Grundlagen Paketvermittelte und Leitungsvermittelte Netzwerke

Paketvermittelte Netzwerke (Packet Switched Networks)

IP-Protokoll

Das IP-Protokoll ist ein verbindungsloses Protokoll, das Quell- und Zieladressen für die Datenkommunikation über ein paketvermitteltes Netz verwendet.

IP-Adresse

Eine IP-Adresse ist eine 32-Bit-Ganzzahl, die eine Netzwerkschnittstelle eindeutig identifiziert. IP-Adressen können basierend auf dem Wert des ersten Bytes in verschiedene Klassen eingeteilt werden.

Verfügbare Private IP-Adressbereiche

• Klasse A: 10.0.0.0/8
• Klasse B: 172.16.0.0/12 (172.16.0.0 bis 172.31.255.255)
• Klasse C: 192.168.0.0/16 (192.168.0.0 bis 192.168.255.255)

Netzmaske (Netmask)

Die Netzmaske ist eine 32-Bit-Ganzzahl, die in Verbindung mit einer IP-Adresse verwendet wird. Sie definiert, welche binären Bits der Adresse den Netzwerkteil (durch 1 gekennzeichnet) und welche den Host-Teil (durch 0 gekennzeichnet) darstellen.

Fragmentierung

Das IP-Protokoll ermöglicht die Fragmentierung von Paketen zur Anpassung an die maximale Übertragungseinheit (MTU). Dabei wird ein IP-Paket in kleinere Einheiten aufgeteilt. Hierfür werden die Felder Identification, Flags (z. B. "More Fragments") und Fragment Offset verwendet. Fragmentierte Pakete werden immer erst beim Empfänger wieder zusammengesetzt, nicht auf dazwischenliegenden Routern. Die Größe der Daten muss dabei immer ein Vielfaches von 8 sein.

Ethernet

Codierungen

• 10BaseT: Manchester-Codierung, verwendet steigende oder fallende Flanken.
• 100BaseTX: 4B/5B Blockcodierung (4 Bits werden in 5 Bits umgewandelt).
• 1000BaseTX: Data Scrambling mittels XOR-Funktionen.

Übertragungsmodi

• Vollduplex: Die physische Umgebung wird nicht mit einem anderen Sender geteilt (gleichzeitiges Senden und Empfangen möglich).
• Halbduplex: Gemeinsames physisches Medium, erfordert Koordination zwischen den Sendern. Dieses Protokoll verwendet CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection).

Flusskontrolle (Flow Control)

Das Ethernet-Protokoll beinhaltet Funktionen zur Flusskontrolle, die es zwei Netzwerkgeräten ermöglichen, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu arbeiten. Es umfasst auch Auto-Negotiation-Mechanismen, um die korrekte Übertragungsgeschwindigkeit automatisch auszuhandeln.

ARP-Protokoll (Address Resolution Protocol)

Das ARP-Protokoll ist für die Übersetzung einer logischen Netzwerkadresse (IP-Adresse) in die entsprechende physische Adresse (MAC-Adresse) verantwortlich.

Standard 802.1Q (VLAN)

Das 802.1Q-Protokoll ermöglicht es, mehrere logische Netze (VLANs) auf derselben physischen Infrastruktur zu betreiben, indem es sie in mehrere "virtuelle" Netzwerke unterteilt und Interferenzen verhindert.

Bestimmung der VLAN-Zugehörigkeit

Die Zuordnung eines Frames zu einem VLAN kann auf verschiedene Weisen erfolgen:

• Tagged Frames: Die VLAN-ID ist direkt im Ethernet-Frame enthalten (802.1Q-Tagging).
• Untagged Frames (Konventionelle Zuordnung): Der Switch bestimmt das VLAN anhand verschiedener Methoden:
  • Port-basiert: Der Eingangs-Port ist fest einem bestimmten VLAN zugeordnet.
  • MAC-Adress-basiert: Die MAC-Adresse des Frames wird einem bestimmten VLAN zugeordnet.
  • Protokoll-basiert: Die Zuordnung erfolgt basierend auf dem verwendeten Protokoll.

Frame-Weiterleitung

Beim Senden eines Frames wird zunächst eine Liste der zulässigen Ports ermittelt (alle Ports außer dem Eingangs-Port, falls die MAC-Adresse nicht in der FDB (Forwarding Database) bekannt ist). Diese Liste wird anschließend durch die Member Set-Tabelle gefiltert, welche festlegt, welche Ports mit dem jeweiligen VLAN verbunden sind.

Leitungsvermittelte Netzwerke

Grundlegendes Telefonnetzwerk

Pfadauswahl-Algorithmen in Raumschaltnetzen

• Zufällig (Random): Zwischenmatrizen werden stichprobenartig untersucht, bis ein gültiger Pfad gefunden wird.
• Rotation: Es wird durch alle Zwischenmatrizen rotiert (zuerst 0, dann 1, etc.).
• Sequenziell (Sequential): Es wird versucht, die Zwischenmatrizen in einer geordneten Reihenfolge vollständig zu durchsuchen.