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◄Grundlagen und Motivation
Netze strukturieren und Daten gezielt weiterleiten: Internetschicht►

    • Unser von-Neumann-Rechner hat derzeit keine Möglichkeit der Vernetzung. Dies können wir aber leicht ändern, indem wir ihm eine neue Hardwarekomponente zur Kommunikation einbauen: die Netzkarte (NIC - network interface controller; oft auch Netzwerkkarte genannt).


      Foto: Raimond Spekking, CC BY-SA 4.0 (via Wikimedia Commons)

      Dieses Gerät wird an den Bus angeschlossen und sorgt für die Umwandlung der binären Signale, so dass diese geeignet übertragen werden können. 

      OK, aber:

      • Was sind geeignete Übertragungswege?
      • Wie schnell können die Daten übertragen werden?
      • Warum ist das manchmal aber auch nur langsam möglich?
      • Woher weiß die Netzkarte in einem Verbund von Rechnern (Netzkarten), ob die Daten für sie bestimmt sind?
      • Was passiert, wenn Bits bei der Übertragung durch Störungen "gedreht" werden?

    • Übertragungsmedien entdecken

    • Wissenswert: Seekabelkarte Link/URL
    • Übertragungsmedien

      Für die Übertragung von Daten stehen drei prinzipielle Medien zur Verfügung.

      leitungsgebundener Drahtweg via Kupferkabel

      • Informationsträger: elektrischer Strom
      • typischer Einsatz: LAN-Verkabelung
      • Bemerkungen: Signalfluss durch elektromagnetische Felder beeinflussbar, leicht zu verlegen, hohe mechanische Festigkeit
      leitungsgebundener Lichtweg via Lichtwellenleiter

      • Informationsträger: elektromagnetische Welle (Licht)
      • typischer Einsatz: Verkabelung zwischen Gebäuden, Ortsverkabelung, Seekabel
      • Bemerkungen: keine Beeinflussung durch äußere Störfelder, hohe Abhörsicherheit, nicht oder nur sehr wenig biegsam, Medienkonverter an den Enden notwendig
      nicht leitungsgebundener Funkweg via WLAN, Mobilfunk, Satellitenfunk

      • Informationsträger: elektromagnetische Welle (Hochfrequenzbereich)
      • typischer Einsatz: Richtfunk, ungebundene Ortsverbindungen, Mobilfunk
      • Bemerkungen: keine Kabelverlegung, Signalfluss durch elektromagnetische Felder beeinflussbar, abhörbar

    • Qualität der Netzverbindung untersuchen

    • Qualität der Netzverbindung untersuchen Aufgabe

      Untersuchen Sie mithilfe des Arbeitsblatts die Qualität der Netzverbindungen.

    • Qualität der Netzverbindung

      Für die Leistungsfähigkeit eines Netzes sind die digitale Bandbreite, der Datendurchsatz und die Laufzeit des Datenpakets entscheidend.

      Digitale Bandbreite - maximale Bitrate

      Als digitale Bandbreite wird die maximal mögliche Anzahl von Daten pro Zeiteinheit bezeichnet, die fehlerfrei übertragen werden kann. Sie wird in der Einheit Bit pro Sekunde angegeben und oft als Bit/s oder bps beschrieben. 

      Beispiele:

      In obiger Abbildung wird die digitale Bandbreite für den Download mit 2304 kBit/s und für den Upload mit 224 kBit/s angegeben.
      Die nachfolgende Abbildung zeigt, dass die Download-Bandbreite bei 110 MBit/s liegt, der Providervertrag jedoch nur 51,3 MBit/s zulässt.

      Durchsatz

      Als Durchsatz wird die aktuelle Anzahl von Daten pro Zeiteinheit bezeichnet. Sie wird in der Einheit Bit pro Sekunden angegeben.

      Beispiel: Mithilfe der Breitbandmessung der Bundesnetzagentur kann der aktuelle Durchsatz bestimmt werden.

      Auch beim Herunterladen von Daten zeigt das Betriebssystem den Durchsatz an.

      Laufzeit

      Die Laufzeit ist die Zeit, die eine Nachricht mit bestimmter Größe von einer Stelle des Netzwerks zu einer anderen Stelle benötigt. Statt der Laufzeit nutzt man zur Untersuchung der Netzqualität gern die Round-Trip-Time, also die Zeit, die ein kleines Datenpaket für den Hin- und Rückweg benötigt. Mithilfe des Befehls ping lassen sich die Zeiten messen. 

      Beispiel: Im nachfolgenden Bild sieht man, dass die RTT hier ca. 69 ms beträgt. 

    • Datenpakete übermitteln

      Nachdem die wichtigsten Fragen zu Qualität, Medium, Verkabelung und Topologie geklärt sind, können wir uns nun der Frage der elementaren Übermittlung der Datenpakete zuwenden.

      1. Wie kommen Datenpakete zum gewünschten Empfänger im LAN?
      2. Was passiert, wenn mal ein Bit "kippt"?
    • Beobachtungsauftrag 1 Filius Datei
    • 1 Filius-Datei ping
    • MAC-Adresse und Datenframe Aufgabe
      1. Informieren Sie sich über die Größe und Darstellung der MAC-Adresse.
        Geben Sie den Zweck und die Darstellung der Broadcast-MAC-Adresse an.
      2. Informieren Sie sich über die Größe und den prinzipiellen Aufbau eines Datenframes.
        Vergleichen Sie diesen mit unseren Überlegungen zum Büchsentelefon.
    • MAC-Adresse

      Die MAC-Adresse (Media-Access-Control-Adresse) ist eindeutiger Netzkennung einer Netzkarte in einem Rechnerverbund. Sie ist eine 48 Bit große Binärzahl und wird in der Regel hexadezimal aufgeschrieben. Üblich ist dabei eine byteweise Schreibweise, wobei die einzelnen Bytes durch Bindestriche oder Doppelpunkte voneinander getrennt werden, z. B. 00-80-41-ae-fd-7e oder 00:80:41:ae:fd:7e.

      Muss ein Endgerät ein Paket an alle anderen Geräte im LAN senden, so verwendet es als Ziel-MAC-Adresse die Broadcast-Adresse. Bei dieser haben alle 48 Bits den Wert Eins: FF-FF-FF-FF-FF-FF.

      Daten-Frame

      Ein Datenframe besteht unter anderem aus Ziel- und Quell-MAC-Adressen, Nutzdaten und Prüfsummen zur Gewährleistung der Datenintegrität. Die Ziel-MAC-Adresse ist entweder die Adresse der Netzkarte des Endgerätes oder - falls das Gerät nicht in diesem Netz ist - der Netzkarte des Netzkoppelelements. 

      Im WLAN-System besteht ein Datenframe aus mindestens 64 Byte und maximal 1522 Byte.

      Netzgerät Switch

      Ein Switch realisieren die physische Sterntopologie und ermöglichen so den Aufbau eines LAN. 
      Ein Switch analysiert eintreffenden Datenframe und notiert in einer Tabelle (SAT - Source-Address-Table) die Nummer der Schnittstelle (Port) und MAC-Adressen des darüber erreichbaren Endgerätes. Dadurch ist es möglich, den Datenframe an genau die Schnittstelle zu geben, an der die Netzkarte mit der Ziel-MAC-Adresse verbunden ist. Liegen in der Tabelle keine passenden Daten vor, dann wird der Frame an alle Schnittstellen gesendet. 

      Beispiel: Im Bild gibt es eine Besonderheit: An die Schnittstelle Port 3 wurde ein weitere Switch angeschlossen, daher sind dem Port mehrere MAC-Adressen zugeordnet.

    • Zwischenstand: Vergleich unseres Büchsennetzwerks mit dem Computernetzwerk
      • Alle lauschen an der Büchse.
        → Jeder Rechner ist empfangsbereit und nimmt Signale an der Netzkarte entgegen.
      • Sobald ein Teilnehmer spricht, darf kein anderer sprechen.
      • Jeder Teilnehmer benötigt einen eindeutigen Namen, welcher nicht der Vorname sein muss (2x Anne?).
        → MAC-Adresse
      • Jede Nachricht muss stets mit den Namen des Senders und des Empfängers begonnen werden, also "Paul an Emma: ...".
      • Jede Nachricht wird 2x gesendet. Die zweite Runde wird mit ICH WIEDERHOLE eingeleitet und alles mit dem Wort "Ende" beendet.
        → Nachricht wird durch einen Rahmen (engl. FRAME) zusammengehalten. Dieser besteht aus der Sender- und Empfänger-MAC-Adresse, einer Prüfziffer für die Prüfung der Korrektheit der Nachricht und hat ein definiertes Ende (feste Länge).
      • Beginnen mehrere Teilnehmer zu sprechen, so ist die Nachricht zu ignorieren. Beide Teilnehmer beginnen nach einer zufälligen Zeit erneut zu sprechen.
        → Kollisionserkennung
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