1 Grundlagen Netzwerke und Protokolle Computernetze 1 (CN1) 1 Grundlagen Netzwerke und Protokolle Prof. Dr. Andreas Steffen Institute for Internet Technologies and Applications

Lesestoff im Ethernet Buch Kapitel 1 Eine Einführung in Netzwerke, 1-29 1.1 Erforderliche Netzwerkelemente 1.2 Die Netzwerktopologien 1.3 Einteilung der Netzwerke 1.4 Die Netzwerktechnologien 1.6 Netzwerkarchitekturen

Computernetze 1 (CN1) 1.1 Netzwerk-Topologien

Network Symbols* *as used by Cisco Systems Inc.

Local Area Network (LAN) A network serving a home, building or campus is called a Local Area Network (LAN) Modern switch-based LANs usually have a star topology whereas older hub-based LANs were organized in a bus structure.

Wide Area Network (WAN) failure LANs separated by geographic distance are connected by a network known as a Wide Area Network (WAN) WANs usually have a point-to-point or ring topology The logical topology can be different from the physical one!

Internet The Internet is defined as a global mesh of interconnected networks

1.2 Segmentierung und Multiplexierung Computernetze 1 (CN1) 1.2 Segmentierung und Multiplexierung

Shared Network Communication Data is sent across a network in small “chunks” called segments Segmentation Messages or data streams are split up into segments Multiplexing Multiple users share the same communication channel

Example of Multiplexing and Segmentation ? Intermediary Device

Role of Intermediary Devices I Intermediary Devices provide connectivity and ensure the data flow across the network Examples Network Access Devices (hubs, switches, wireless access points) Internetworking Devices (routers) Communication Servers and Modems Security Devices (firewalls)

Role of Intermediary Devices II Intermediary network devices perform the following functions: Regenerate and retransmit the data signal Maintain information about the pathways existing through the network and internetwork Notify other devices of errors and communication failures Direct data along alternate pathways in the event of a link failure Classify and direct messages according to Quality-of Service priorities Permit or deny the flow of data based on security settings

Computernetze 1 (CN1) 1.3 Netzwerk-Protokolle

What is a Protocol? A protocol is a set of predetermined rules

Function of a Network Protocol Network protocols are used to allow hosts or devices to communicate successfully Protocols provide: The format or structure of the message The process by which networking devices share information about pathways to other networks How and when error and system messages are passed between devices The setting up and termination of communication sessions

Protocol Suites and Industry Standards A standard is a process or protocol that has been endorsed by the networking industry and ratified by a standards organization. A protocol suite is a collection of protocols. Standards Organizations: IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers IETF - Internet Engineering Task Force ITU - International Telecommunications Union

Technology Independent Protocols Diverse types of devices can communicate using the same sets of protocols. This is because network protocols specify network functionality, but not the underlying technology required to support this functionality.

1.4 Das OSI Referenz Modell Computernetze 1 (CN1) 1.4 Das OSI Referenz Modell

Open System Interconnection Reference Model Sender Intermediary Device Receiver 7 Application Layer 7 Protocol Application 7 Layer 6/7 Interface Layer 6/7 Interface 6 Presentation Layer 6 Protocol Presentation 6 Layer 5/6 Interface Layer 5/6 Interface 5 Session Layer 5 Protocol Session 5 Layer 4/5 Interface Layer 4/5 Interface 4 Transport Layer 4 Protocol Transport 4 Layer 3/4 Interface Layer 3/4 Interface 3 Network Layer 3 Protocol Network 3 Layer 2/3 Interface Routing Layer 2/3 Interface 2 Data Link Layer 2 Protocol 2 2 Layer 2 Protocol Data Link 2 Layer 1/2 Interface Layer 1/2 Interface 1 Physical Layer 1 Protocol 1 1 Layer 1 Protocol Physical 1 Communication Link

OSI Reference Model - Application Layer Die Anwendungschicht verschafft den Anwendungen Zugriff auf das Netzwerk (zum Beispiel für Datenübertragung, E-Mail, Virtual Terminal, Remote Login, etc.). Der eigentliche Anwendungsprozess liegt oberhalb der Schicht und wird nicht vom OSI-Modell erfasst. Beispiele: DNS, FTP, HTTP, LDAP, NFS, NTP, SIP, SMTP, Telnet 7 Application 6 Presentation 5 Session 4 Transport 3 Network 2 Data Link 1 Physical Quelle: Wikipedia Communication Link

OSI Reference Model - Presentation Layer Die Darstellungsschicht setzt die systemabhängige Darstellung der Daten (z.B. binäre Integer) in eine unabhängige Form um und ermöglicht somit den syntaktisch korrekten Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Systemen. Auch Aufgaben wie Datenkompression und Verschlüsselung gehören zur Schicht 6. Falls erforderlich, agiert die Darstellungs-schicht als Übersetzer zwischen verschiedenen Datenformaten, indem sie eine normierte Syntax wie z.B. ASN.1 oder XML verwendet. Beispiele: MIME, SSL, TLS 7 Application 6 Presentation 5 Session 4 Transport 3 Network 2 Data Link 1 Physical Quelle: Wikipedia Communication Link

OSI Reference Model - Session Layer Die Kommunikationssteuerungsschicht oder Sitzungsschicht sorgt für die Prozess-kommunikation zwischen zwei Systemen. Um Zusammenbrüche der Sitzung und ähnliche Probleme zu beheben, stellt die Sitzungsschicht Dienste für einen organisierten und synchronisierten Datenaustausch zur Verfügung. Beispiele: Named Pipes, Sockets, RTP, Session establishment in TCP 7 Application 6 Presentation 5 Session 4 Transport 3 Network 2 Data Link 1 Physical Quelle: Wikipedia Communication Link

OSI Reference Model - Transport Layer Zu den Aufgaben der Transportschicht zählen die Segmentierung von Daten-paketen, die Stauvermeidung (Congestion Avoidance), sowie optionale Fehlersicherung und Fehlerkorrektur. Die Transportschicht ist die unterste Schicht, die eine vollständige End-to-End Kommunikation zwischen Sender und Empfänger zur Verfügung stellt. Beispiele: TCP, UDP, SCTP, SPX, DDP 7 Application 6 Presentation 5 Session 4 Transport 3 Network 2 Data Link 1 Physical Quelle: Wikipedia Communication Link

OSI Reference Model - Network Layer Die Vermittlungsschicht oder Netzwerk-schicht sorgt bei leitungsorientierten (connection-oriented) Diensten für das Schalten von Verbindungen und bei paketorientierten (connectionless) Diensten für die Weitervermittlung von Datenpaketen. Die Datenübertragung geht in beiden Fällen jeweils über das gesamte Kommunikations-netz hinweg und schließt die Wegesuche (Routing) zwischen den Netzknoten mit ein. Beispiele: IP, IPsec, ICMP, IGMP, OSPF, IPX, ATP 7 Application 6 Presentation 5 Session 4 Transport 3 Network 2 Data Link 1 Physical Quelle: Wikipedia Communication Link

Layer 3 Example: The Internet Protocol (IP)

OSI Reference Model - Data Link Layer Aufgabe der Sicherungsschicht ist es, eine zuverlässige, das heißt weitgehend fehlerfreie Übertragung zu gewährleisten und den Zugriff auf das Übertragungs-medium zu regeln. Dazu dient das Aufteilen des Bitdatenstromes in Blöcke (Frames) und das Hinzufügen von Sequenznummern und Prüfsummen. Fehlerhafte, verfälschte oder verlorengegangene Blöcke können vom Empfänger durch Quittungs- und Wieder-holungsmechanismen erneut angefordert werden. Beispiele: 802.3 Ethernet, 802.11 WLAN, ATM, Frame Relay, HDLC, PPP 7 Application 6 Presentation 5 Session 4 Transport 3 Network 2 Data Link 1 Physical Quelle: Wikipedia Communication Link

Layer 2 Examples: Different Data Link Media

OSI Reference Model - Physical Layer Die Bitübertragungsschicht stellt mechanische, elektrische und weitere funktionale Hilfsmittel zur Verfügung, um physikalische Verbindungen zu aktivieren bzw. zu deaktivieren, sie aufrechtzuerhalten und Bits darüber zu übertragen. Das können zum Beispiel elektrische Signale, optische Signale (Lichtwellenleiter, Laser), elektro-magnetische Wellen (drahtlose Netze) oder Schall sein. Beispiele: 802.3 Ethernet, 802.11 WLAN, RS-232, V.34, POTS, DSL, SDH 7 Application 6 Presentation 5 Session 4 Transport 3 Network 2 Data Link 1 Physical Quelle: Wikipedia Communication Link

Layer 1 Examples: Cables & Connectors Copper Fibre

Representations of Signals on Physical Media

Transmission Rate Units Unit of Bandwidth Abbreviation Equivalence Bits per second bps 1 bps = fundamental unit of bandwidth Kilobits per second kbps 1 kbps = 1‘000 bps Megabits per second Mpbs 1 Mbps = 1‘000‘000 bps Gigabits per second Gbps 1 Gbps = 1‘000‘000‘000 bps Terabits per second Tbps 1 Tbps = 1‘000‘000‘000‘000 bps Note: transmission rates are decimal (1 kbps = 1000 bps ) whereas storage capacity is binary (1 kbit = 1024 bits)

Protocol Data Unit (PDU) / Service Data Unit (SDU) Ln_PDU = Ln_PCI + Ln_SDU = Ln_PCI + L(n+1)_PDU Sender Receiver 7 Application L7 PDU L7 SDU L7P Application 7 L6 SDU Layer 6/7 Interface Layer 6/7 Interface 6 Presentation L6P L6 PDU Presentation 6 L5 SDU Layer 5/6 Interface Layer 5/6 Interface 5 Session L5P L5 PDU Session 5 L4 SDU Layer 4/5 Interface Layer 4/5 Interface 4 Transport L4P L4 PDU Transport 4 L3 SDU Layer 3/4 Interface Layer 3/4 Interface 3 Network L3P L3 PDU Network 3 L2 SDU Layer 2/3 Interface Layer 2/3 Interface 2 Data Link L2P L2 PDU Data Link 2 L1 SDU Layer 1/2 Interface Layer 1/2 Interface 1 Physical L1P L1 PDU Physical 1 LnP: Layer n Protocol Control Information (PCI) consisting of Header and optional Footer or Trailer

Example: Digital Voice Transmission over Ethernet Sender Receiver 7 Application Voice Samples Application 7 Codec Data Voice Compression Layer 6/7 Interface Layer 6/7 Interface 6 Presentation Presentation 6 Codec Data Layer 5/6 Interface Layer 5/6 Interface 5 Session RTP Session 5 RTP Codec Data Layer 4/5 Interface Layer 4/5 Interface 4 Transport UDP Transport 4 RTP Codec Data UDP Layer 3/4 Interface Layer 3/4 Interface 3 Network IP Network 3 IP RTP Codec Data UDP Layer 2/3 Interface Layer 2/3 Interface 2 Data Link MAC Data Link 2 1 Preamble Layer 1/2 Interface Layer 1/2 Interface 1 Physical Physical 1 Communication Link

Addressing and Naming Schemes Each layer has its own and unique addressing and naming scheme

Computernetze 1 (CN1) 1.5 Das TCP/IP Modell

TCP/IP Protocol Suite

TCP/IP Protocol Stack of a Webserver

TCP/IP Reference Model Developed by the Advanced Research Projects Agency (ARPA) of the U.S. Department of Defence (DoD)

Comparing the OSI and TCP/IP Models TCP/IP combines the upper three layers of the OSI model into a single Application Layer. Part of the OSI Session Layer (e.g. session management) has been integrated into the [TCP] Transport Layer. TCP/IP combines the lower two layers of the OSI model into a single Network Access Layer