Grundlagen der Netzwerktechnik: OSI-Modell, Topologien und Übertragungsmedien

Grundlagen der Elektrotechnik

Transistor: Der Transistor ist ein elektronisches Bauelement, das Signale verstärkt oder als Schalter arbeitet.

Integrierte Schaltung: Eine integrierte Schaltung ist ein Bauelement aus mehreren Transistoren, das auf einem Halbleiter (z. B. Silizium) gefertigt wird.

Widerstand: Ein elektrisches Bauteil, das den Stromfluss in einem Stromkreis begrenzt bzw. regelt.

Kondensator: Ein Kondensator speichert Energie in Form eines elektrischen Feldes zwischen zwei durch einen Isolator getrennten Platten.

Elektrische Grundgrößen

• Spannung: Die elektromotorische Kraft, die Ladungen bewegt. Sie wird in Volt gemessen.
• Stromstärke: Der Ladungsfluss in einem Stromkreis. Sie wird in Ampere gemessen.
• Widerstand: Der Widerstand ist die Behinderung des Stromflusses. Es gilt R = U / I.
• Impedanz: Der Gesamtwiderstand gegen Wechselstrom.

Leiter, Isolatoren und Halbleiter

• Leiter: Materialien, in denen sich Elektronen leicht bewegen, z. B. Gold oder Kupfer.
• Isolatoren: Materialien, die den Stromfluss kaum zulassen.
• Halbleiter: Materialien mit kontrollierbarer Leitfähigkeit, z. B. Germanium oder Silizium.

Netzwerktechnik: Topologien

Topologie: Die Topologie beschreibt die physische und logische Struktur eines Netzwerks.

Bus-Topologie

Bus: Bei der Bus-Topologie werden Geräte über ein gemeinsames Koaxialkabel verbunden. Die maximale Segmentlänge beträgt bei 10BASE5 500 m, bei 10BASE2 185 m. Die Dämpfung des Signals begrenzt die Reichweite. Die Bus-Topologie ist heute weitgehend veraltet.

Stern-Topologie

Stern: Bei der Stern-Topologie werden alle Geräte zentral über einen Hub bzw. Switch verbunden. Die maximale Kabellänge beträgt 100 m.

Vorteile: Einfache Installation, Ausfall eines Kabels betrifft nur ein Gerät, geringe Kosten, stabil, bekannte Technologie.

Nachteile: Fällt der zentrale Hub aus, ist das gesamte Netzwerk betroffen.

Erweiterter Stern

Erweiterter Stern: Mehrere Sterne werden miteinander verbunden. Länge und Größe des Netzwerks nehmen zu.

Ring-Topologie

Token Ring: Die Geräte sind ringförmig verbunden. Ein Token wird reihum weitergegeben, sodass keine Kollisionen auftreten. Die Installation und Konfiguration ist aufwendig.

Ethernet-Standards

• 100BASE-TX: Verwendet UTP-5-Kabel, Vollduplex (Switch) oder Halbduplex (Hub).
• Halbduplex: Die Übertragung erfolgt abwechselnd in beide Richtungen, nicht gleichzeitig.
• Vollduplex: Die gleichzeitige bidirektionale Übertragung ist möglich.
• 10BASE2 / 10BASE5: Ältere Ethernet-Standards mit Koaxialkabel.
• IEEE 802.3: Der Standard für Ethernet.

Verkabelung

T568A: Weiß-Grün, Grün, Weiß-Orange, Blau, Weiß-Blau, Orange, Weiß-Braun, Braun.

T568B: Weiß-Orange, Orange, Weiß-Grün, Blau, Weiß-Blau, Grün, Weiß-Braun, Braun.

Das OSI-Modell

Das OSI-Modell beschreibt die Kommunikation in Netzwerken in sieben Schichten.

• Schicht 7 – Anwendung: Stellt Dienste für Anwendungen bereit, z. B. Zugriff auf Anwendungen.
• Schicht 6 – Darstellung: Sorgt für die einheitliche Darstellung und Verschlüsselung von Daten, z. B. ASCII, JPG.
• Schicht 5 – Sitzung: Initiiert, verwaltet und beendet Sitzungen, z. B. Sitzungen bei MSN.
• Schicht 4 – Transport: Zerlegt Daten in Segmente, sorgt für Fehlerkontrolle und Zuverlässigkeit, z. B. TCP und UDP.
• Schicht 3 – Vermittlung (Netzwerk): Wählt den Pfad, Routing und IP-Adressierung, z. B. IP.
• Schicht 2 – Sicherung (Data Link): Stellt die Verbindung zwischen benachbarten Knoten her und erkennt Fehler, z. B. IEEE 802.3, 802.5, Switch, MAC.
• Schicht 1 – Bitübertragung: Legt elektrische, mechanische und prozedurale Eigenschaften der physischen Verbindung fest, z. B. Spannung, Übertragungsdistanzen und Datenrate.

Kapselung: Beim Senden werden die Daten von Schicht 7 bis 1 verpackt (Kapselung), beim Empfangen von Schicht 1 bis 7 wieder ausgepackt (Entkapselung).

Das TCP/IP-Modell

Das TCP/IP-Modell besteht aus vier Schichten:

• Anwendung: Umfasst die Funktionen der OSI-Schichten Darstellung und Sitzung sowie Anwendung.
• Transport: Sorgt für Zuverlässigkeit und Flusskontrolle.
• Internet: Versendet Pakete vom Ursprung zum Ziel über das IP-Protokoll.
• Netzzugang: Ermöglicht den Zugriff auf das Netzwerk und entspricht den OSI-Schichten 1 und 2.

Komponenten eines LANs

• NIC (Netzwerkkarte): Gerät der Schicht 2 mit einer eindeutigen MAC-Adresse. Sie steuert den Zugriff auf das Übertragungsmedium.
• Repeater: Regeneriert Signale und verstärkt sie.
• Hub: Zentrales Gerät, das Signale empfängt und an alle Ports weiterleitet. Er filtert keinen Verkehr und erhöht die Kollisionsgefahr.
• Bridge: Teilt Netzwerke in Segmente mit eigenen Kollisionsdomänen. Sie filtert den Verkehr anhand von MAC-Adressen.
• Switch: Trifft Entscheidungen anhand der MAC-Adressen und überträgt Daten gezielt an den richtigen Port.
• Router: Trifft Entscheidungen anhand der IP-Adressen (Schicht 3) und verbindet Netzwerke, z. B. das Internet.
• FDDI: Fiber Distributed Data Interface, ein Standard-LAN mit Glasfaser und doppeltem Ring zur Ausfallsicherheit.
• Backbone: Das Rückgrat eines Netzwerks, das den primären Verkehr zwischen Netzwerken transportiert.

Übertragungsmedien

• Koaxialkabel: Besteht aus einem Innenleiter, einer Isolierung und einem Außenleiter. Es ermöglicht lange Strecken und ist steif.
• STP (Shielded Twisted Pair): Verdrillte Adernpaare mit Abschirmung. Sie reduzieren Störeinflüsse, sind aber teuer und schwer zu installieren. Sie werden z. B. in Token Ring verwendet.
• UTP (Unshielded Twisted Pair): Vier verdrillte Adernpaare ohne Abschirmung. Sie sind günstig, flexibel und weit verbreitet.
• Lichtwellenleiter (Glasfaser): Überträgt moduliertes Licht. Er ist teurer, aber unempfindlich gegen Störungen und ermöglicht hohe Datenraten. Singlemode-Fasern erreichen Strecken über 10 km und werden im WAN genutzt, Multimode-Fasern werden im LAN eingesetzt.
• WLAN (Wi-Fi): Die Übertragung erfolgt über elektromagnetische Wellen im Funkbereich. Der Standard IEEE 802.11 nutzt die Frequenzbänder 2,4 GHz und 5 GHz.

Netzwerkzugang und Verbindungen

Zugang zum Netzwerk: Ein Gerät benötigt eine physische Verbindung zu einem anderen Gerät. Dazu gehören Technologien wie LAN und WAN.

Intranet: Ein privates Netzwerk innerhalb einer Organisation.

Internet: Ein weltweites Netzwerk, in dem Pakete über das IP-Protokoll vom Ursprung zum Ziel gesendet werden.

Öffentliche und reservierte Adressen

Sendedatum: Öffentliche Nutzung von IP-Adressen, die für bestimmte Zwecke reserviert sind.