Komponenten und Adressierung in Datennetzen
ep11/2005, 3 Seiten
Datennetze Datennetze setzen ihren Einzug in immer neue Bereiche und Systeme fort. Das Internet ist hier ein wesentlicher Antrieb dafür gewesen, dass sie sich immer schneller weiterentwickelt haben. Es gibt kaum noch Bereiche, in denen nicht von Netzwerkprotokollen gesprochen wird. Allen voran ist das Ethernet mit dem Protokoll TCP/IP das wichtigste Netzwerk, welches durch seine mittlerweile immer einfachere Konfiguration nicht mehr aufzuhalten sein wird. In vielen Haushalten geht der Trend zum zweit-, wenn nicht sogar dritt PC, wobei für alle Rechner der Internetzugang - dank DSL - obligatorisch ist. Die Entwicklung geht aber noch weiter. Derzeit ist die Multimediale Heimvernetzung das Thema in der Fachwelt. Längst sind die ersten Hausgeräte, die über Notebook oder PDA programmiert und bedient werden, am Markt verfügbar. Netzwerkleitungen Kennzeichnung Durch Klassen werden die Eigenschaften einer Übertragungsstrecke (Ende zu Ende) beschrieben. Mit Kategorien werden die Anforderungen an das Übertragungsmedium definiert, die notwendig sind, um die Mindestanforderungen der Leistungsklassen zu erfüllen (Tafel ). Eine Übertragungsstrecke nach Klasse D kann nur mit Komponenten der Kategorie 5 oder besser realisiert werden. Ist auch nur eine einzige Komponente der Übertragungsstrecke schlechter als Kategorie 5, ist die Eigenschaft der Klasse D dieser Übertragungsstrecke nicht erfüllt. Kategorien. Leistungsfähigkeit von Komponenten: · Kategorie 3 bis 16 MHz für Telefonie · Kategorie 5 bis 100 MHz für Datentechnik und Telefonie · Kategorie 6 bis 250 MHz für ATM LAN 1200 Mbit/s, 1000 BASE TX · Kategorie 7 bis 600 MHz für 1000 BASE TX2 Klassen. Leistungsfähigkeit von Übertragungsstrecken: · Linkklasse D bis 100 MHz alle heutigen Dienste · Linkklasse E bis 250 MHz ATM LAN 1200 Mbit/s, 1000 BASE TX · Linkklasse F bis 600 MHz 1000 BASE TX2 Eigenschaften Übertragungsstrecke. Eine Übertragungsstrecke besteht im Allgemeinen aus den Komponenten: - Installationskabel, - Stecker, - Buchsen, - Rangierkabel und - Geräteanschlusskabel. Installationskabel. Als Installationskabel wird heute mindestens ein Kabel mit ungeschirmten Leiterpaaren (UTP unshielded twisted pair), besser jedoch mit einem Gesamtschirm aus Folie und Geflecht (S-FTP) bezeichnet. Optimale Übertragungseigenschaften, bis hin zur Linkklasse E und F, erreicht man nur mit STP Kabeln. Bei diesem Kabel sind die Leiterpaare mit einer Folie geschirmt und enthalten zusätzlich noch einen Gesamtschirm, vielfach aus Geflechtmaterial, über alle Leiterpaare (Bild ). Der Begriff „twisted pair“ bedeutet in Deutsch „verdrilltes Paar“. Um elektromagnetische Störfelder, die von einem Leiterpaar ausgehen, zu unterdrücken, werden die Leiter miteinander verdrillt. Innerhalb des Kabelaufbaus befinden sich vier verdrillte Paare, die sich hochfrequenztechnisch betrachtet wie Antennen verhalten. Sind alle Leiterpaare im gleichen Maße stark verdrillt, wären alle Antennen gleich lang und damit optimal aufeinander abgestimmt, d. h. die Kopplung zwischen den Paaren optimal. Daher muss die Verdrillung unterschiedlich stark ausgeprägt sein um die Kopplung zu minimieren. Dieses hat entscheidenden Einfluss auf das Übersprechverhalten zwischen den Leiterpaaren. Leitungslegung. Die Leitungsverlegung wird immer von einem zentralen Punkt aus zu den Anschlusspunkten geführt. Diese Art der Verlegung nennt man „Stern-Topologie“ (Bild ). Hier laufen alle Leitungen zusammen und werden auf einem Patchfeld mit RJ45-Buchsen aufgelegt. Über diese werden die benötigten Signale auf die entsprechenden Buchsen der Anschlussdosen rangiert. Aktive Netzwerkkomponenten Durch den Einsatz aktiver Zusatzgeräte ist es möglich, die Einschränkungen (Längenbeschränkungen, Bandbreitenprobleme) bestehender Netzwerktopologien zu überwinden. Hier gilt es Geräte zu unterscheiden, die Netzwerksegmente (Teilbereiche) verbinden und Geräte, die eigenständige Netzwerke zusammenfügen. Die Geräte lassen sich anhand ihrer Funktionen den Schichten des OSI-Modells zuordnen (Tafel ). Hub Der Hub (engl. Mittelpunkt, Nabe) arbeitet - ähnlich einem Repeater - auf der OSI-Schicht 1. Im Unterschied zum Repeater werden hier allerdings keine physikalischen Bustopologien, sondern Sterntopologien eingesetzt. Die Endgeräte werden alle über ein eigenes Anschlusskabel an den Hub-Port angeschlossen. Trotzdem bildet das ganze Netzwerksegment ein Shared-Medium. Logisch bleibt also die Bustopologie erhalten und jeder angeschlossene Rechner erhält jede Nachricht. Die Verbindung (Kaska-Elektropraktiker, Berlin 59 (2005) 11 883 BETRIEBSFÜHRUNG Komponenten und Adressierung in Datennetzen Begriffe wie „das intelligente Haus“ oder auch „Smart-House“ stehen für die Einbindung der Gebäudetechnik in Datennetze. Eine wesentliche Voraussetzung zu deren Anwendung ist die Vorbereitung der Gebäude durch strukturierte Verkabelung. In diesem Beitrag werden passive und aktive Netzwerkkomponenten sowie das TCP/IP-Protokoll beschrieben. ELEKTRO PRAKTIKER MEISTERWISSEN Autor Dipl.-Ing. Rainer Holtz leitet die Abteilung Informationstechnik am Bundestechnologiezentrum für Elektro- und Informationstechnik e. V. (bfe) in Oldenburg. Tafel Definition Klassen und Kategorien nach EN 50173 Ausgabe 2002 Benennung Bezeichnung Verwendung Klasse A, B, C, D, E, F Eigenschaften einer Übertragungsstrecke Kategorie (1, 2,) 3, 4, 5, 6 und 7 Eigenschaften einzelner Komponenten Kabel, Stecker, Kupplungen Twisted-Pair-Kabel (Beispiel) LAN 3 Sterntopologie (Beispiel) dierung) mehrerer Hubs untereinander lässt eine einfache Erweiterung des Netzes zu. Man kann zwischen aktiven und passiven Hubs unterscheiden. Passive Hubs bilden nur den Knotenpunkt im physikalischen Stern. Aktive Hubs führen, wie Repeater, eine Signalauffrischung durch. Standard Hubs haben in der Regel 8, 12 oder 24 RJ-45 Anschlüsse. Die Autosensing-Funktion, die bei den meisten Hubs integriert ist, erkennt die Geschwindigkeit der angeschlossenen Geräte (10 Mbps oder 100 Mbps) und stellt seine Funktion darauf ein. Wenn viele Geräte in ein Netz integriert werden sollen, ist der Einsatz so genannter Stackable-Hubs (stapelbar) zu empfehlen. Diese Geräte werden über ein herstellerspezifisches Bussystem miteinander verbunden. Alle gestapelten Hubs stellen dann ein logisches Gerät dar. Die maximale Anzahl der zu verbindenden Stackable-Hubs ist herstellerabhängig. Eine weitere Sonderform sind die modularen Hubsysteme. Hier lassen sich die Geräte durch Einschubmodule an die Netzwerkgegebenheiten anpassen. Switch Der Switch (engl. Schalter) arbeitet - genau wie die Bridge - auf der Schicht 2 des OSI-Modells und wertet MAC-Adressen zur Zustellung der Daten aus. Im Unterschied zur Bridge werden hier dedizierte Portverbindungen und damit Direktverbindungen von Endsystemen geschaltet. Durch eine Backplane im Switch, die mit viel höherer Geschwindigkeit arbeitet als das restliche Netzwerk, können mehrere Portverbindungen gleichzeitig betrieben werden. Wie in der Telefonvermittlung wird hier für die Übertragungsdauer eines Rahmens eine Direktverbindung von Absende- und Empfängersystem geschaltet (Bild ). Für die angeschlossenen Endgeräte sieht es dann so aus, als ob ihnen die gesamte Bandbreite für die Übertragung zur Verfügung steht. Gerade im Ethernetbereich kommt dies einer Revolution gleich. Hier kann durch Mikrosegmentierung das Netz in kleinste LAN-Segmente aufgeteilt werden und die Übertragung praktisch kollisionsfrei von einem Endsystem zum nächsten erfolgen. Im Ethernet sind beispielsweise durch den Austausch eines Hubs gegen einen Switch deutlich höhere Datendurchsatzraten zu erzielen. Mit Blick auf Morgen sei empfohlen, dass in neuen Netzwerken immer ein Switch anstelle eines Hubs zum Einsatz kommt. Der Grund liegt u. a. darin, dass eine Erweiterung durch VoIP einen Switch erfordert. Hubs sind hier von Nachteil, da es zu unnötig viel „Traffic“ kommt, die das Netzwerk belasten und damit die Geschwindigkeit beeinträchtigen. Router Router arbeiten auf der OSI-Schicht 3. Das befähigt den Router, Netzwerke mit verschiedenen Zugriffsverfahren und Topologien (Schicht 1 und 2) verbinden zu können. Die an der Datenübertragung beteiligten Rechner müssen aber alle über dasselbe Schicht 3 Protokoll (z. B. IP) und damit über ein einheitliches Adressierungsverfahren verfügen. Da ein Router die ankommenden Pakete bis zur Schicht 3 auspacken muss, um die logische Zieladresse (z. B. IP-Adresse) zu erfahren, sind Router in der Regel langsamer als Switches. Die Hauptaufgabe von Routern besteht in der Wegefindung (Routing) für die Netzwerkpakete vom Absende- zum Zielsystem. Hierzu wird von Routern eine so genannte Routing-Tabelle verwand. In dieser Tabelle werden Zielnetze eingetragen. Empfängt der Router ein Paket, so sieht er in der Routing Tabelle, ob das Zielnetz dort eingetragen ist. Ist dies der Fall, so kann er das Paket weiterleiten. Ist das Zielnetz nicht in der Tabelle eingetragen, so sendet es der Router an einen anderen Router weiter (Default Router), der dann seinerseits versucht das Paket zuzustellen. Das Weiterleiten von Router zu Router wird auch als Hop (Sprung) bezeichnet. Die Tabellen werden entweder von Hand erstellt (statisches Routing) oder von Routing-Protokollen angelegt und angepasst (Dynamisches Routing). Netzwerkprotokoll TCP/IP Das derzeit wichtigste Netzwerkprotokoll ist TCP/IP, das auch im Internet verwendet wird. TCP/IP selbst besteht bereits aus zwei unterschiedlichen Protokollen: · Transmission Control Protocol (TCP) · Internet Protocol (IP) TCP bildet dabei die Grundlage für den eigentlichen Datentransfer. IP ist u. a. für die Adressierung der angeschlossenen Komponenten zuständig. Adressierungsklassen Eine IP-Adresse wird aus vier Byte zusammengesetzt. Die einzelnen Bytes werden üblicherweise als Dezimalzahl dargestellt und durch Punkte von einander getrennt. Mit einem Byte können maximal 256 Werte dargestellt werden. Es ergibt sich also ein Wertebereich von 0 bis 255 pro IP-Byte. Da es einerseits weltweit mehr als 65 536 lokale Netze und andererseits Netze mit mehr als 65 536 Computern existieren (so viele Möglichkeiten gibt es jeweils mit zwei Bytes), gibt es drei Möglichkeiten, welcher Teil der IP-Adresse als Netzkennung und welcher als lokale Rechnerkennung dient (Tafel ). In IP-Netzen gehört zu jeder IP-Adresse eine Subnetzmaske (Subnetmask). Dabei gelten die Zuordnungen in Tafel . IP-Adressierung Welche IP-Adresse soll man nun für die Rechner eines bestimmten lokalen Netzwerks einstellen? Es gibt drei Möglichkeiten: Weltweit eindeutige IP-Adresse. Rechner, die aus dem Internet erreichbar sein sollen, benötigen eine weltweit eindeutige IP-Adresse, die zentral vergeben wird. Dynamische IP-Adresse. Rechner, die selbst nicht erreichbar sind, sondern nur andere Internet-Rechner anwählen, können auch eine dynamische IP-Adresse benutzen, die bei jeder Anwahl vom Internet-Provider vergeben wird. Dazu besitzt der Provider einen Pool von weltweit eindeutigen Adressen, aus dem er dem Anrufer mit dem Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) eine für die Dauer der Verbindung vergibt. Private IP-Adresse. Rechner eines lokalen Netzwerks ohne Internet-Verbindung können private IP-Adressen aus einem speziell dafür reservierten Pool benutzen, wobei Klasse C bei bis zu 254 Computern die richtige Wahl ist, d. h. eine Adresse der Form 192.168.x.y mit gleichem x für alle lokalen Rechner und der Subnetz-Maske 255.255.255.0. (Tafel Nicht geroutete IP-Adressen Nicht alle möglichen IP-Adressen werden geroutet. Nicht geroutete IP-Adressen sind: Elektropraktiker, Berlin 59 (2005) 11 884 BETRIEBSFÜHRUNG Tafel Zuordnung aktiver Komponenten an die Schichten des OSI-Modells anhand ihrer Funktionen OSI-Schicht Gerät Merkmale 1 Repeater, Hub Signalauffrischung 2 Bridge, Switch MAC-Adressierung 3 Router, Layer3-Switch Logische Adressierung (z. B. IP) 4-7 Gateway Komplette Übersetzung der Information Tafel TCP/IP Adressklassen Adress- Wertigkeit result. Werte- Netzwerk-(N) Anzahl verklasse der ersten bereich des /Host-(H)- fügbarer (Name) Bit ersten Byte Teil Rechner- (Definition) (dezimal) adressen Class A 0xxx xxxx 0 - 127 N.H.H.H 16.777.216 Class B 10xx xxxx 128 - 191 N.N.H.H 65.536 Class C 110x xxxx 192 - 223 N.N.N.H 256 Tafel TCP/IP Adressbereiche und Subnetze Netzklasse erstes Adress- Subnetz-Maske max. Netzgröße Byte etwa A 1 ... 126 255.0.0.0 16 Mio. Rechner B 128 ... 191 255.255.0.0 65 000 Rechner C 192 ... 223 255.255.255.0 250 Rechner Sternkoppler Patchfeld BNC Sternkoppler mit Patchfeld (Beispiel) · Classe A-Netz: 10.0.0.0 bis 10.254.254.254 · Classe B-Netz: 172.16.0.0 bis 172.31.254.254 · Classe C-Netz: 192.168.0.0 bis 192.168.254.254. IP-Adressen, die nicht geroutet werden, sind im Internet nicht sichtbar. Für die Einrichtung eines Internetzugangs für ein lokales Netzwerk sollten also unbedingt diese IP Adressen verwendet werden. Dies ist ein wichtiger Sicherheitsaspekt der ein Zugriff auf das lokale Netzwerk aus dem Internet verhindern kann. Zur Eindeutigen Identifizierung eines Rechners in einem TCP/IP-Netzwerk gehört neben der IP-Adresse die sogenannte Subnetmask. Damit können innerhalb eines IP-Netzes Subnetze (Subnet) gebildet werden. Neue Generation: IPv6 Mit zunehmenden Hosts wird der verfügbare Adressraum von IPv4 schnell kleiner. Zur Erweiterung wurde inzwischen eine neue IP-Generation eingeleitet, IPv6. Eine IPv6-Adresse ist 128 Bit lang (IPv4: 32 Bit). Damit gibt es etwa 3,4 x 1038 IPv6-Adressen. Das bedeutet, für jeden Quadratmillimeter Erdoberfläche könnten rund 665,57 Billiarden Adressen (6,65570793 x 1017) bereitgestellt werden. IPv6-Adressen werden nicht in dezimaler (wie z. B. 80.130.234.185), sondern in hexadezimaler Notation mit Doppelpunkten geschrieben. Die Adresse wird in acht Blöcke mit einer Länge von jeweils 16 Bit unterteilt. Beispiel einer IPv6-Adresse: 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e :0370:7344 DHCP Um in einem TCP/IP-Netzwerk kommunizieren zu können, braucht ein Client mindestens eine IP-Adresse, die dazugehörende Netzwerkmaske und, wenn er auch Systeme außerhalb dieses Netzwerks erreichen möchte, die Adresse des Standard-Routers (auch oft als „Standard-Gateway“ bezeichnet). In einem TCP/IP-Netzwerk kommen dann noch weitere Informationen wie die IP-Adresse des DNS-Servers, der Host-Name und der lokale Domain-Name dazu. In einem komplexeren TCP/IP-Netzwerk können dann noch weitere Informationen benötigt werden, beispielsweise die Adressen von Proxy- und Socks-Gateways, News-Servern und anderen. Diese Informationen müssen normalerweise direkt am Client konfiguriert werden und erfordern so eine Nachbearbeitung jeder Client-Installation, da mindestens die IP-Adresse für jeden Client einmalig sein muss. Einfach ausgedrückt werden alle benötigten Informationen am Server konfiguriert und der jeweilige Client fragt sie nach dem Start des Betriebssystems nur noch ab. Zu diesen Informationen am DHCP-Server (Dynamic-Host-Configuration-Protocolserver) gehört damit z. B. die Festlegung eines IP-Adressbereiches, aus denen die Adressen der Clients entnommen werden. DHCP-Client/ Server-Kommunikation Ein als DHCP-Client konfiguriertes Betriebssystem (Standard z. B. bei Windows 95) hat nach dem Start nur die Information, dass das TCP/IP-Protokoll verwendet werden soll, mit welcher Netzwerkkarte es verwendet werden soll und dass ein DHCP-Server alle weiteren Informationen bereitstellt. Der DHCP-Client muss also zunächst den DHCP-Server finden. Er startet eine Abfrage an alle angeschlossenen Rechner des Netzwerkes und bekommt nur vom DHCP-Server die passende Antwort, nämlich eine IP-Adresse. Der DHCP-Server verwaltet eine Datendatei, die zum einen die für jeden Client gültigen Informationen enthält und zweitens einen Bereich von IP-Adressen, die für Clients freigegeben sind. Fragt nun ein Client beim Server nach einer IP-Adresse, stellt der Server anhand der Netzwerkkartenadresse (auch MAC-Adresse genannt) fest, ob dieser Computer schon einmal eine IP-Adresse erhalten hat. Ist dies der Fall, wird dem Client diese Adresse wieder zugeteilt und mit den allgemeinen Informationen übermittelt. Ist jedoch der Client nicht bekannt oder die früher zugeteilte Adresse in der Zwischenzeit wieder vergeben worden, wird eine freie Adresse aus dem Pool vergeben. Ausblick Datennetze sind inzwischen nicht mehr ausschließlich der PC-Welt vorbehalten. Auch der Bereich der Gebäudeautomatisierung wird zunehmend in die Datennetze integriert. Eine wesentliche Voraussetzung zur Anwendung von Datennetzen ist die Vorbereitung der Infrastruktur in Gebäuden durch Verwendung strukturierter Verkabelung oder zumindest einer hinreichenden Installation von Leerrohren. Strukturierte Verkabelung meint eine „sternförmige“ Verkabelung. Nur dadurch wird es möglich sein, für die zukünftigen Anwendungen vorbereitet zu sein. Derzeit macht es vor allem die Entwicklung im Multimediabereich deutlich, wobei nicht nur die digitale Audioübertragung sondern auch die Übertragung von Videosignalen über lokale Netzwerke (LAN) bereits heute möglich ist. Auch die Entwicklungen im Bereich der öffentlichen Netze geht derzeit auf IP-basierende Dienste zu. Das bedeutet, dass die derzeit noch getrennten Dienste wie Internet, Telekommunikation und Rundfunk zusammenwachsen und über ein System in die Haushalte kommen wird (Bild ). Elektropraktiker, Berlin 59 (2005) 11 885 ISDN-Technik Fortsetzung ELEKTRO PRAKTIKER Tafel IP-Adressen für lokale Netze Netzklasse IP-Adresse von bis A 10.0.0.1 10.255.255.254 B 172.16.0.1 172.31.255.254 C 192.168.0.1 192.168.255.254 Datennetz der Zukunft?
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