Computernetzwerke: Aufbau, Modelle und Topologien

Computernetzwerke

Definition

Ein Netzwerk ist eine Gruppe verbundener Computer, die über Kabel, Satellit, Mikrowelle, Telefonleitungen und Glasfaser Informationen austauschen. Jedes aktive Gerät im Netzwerk wird als Knoten bezeichnet. Netzwerke werden verwendet, um Ressourcen, insbesondere Informationen, zu teilen.

Vorteile von Netzwerken

• Zuverlässigkeit (mehrere Ressourcenquellen)
• Skalierbarkeit der Rechenkapazität
• Kommunikation

Gründe für den Aufbau eines Netzwerks

• Gemeinsame Nutzung von Programmen, Dateien und Computern: Kosteneinsparungen im Vergleich zu Einzellizenzen.
• Gemeinsame Nutzung von Ressourcen: Drucker, Festplatten usw.
• Gemeinsame Nutzung von Daten: Datenbankinformationen, Suchfunktionen und gleichzeitige Abfragen.
• Zusammenarbeit: E-Mail, gemeinsame Projekte.
• Zentrale Steuerung: Einfache Wartung, Reparatur, Upgrades, Backups, Serverkontrolle.
• Sicherheit: Zugangsbeschränkungen für Unbefugte.
• Verbindung verschiedener Computermarken.

OSI-Modell

Das OSI-Modell (Open Systems Interconnection) besteht aus sieben Schichten und beschreibt, wie Daten verpackt und von einer sendenden Anwendung über physische Kabel an eine empfangende Anwendung übertragen werden.

Aufgaben des Senders

• Daten erkennen
• Daten in Einheiten aufteilen
• Informationen und Fehlerprüfung hinzufügen
• Daten über das Netzwerk senden und weiterleiten

Schichten des OSI-Modells

• Bitübertragungsschicht (Physical Layer): Sendet Bits über ein physisches Medium und stellt sicher, dass sie fehlerfrei sind. Beschreibt elektrische und mechanische Eigenschaften, Stecker und Übertragungsmodi (Duplex, Halbduplex, Simplex).
• Sicherungsschicht (Data Link Layer): Gruppiert Bits der Bitübertragungsschicht zu Frames. Erkennt Fehler, die in der physischen Umgebung auftreten.
• Netzwerkschicht (Network Layer): Steuert den Betrieb des Subnetzes. Entscheidet, wie Pakete ihr Ziel erreichen. Löst Engpässe durch Auswahl mehrerer Pfade.
• Transportschicht (Transport Layer): Übernimmt Daten von der Sitzungsschicht und stellt die Zustellung sicher. Teilt Daten bei Bedarf in kleinere Einheiten auf. Multiplexiert Verbindungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Bietet Mechanismen zur Identifizierung mehrerer Verbindungen.
• Sitzungsschicht (Session Layer): Steuert die Kommunikation zwischen Anwendungsprozessen, einschließlich Herstellung und Beendigung.
• Darstellungsschicht (Presentation Layer): Interpretiert Daten der Anwendungsschicht und führt syntaktische Transformationen durch, damit sie übertragen und von den Empfangsprozessen erkannt werden können.
• Anwendungsschicht (Application Layer): Bietet Kommunikationsdienste für Benutzeranforderungen wie Dateitransfer, Fernzugriff und Remote-Arbeitsplätze.

TCP/IP-Modell

Das TCP/IP-Modell ist eine Sammlung von Protokollen für die Internetkommunikation und besteht aus vier Schichten:

• Netzzugriffsschicht
• Internetschicht
• Transportschicht
• Anwendungsschicht

Topologien

• Bus
• Stern
• Baum
• Ring

Netzwerkklassifizierung

• Nach Größe: LAN, MAN, WAN
• Nach logischer Verteilung: Server, Client
• Nach Rolle: Client/Server-Netzwerke, Peer-Netzwerke

IP-Adressen

• Nach Erreichbarkeit: öffentliche und private IP-Adressen
• Nach Dauer: statische und dynamische IP-Adressen

IP-Klassen

• Klasse A: 0 bis 127 (1-126)
• Klasse B: 128.1 bis 192.254
• Klasse C: Erste 3 Bytes für Netzwerk, letztes für Host
• Klasse D: Multicast
• Klasse E: Reserviert

Netzwerkhardware

Hubs

Ein Hub ist ein Repeater. Ein dünnes Koaxialkabel kann bis zu 185 Meter lang sein und bis zu 30 Knoten verbinden. Ein dickes Koaxialkabel kann bis zu 500 Meter lang sein und bis zu 100 Knoten verbinden.

Bridges

Bridges verbinden zwei Netzwerke. Sie überwachen den Netzwerkverkehr und lernen, welche Geräte sich wo befinden. Sie erstellen eine Tabelle mit MAC-Adressen.

Switches

Switches analysieren Ethernet-Frames und leiten sie an den richtigen Port weiter. Sie reduzieren Kollisionen.

• Store and Forward: Empfängt einen Frame, analysiert ihn und leitet ihn weiter.
• Cut-Through: Liest die ersten Bytes des Frames, um die Zieladresse zu ermitteln, und beginnt sofort mit der Übertragung.
• Spanning Tree: Algorithmus zur Vermeidung von Schleifen.

Router

Router überprüfen jedes Paket, prüfen die IP-Adresse und bestimmen den besten Weg zum Ziel. Sie ermöglichen die Verbindung mehrerer Systeme und verbessern die Übertragungsleistung zwischen Netzwerken. Sie können Netzwerke mit unterschiedlichen Protokollen verbinden.

VLANs

VLANs erstellen separate Broadcast-Domänen. Router sind erforderlich, um Informationen zwischen VLANs zu übertragen. VLANs ermöglichen die Kontrolle von Broadcasts auf Schicht 2.

Kabel

• Crossover-Kabel: Router zu Router, Hub zu Hub, Switch zu Switch, PC zu PC, PC zu Router, Hub zu Switch.
• Direktverbindung: Router zu Switch, Router zu Hub, Hub zu PC, Switch zu PC.