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HW-Bausteine und Verkabelung

Zusammenfassung HW-Bausteine

Repeater

• Regeneriert und verstärkt elektrisches Signal
• keine Bitinterpretation
• kennt keine Pakete / Mac-Adressen

Hub

• Konzentrator für LANs
  • ~Multiport-Repeater

Bridge / Switch

• Nimmt physikalische Trennung von Netzen vor
• Führt Fehler- und Lasttrennung durch
• Mechanismen zum Filtern implementiert
• Lernt die MAC-Quell-Adressen der aktiven Endgeräte
• Trennt Kollisions-Domänen im LAN auf Schicht 2

Router

• Entkoppelt (Teil-)Netze auf logischer (Protokoll-)Basis
  • aufgrund von Layer-3-Adressen
• Steuert Verkehr zwischen Netzen (Wegefindung)
• Arbeitet Protokollabhängig
• Trennt Broadcast- und Kollisionsdomänen im LAN

Gateway

• Nimmt Umwandlung von Diensten vor
  • ISDN-Telefonie ↔ Voice-over-IP
• Security Mechanismen möglich
  • Firewall, Proxy

Unterschiede Bausteine

Switch vs. Router

Routing vs. Switching

Weiterleitung vs. Routing

Broadcast-Domäne

Bereich/Definition

umfasst alle Geräte und Netzwerksegmente, die durch Switches, Hubs und Brücken miteinander
verbunden sind, jedoch nicht durch Router getrennt werden

Layer-2-Switche leiten Broadcasts, insbesondere an alle Ports innerhalb des gleichen
VLANs weiter

Begrenzung durch Router

Router begrenzen Broadcast-Domänen, indem sie Broadcast-Pakete nicht an andere Netzwerke weiterleiten.
Dies ist wichtig, da ein unkontrollierter Broadcast-Verkehr das Netzwerk überlasten und die Leistung
beeinflussen kann.

Broadcast-Typen

ARP-Anfragen

DHCP-Anfragen

Essenziell, um Netzwerkadressinformationen zu ermitteln oder zuzuweisen

Kollisionsdomäne

Bereich/Definition Kollisionsdomäne

Netzwerksegment, in dem Datenpakete kollidieren können, wenn zwei Geräte gleichzeitig senden.
Typisch für ältere Ethernet-Netzwerke, die auf einer Bus-Topologie oder Hub basieren und das
CSMA/CD-Protokoll (Caarrier Sense Multiple Access with Collision Detection) verwenden.

Begrenzung

Verwendung von Switches oder Routern anstelle von Hubs

Während Hubs das gesamte Netzwerk zu einer KD machen, isoliert jeder Port eines Switches/Routers
eine separate KD.

CSMA/CD-Protokoll

Wird verwendet, um Kollisionen zu handhaben. Wenn eine Kollision erkannt wird, stoppen die sendenden
Geräte, warten eine zufällige Zeitspanne und versuchen dann erneut, ihre Daten zu senden.

Mehrfachzugang mit Trägerprüfung und Kollisionserkennung

Grundprinzipien

Carrier Sense (Trägererkennung)

• Ethernetgerät prüft, ob Übertragungsmedium frei ist, bevor es sendet
  • für hinreichend lange Zeit (Round-Trip-Delay) keine Übertragung

Multiple Access (Mehrfachzugriff)

• Mehrere Ethernet-Geräte haben gleichzeitig und konkurrierend Zugriff auf das gleiche Übertragungsmedium
  • können senden, wenn es frei ist

Collision Detection (Kollisionserkennung)

• Während Übertragung weiterhin Medium abhören, um mögl. Kollision festzustellen
  • wenn erkannt:
    • spezielles Kollisionserkennungssignal, um alle Geräte im Netzwerk zu informieren
• NUR der Sender kann die Kollision NUR während des Sendevorgangs erkennen!

Jam Signal (Störsignal)

• wenn Kollision erkannt:
  • spezielles Störsignal, um alle Geräte im Netzwerk zu informieren

Backoff-Algorithmus

• Verzögerung vor erneutem Versuch
  • alle Geräte warten eine zufällige Zeit vor erneutem Übertragungsversuch
  • Wartezeit wird in Slot-Times berechnet
    • typ. Slot-Time: 51,2 Mikrosekunden
• Exponentieller Backoff
  • Wartezeit wird nach jeder Kollision erhöht, um Wahrscheinlichkeit weiterer Kollisionen zu verringern

Ergänzung: Eine sendewillige Ethernetstation…

• hört Kanal vor Übertragung auf Senderaktivität ab
• beginnt frühestens 9,6μs nach Freiwerden des Kanals mit dem Senden
  • Inter Frame Gap (IFG)
    • ermöglicht es anderen Ethernet-Stationen, das Senderecht zu erlangen
      • verhindert Monopolisierung der Übertragung
    • gibt Ethernet-Station, die gerade empfangen hat, Zeit, um in Empfangsmodus zurückzuschalten
    • wird verwendet, um minimale Pause zu gewährleisten
    • ermöglicht es Netzwerkgeräten, Zeit für die Verarbeitung der Frames und für die Erkennung von Kollisionen zu haben
      • besonders wichtig in älteren Ethernet-Varianten (10BASE-T)
• Überwacht den Kanal auch während des Sendens
• Bricht Übertragung bei Entdeckung einer Kollision sofort ab
  • und sendet Störsignal
• Bleibt für die zufällige BEB-Zeit (Backoff) inaktiv
  • Versucht Übertragung danach erneut, wenn Kanal laut CS frei ist

Beispielaufgabe Klausur Broadcast-/Kollisionsdomänen

• Netzwerkplan gegeben
• Alle Broadcast- und Kollisionsdomänen einzeichnen
  • Router trennen Broadcast-Domänen
  • Router, Switch und Bridge trennen Kollisionsdomänen
• 
• 
• Antwort:

Netzwerktopologien

Strukturierte Verkabelung

Primärbereich

Gebäudeübergreifende Verkabelung mittels Glasfaser (redundanter Kabeltrassen auf Lichtwellenleiterbasis)

Beginnen und enden an Gebäudeverteilern

Aufgrund der relativ großen Entfernung, Erdungsproblematik, Bandbreite → Glasfaser

Beispiel: Backbone zwischen Gebäuden eines Campus

Sekundärbereich

• Gebäudeintern
  • einzelne Etagenverteiler auf Grundlage von Kupfer- oder Glasfaserkabeln
• Innerhalb des Gebäudes zwischen Zentralraum und Etagenverteiler

Tertiärbereich

• Meist sternförmige Verkabelung auf Etagenebene
  • Endgeräte mit Etagenverteilern verbinden
• Kupfer- / Glasfaserkabel

Beispielaufgabe Klausur strukturierte Verkabelung

• 
• Lösung:
  • 

Ethernet (IEEE 802.3) in einer Nussschale

• Problem: Viele Ethernetstationen greifen konkurrierend auf einen Bus zu
• Lösung:
  • Carrier Sensing (CS)
  • Multiple Access (MA)
  • Collision Detection (CD)
  • Binary Exponential Backoff-Algorithmus (BEB)
• 

IEEE 802-Protokollfamilie

Data Flow (Transmitting Data)

Data Flow (Receiving Data)

Ethernet Header

Kabeltypen

• Kupferkabel
  • Twisted Pair
    • Geschirmt / Ungeschirmt
• Glasfaser
  • Multimode
  • Monomode

Schirmung oder nicht?

Schirmung ist nur dann sinnvoll, wenn beide Seiten auf selbem Erdungspotenzial liegen

Niemals zwischen Gebäuden!