seinem Notebook verfaßt, wird abgeschickt, sobald er nach der Landung sein Handy
auf Stand-by schaltet. Der PDA des Außendienstmitarbeiters tauscht selbständig mit dem PC im Büro
Informationen aus und aktualisiert seine Daten.
Das Verfahren, nach dem Bluetooth-Geräte arbeiten, gründet zum Teil auf dem Standard 802.11 des
Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Eine 9 mal 9 Zentimeter große Chipkarte
sendet im Mikrowellenbereich von 2,4 GHz bis 2,48 GHz. Dieser Abschnitt des gebührenfreien ISMBands (ISM = Industrial, Scientific and Medical) liegt sehr nahe an der Arbeitsfrequenz eines
Mikrowellenherds, dessen Magnetron in der Regel mit 2,450 GHz schwingt. Daß der Funkverkehr
trotzdem störungsfrei verläuft und auch neben anderen Wireless-Netzen funktioniert, soll eine
Technik garantieren, die sich in dem sogenannten Baseband-Protokoll manifestiert. Hierin ist
festgelegt, daß die Trägerfrequenz nicht konstant bleibt, sondern in einer zeitlichen Abfolge
verschiedene Werte aus einer festen Menge von Frequenzen annimmt. Der Sender springt bis zu
296
1600 mal in der Sekunde zwischen 79 Stufen einer Frequenztreppe, die mit 1 MHz großen Abständen
den Bereich von 2402 MHz bis 2480 MHz abdecken. Ein Gerät, das die Nachricht empfangen will,
muß mit dem Sender synchronisiert sein und genau die gleiche Sprungfolge für die Trägerfrequenz
verwenden. Nur Nachrichten, die diesen Fingerabdruck tragen, landen bei den Teilnehmern eines
Bluetooth-Netzes, Signale anderer Quellen werden herausgefiltert. Die Daten schließlich werden der
Sprungfolge durch eine binäre Frequenzmodulation angehängt. Bluetooth kann in einem
asynchronen Modus Pakete übertragen, wobei in der Regel auf einen Slot, das heißt pro Element der
Sprungfolge, ein Paket zu liegen kommt. Der Austausch erfolgt entweder symmetrisch mit einer
Datenrate von 432 KBit/s oder asymmetrisch mit 721 KBit/s in einer Richtung und 57,6 KBit/s in der
anderen. Reservierte Zeitfenster ermöglichen dabei einen Full-Duplex-Betrieb, bei dem
Kommunikationspartner zur selben Zeit senden und empfangen dürfen. Alternativ zur Datenleitung
kann eine Verbindung auch gleichzeitig drei Sprachkanäle mit jeweils 64 KBit/s Bandbreite
unterbringen. Zum Umwandeln von Sprache in ein digitales Signal dient "Continuous Variable Slope
Delta Modulation", ein Verfahren, das gegenüber Bitfehlern als vergleichsweise unempfindlich
eingeschätzt wird.
Ein Bluetooth-Netz ist aus einzelnen Blasen, sogenannten Piconets, aufgebaut, die jeweils maximal
acht Geräte aufnehmen. Damit auch mehrere Teilnehmer drahtlos kommunizieren können, treten bis
zu zehn Piconets eines Empfangsbereichs miteinander in Kontakt. Der Gründer eines Teilnetzes,
nämlich das Gerät, welches die erste Verbindung herstellt, nimmt unter den übrigen Mitgliedern eine
primäre Stellung ein und gibt die innerhalb des Piconet gebräuchliche Sprungfolge vor. Damit die
anderen Geräte Schritt halten, schickt der Master Synchronisationssignale. Außerdem führt er Buch
über die drei Bit langen Mac-Adressen der Piconet-Teilnehmer und versetzt diese nach Bedarf in
eingeschränkte Betriebszustände.
Den Aufbau einer Verbindung übernimmt das Software-Modul "Link-Manager". Dieses entdeckt
andere Link-Manager in einem Empfangsbereich, mit denen es über ein eigenes Protokoll, das LinkManager-Protokoll, Daten austauscht. Das Modul authentifiziert Geräte, behandelt Adreßanfragen,
verfügt über eine einfache Namensauflösung und sendet und empfängt Anwendungsdaten. Darüber
hinaus handelt es mit dem Kommunikationspartner den Verbindungstyp aus, der bestimmt, ob
Sprache oder Daten über den Äther gehen. Auch an die Sicherheit haben die Entwickler gedacht.
Bluetooth-Geräte weisen sich gegenseitig mit einem Challenge/Response-Mechanismus aus und
kodieren Datenströme mit Schlüsseln von bis zu 64 Bit Länge. Abgesehen davon haben es Mithörer
wegen der großen Zahl möglicher Sprungfolgen schwer, sich in ein Piconet einzuklinken.
Eine Mitgliedschaft in der Special Interest Group ist für Unternehmen der EDV-Branche aus zweierlei
Hinsicht interessant. Zum einen erhalten Entwickler die Gelegenheit, die Spezifikation nach ihren
Vorstellungen mitzugestalten. So ist von den Gründern der Gruppe die Firma Ericsson für weite Teile
des Baseband-Protokolls verantwortlich, während die Module für die PC-Integration von Toshiba und
IBM stammen, Intel Wissen über integrierte Schaltungen einbringt und Nokia Software für
Mobiltelefone liefert. Zum anderen bekommen Teilnehmer Zutritt zu den Vorabversionen des
Standards und können frühzeitig mit der Entwicklung von Bluetooth-konformen Geräten und
Programmen beginnen. Wer sich in die Gruppe aufnehmen lassen will, besucht die Bluetooth-WebSite und schickt unter dem Link "Members" eine E-Mail mit verschiedenen Angaben an eines der fünf
Gründungsmitglieder. Kurz darauf erhält der Bewerber in elektronischer Form zwei
Vertragsformulare, die er unterschrieben per Post zurückschickt. Das eine, genannt "Adopters
Agreement", sichert dem Teilnehmer die gebührenfreie Benutzung der Spezifikation für eigene
297
Produkte, die ein Bluetooth-Label tragen dürfen. Wie das lauten wird, heißt es dort - denn Bluetooth
ist lediglich ein vorläufiger Codename des Projekts -, entscheidet Ericsson. Die Vertragsanlage "Early
Adopter Amendment" verpflichtet jene, die vor der Veröffentlichung des Standards beitreten, die
Dokumente vertraulich zu behandeln.
Damit Produkte das Bluetooth-Label erhalten, müssen sie nicht nur das Baseband-Protokoll
unterstützen. Je nach ihrem Einsatzgebiet müssen sie auch mit Protokollen der Anwendungsebene
arbeiten und verschiedene Datenobjekte integrieren. Mobiltelefone zum Beispiel sollten mit PCs
oder PDAs elektronische Visitenkarten des V-Card-Standards austauschen, wohingegen ein Kopfhörer
weniger Aufgaben zu erledigen hat. Bluetooth-Geräte bauen dabei nicht nur selbständig Verbindung
zu ihren Kollegen auf, sie erkennen auch, mit welchen Fähigkeiten diese ausgestattet sind.
Die Datenrate eignet sich eher für Anwendungen mit seltenem Datenaustausch in meist kleinem
Umfang. So bildet Bluetooth keine Konkurrenz zu Wireless-LANs (WLANs), da dort inzwischen
Bandbreiten von 11 MBit/s eingeführt wurden. Die wesentlichen Bluetooth-Applikationen, die in
Betrieben von Mitarbeitern angenommen werden, bestehen aus unternehmenseigen Anwendungen
wie Messaging, Knowledge Management (Unwired Portal), Datenbankabfragen usw. sowie dem
Zugang zum Internet.
298
14.
Anhang
14.1 Literatur
Holzmann/Plate:
Linux-Server für Intranet- und Internet
Den Server einrichten und administrieren
Hanser-Verlag
Erich Stein:
Taschenbuch Rechnernetze und Internet
Fachbuchverlag Leipzig
Axel Sikora:
Technische Grundlagen der Rechnerkommunikation
Douglas E. Comer:
Computernetzwerke und Internets
Prentice Hall (Pearson Studium)
James F. Kurose/Keith W. Ross:
Computernetze
Prentice Hall (Pearson Studium)
Andrew S. Tanenbaum:
Computer Networks
Verlag Prentice Hall
Larry L. Peterson, Bruce S. Davie:
Computer Netzworks
Morgan Kaufmann
W. R. Stevens:
Programmierung von UNIX-Netzen
Hanser-Verlag/Prentice-Hall
Fischer/Müller:
Netzwerkprogrammierung unter Linux und UNIX
Hanser-Verlag
Selzer/Kämmerer:
Moderne Computer-Netzwerke
Hanser-Verlag
299
Frank R. Walther:
Networker's Guide, 1. Auflage
Verlag Markt & Technik
Frank R. Walther:
Networker's Guide, 2. Auflage
Burkhard Müller:
Netzwerke
Anonymous:
Hacker's Guide
Radia Perlman:
Bridges, Router, Switches
Verlag Addison-Wesley
Wolfgang Riggert:
Rechnernetze
Jochen Wallenwein:
Elektroinstallation für IT-Berufe
Hüthig & Pflaum
WLAN-Links
•
Informationen des Bundesamtes für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) zum Thema
Sicherheit in WLANs:
http://www.bsi.bund.de/literat/doc/wlan/wlan.pdf
•
Artikel vom CCC zum Thema WEP-Verschüsselung:
http://www.cryptolabs.org/wep/WeisWEPcccDatenschleuder.html
•
Artchalking-Webseite (Wardriving in München):
http://www.artchalking.org/
•
Netstumbler fuer Windows (Spürt WLAN-Netze auf):
http://www.netstumbler.com
•
System-Test-Distribution von Knoppix (mit CD-Image). Zum Testen von Systemen. Enthält alle
Hacker-Tools:
http://www.knoppix-std.org/
•
Deutsches Forum der Wardriver:
http://www.wardriving-forum.de/
300
•
Aktikel zu WLAN-Hacking mit Vorstellung der Tools:
http://www.it-academy.cc/content/article_browse.php?ID=593
•
Wiki zum Fritz!Box-DSL-Router (Mit vielen Modifikationen und Tools):
http://www.wehavemorefun.de/fritzbox/Main_Page/
14.2 RFC 1925: The Twelve Networking Truths
Network Working Group
Request for Comments: 1925
Category: Informational
R. Callon, Editor
IOOF
1 April 1996
Status of this Memo
This memo provides information for the Internet community. This memo does not specify an Internet
standard of any kind. Distribution of this memo is unlimited.
Abstract
This memo documents the fundamental truths of networking for the Internet community. This memo
does not specify a standard, except in the sense that all standards must implicitly follow the
fundamental truths.
Acknowledgements
The truths described in this memo result from extensive study over an extended period of time by
many people, some of whom did not intend to contribute to this work. The editor merely has
collected these truths, and would like to thank the networking community for originally illuminating
these truths.
1. Introduction
This Request for Comments (RFC) provides information about the fundamental truths underlying all
networking. These truths apply to networking in general, and are not limited to TCP/IP, the Internet,
or any other subset of the networking community.
2. The Fundamental Truths
(1) It Has To Work.
(2) No matter how hard you push and no matter what the priority, you can't increase the speed of
light.
(2a) (corollary). No matter how hard you try, you can't make a baby in much less than 9
months. Trying to speed this up might make it slower, but it won't make it happen any
quicker.
(3) With sufficient thrust, pigs fly just fine. However, this is not necessarily a good idea. It is hard to
be sure where they are going to land, and it could be dangerous sitting under them as they fly
overhead.
301
(4) Some things in life can never be fully appreciated nor understood unless experienced firsthand.
Some things in networking can never be fully understood by someone who neither builds commercial
networking equipment nor runs an operational network.
(5) It is always possible to aglutenate multiple separate problems into a single complex
interdependent solution. In most cases this is a bad idea.
(6) It is easier to move a problem around (for example, by moving the problem to a different part of
the overall network architecture) than it is to solve it.
(6a) (corollary). It is always possible to add another level of indirection.
(7) It is always something
(7a) (corollary). Good, Fast, Cheap: Pick any two (you can't have all three).
(8) It is more complicated than you think.
(9) For all resources, whatever it is, you need more.
(9a) (corollary) Every networking problem always takes longer to solve than it seems like it
should.
(10) One size never fits all.
(11) Every old idea will be proposed again with a different name and a different presentation,
regardless of whether it works.
(11a) (corollary). See rule 6a.
(12) In protocol design, perfection has been reached not when there is nothing left to add, but when
there is nothing left to take away.
Security Considerations
This RFC raises no security issues. However, security protocols are subject to the fundamental
networking truths.
References
The references have been deleted in order to protect the guilty and avoid enriching the lawyers.
Author's Address
Ross Callon
Internet Order of Old Farts
c/o Bay Networks
3 Federal Street
Billerica, MA 01821
Phone: 508-436-3936
EMail: rcallon@baynetworks.com
302

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