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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

Folien zum BuchRechnernetze

5. aktualisierte AuflageHanser, 2014

Wolfgang Riggert

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

80-20-Regel

Serverbandbreite und –geschwindigkeit steigen Latenzzeit-Reduktion Multimedia-Anwendungen Multicast-Anwendungen

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Topologie-Übersicht

Bus Ring Stern

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Anzahl der Kommunikationsteilnehmer

M

M

M

A

A

A

UUnicast:

One-to-one Kommunikation

Multicast:

One-to-many Kommunikation

Anycast:

One-to-nearest Kommunikation

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Anzahl der Kommunikationsteilnehmer

Philosophenschicht

Übersetzerschicht

Technikschicht – reale Übertragung

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ISO-SchichtenApplication

Presentation

Session

Transport

Network

Data Link

Physical1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

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ISO-/OSI-ReferenzmodelApplication

Presentation

Session

Transport

Network

Data Link

Physical1.

2.

3.

4.

5.

6.

7. Anwendung

Darstellung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Anw

endu

ngss

yste

mTr

ansp

orts

yste

m

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ISO-Referenzmodell vs.DoD-Modell

Anwendung

Sitzung

Darstellung

Transport

Netzwerk

Sicherung

Bitübertragung

Prozess/Anwendung

Host-to-Host

Internet

Netzwerkzugang

OSI-Modell DoD-Modell Netzwerk-Funktion

Anwendung Benutzerschnittstelle

Garantierte Zustellung

„Routing“ zwischen Netzwerken

Physikalische Verbindungzwischen zwei Punkten

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ISO-/OSI-Referenzmodel

Beispiel: Ablage des Wortes 76 54 32 10 = 7654321016 im Speicher:24 16 8 0

Little Endian

n+3 76

n+2 54

n+1 32

Adresse n 10

Big Endian

n+3 10

n+2 32

n+1 54

Adresse n 76

• Intel IA-32• MIPS64• Alpha

• SPARC• 29K• MIPS64• Alpha (optional)

Zum Beispiel:

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Subnetz Host BHost A

Nutzdaten vs. OverheadAnwendung

Sitzung

Darstellung

Transport

Netzwerk

Sicherung

Anwendung

Sitzung

Darstellung

Transport

Netzwerk

Sicherung

Anwendungsprotokoll

Darstellungsprotokoll

Sitzungsprotokoll

Transportprotokoll

Netzwerk- protokoll

Sicherungs- protokoll

Physikalisches Protokoll

Subnetz-interne Protokolle

Bitübertragung Bitübertragung

Physikalisches Medium

7.

6.

5.

4.

3.

2.

1.

7.

6.

5.

4.

3.

2.

1.

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Analoge Übertragung

Amplitude

PeriodeZeit

Spannung (V)

Phase

Frequenz = 1/Periode

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Signalerkennung

Bereich für 1

Bereich für 0

Abtastzeitraum Abtastzeitraum AbtastzeitraumUndefiniert Undefiniert

Signal

t

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Bedeutung des Abtastzeitpunktes

1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0

Signal

Taktraster

Abtastzeitpunkt

Abtastfrequenz zu hoch

Sender Empfänger

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Codierungsverfahren0 1 1 1 1 1 0 1 0

Manchester

NRZINon Return to Zero Inverted

MLT-3Multilevel Transmission Encoding - 3 Levels

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Primärverkabelung

Lichtwellenleiterkabel für den Backbonebereich

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Sekundärverkabelung

Lichtwellenleiter- oder Kupferkabel für den Steigbereich

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Tertiärverkabelung

Kupferkabel für den Horizontalbereich

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Strukturierte Verkabelung

1. Primärbereich2. Sekundärbereich (Vertikalverkabelung)3. Tertiärbereich (Horizontalverkabelung)

1

2

3

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Distributed vs. Collapsed Backbone

Distributed Backbone Collapsed Backbone

Tertiärverkabelung Tertiärverkabelung

Primärverkabelung

Seku

ndär

verk

abel

ung

Primärverkabelung

Verzicht auf Sekundärverkabelung

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Glasfaseraufbau

Primary Coating

Secondary Coating Cladding

Core

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Unterschiedliche Glasfaserkabel

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Multimode-Stufenfaser

DispersionHigh-Order Mode

Low-Order Mode

OutputPulse

r

r

RefractiveIndex Profile

η

η2

η1

Stufenindex

InputPulse

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Multimode-Gradientenfaser

Dispersion

OutputPulse

r

r

RefractiveIndex Profile

η

η2

η1

Gradientenindex

InputPulse

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Aufbau eines Kupferkabelsmit 8 Adern

Category 5

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Übertragung auf 4 Paaren

+

+

T

R250Mb/S

R

250Mb/ST

T

R250Mb/S

R

250Mb/ST

T

R250Mb/S

R

250Mb/ST

T

R250Mb/S

R

250Mb/ST

+

+1 GBit/s

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Ethernet-Entwurf R. Metcalfe

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Ethernet-Entwurf

Transceiver

TAP

Interface Cable

Interface

Controller

Station

Terminator

The Ether

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Ethernet V2Präambel Ziel-MAC-

AdresseQuell-MAC-

AdresseTyp Daten Prüfsumme

8 Bytes 6 Bytes 6 Bytes 2 Bytes46 bis 1500

Bytes 4 Bytes

Minimale Framegröße: 64 bis max. 1518 Bytes

Prä. Ziel Quelle Typ Daten Prüf. Prä. Ziel Quelle Typ Daten Prüf.

Interframe Gap(20 Bytes Abstand zwischen zwei Frames)

20 Bytes

Frame 1 Frame 2

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CSMA

Sende-willig

Medium frei?

Datensenden

ja

nein

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CSMA/CD

Sende-willig

Medium frei?

Datensenden

nein

Störsignal senden

Medium frei?

Versanderfolgreich

Warten

ja ja

nein

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CSMA/CD: Zusammenfassung

A B C D

A B C D

A B C D

A B C D

Carrier-Sense

Carrier-Sense

Kollision

t0

t1

t2

t3

A möchte sendenund horcht

A sendetC möchte sendenund horcht

A und C sendenKollision!

Ausbreitung derKollision

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Übertragungskapazität

64 128 256 512 768 1024 1280 15180

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

14880

8445

4528

23491586

1197 961 812

Bedeutung der IFG

Framegröße (bytes)

Pake

tanz

ahl p

ro s

ekun

de

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10Base5-Architektur

Dropkabelmax. 50m

Koaxialkabel

min. 2,5m

TransceiverAUI

Abschluss-widerstand

Max. Segmentlänge 500m

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10Base2-Architektur

Abschluss-widerstand

Max. Segmentlänge 185m

Koaxial-kabel

min. 0,5m

AnschlussBNC-Stecker

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5-4-3 Regel

500m 500m 500m500m 500m

2.500m

Diese Regel beschreibt die max. Netzausdehnung des Ethernets:5 Segmente können durch 4 Repeater/Hubs verbunden werden, wobei nur 3 Segmente Host aufnehmen dürfen.

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10BaseT-Architektur

100m100m

100m

100m 100m

PCs Server

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Fast Ethernet: Medienunterstützung

100 Mbps MAC (Media Access Control)802.3 CSMA/CD Ethernet

MII (AUI Äquivalent)

100BaseTX

2-Paar CAT52-Paar STP

100BaseT4

4-Paar CAT34 und 5 UTP

100BaseFX

MultimodeGlasfaser

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Migration:Ethernet zu FastEthernet

Anwendungen

Management

CSMA/CD MAC

Fiber(10BaseF)

Anwendungen

Management

CSMA/CD MAC

Kein Wechsel

Kein Wechsel

Kein Wechsel

TwistedPair(10BaseT) (Cat. 3, 4, 5)

Fiber(100BaseFX)

2 Paar UTP, STP(100BaseTX) (Cat. 5)

Vier Paar UTP(100BaseT4) (Cat. 3, 4, 5)

Coax(10Base2)

Coax(10Base5)

Ethernet Fast Ethernet

Wahlmöglichkeit Wahlmöglichkeit

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Migration:FastEthernet zu GigabitEthernet

Anwendungen

Management

CSMA/CD MAC

Kein Wechsel

Kein Wechsel

Kein Wechsel

Fiber(100BaseFX)

2 Paar UTP, STP(100BaseTX) (Cat. 5)

Vier Paar UTP(100BaseT4) (Cat. 3, 4, 5)

Fast Ethernet

Wahlmöglichkeit

Anwendungen

Management

CSMA/CD MAC

Shielded TP(1000BaseCX)

Kurz WL Optics(1000BaseSX)

Gigabit Ethernet

Twisted Pair(1000BaseT)

Lang WL Optics(1000BaseLX)

Wahlmöglichkeit

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ELFEXT-Werte

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Gigabit-SchichtendiagrammGigabit-Ethernet

IEEE 802.3

1000BaseCXIEEE 802.3z

50 µm500 m*550 m*

1000BaseSXIEEE 802.3z

1000BaseLXIEEE 802.3z

1000BaseTIEEE 802.3ab

MM LWL850 nm

MM LWL1300 nm

SM LWL1300 nm

Twinax STP150 Ohm

Cat . 5100 Ohm

62,5 µm220 m*275 m*

50 µm550 m*

62,5 µm550 m*

9/10 µm3000 m*

2 Paare25 m*

4 Paare100 m*

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10-Gigabit-SchichtenMAC (Media Access Control)

Reconciliation Sublayer

XGMII (10 Gigabit Media Independant Interface

64B/66B PCS

PMAPMD

64B/66B PCS

WISPMAPMD

8B/10B PCS

PMAPMD

10GBase-R 10GBase-W 10GBase-X

MDI MDIMDI

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IPv4-Header0-3 4-7 8-11 12-15 16-19 20-23 24-27 28-31

Version IHL Type of Service Paketlänge (in Bytes)

Identifikation Flags Fragmentation Offset

Time to Live Protokoll Header Prüfsumme

Quell-IP-Adresse

Ziel-IP-Adresse

Optionen Padding

Daten

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ARP-Paketaufbau0-3 4-7 8-11 12-15 16-19 20-23 24-27 28-31

Hardware-Adresse

Protokoll-Adresse

Hardwareadresslänge in Byte Protokolladresslänge in Byte

Operation Code

Hardware- und Protokolladresse des Senders

Hardware- und Protokolladresse des Empfängers

Operation CodeARP request = 1ARP reply = 2RARP request = 3RARP reply = 4

Die Hardware Adresse entspricht der MAC-Adresse,die Protokolladresse der IP-Adresse.

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Paketschichtung

Anwendungsschicht(Telnet, FTP etc.)

Transportschicht(TCP, UDP)

Netzwerkschicht(IP)

Verbindungsschicht(Ethernet, TR etc.) DatenTCP/UDP

HeaderIP HeaderEthernetHeader

DatenTCP/UDPHeaderIP Header

DatenTCP/UDPHeader

Daten

EthernetTrailer

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TCP Header0-3 4-7 8-11 12-15 16-19 20-23 24-27 28-31

Source TCP Port Nummer Destination TCP Port Nummer

Sequenz-Nummer

Acknowledgement-Nummer

Offset Reserviert Flags Window Größe

TCP Prüfsumme Urgent Pointer

Optionen Padding

Daten

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TCP-Verbindungsaufbau

SYN(Kann ich mit dir sprechen?)

SYN, ACK(Sicher, was gibt‘s?)

ACK, Daten(Gut, ich höre dich, blabla…)

Hanna

Fritz

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TCP-Verbindungsabbau

FIN(Das ist genug für heute, bye.)

ACK(OK, tschüss!)

ACK(Verbindung geschlossen)

Hanna

Fritz

FIN

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Verwaltung

IP-Adressbeispiel 1ITK-Abteilung

Geschäftsleitung

10.0.2.250 10.0.2.10-5910.0.2.1

10.0.1.250 10.0.1.10-24

10.0.1.1

10.0.3.250 10.0.3.10-49

10.0

.3.1

10.0

.3.1

10.0

.3.1

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IP-Adressbeispiel 2

Internet

Unternehmens-netzwerk

• 140.25.32.0

• 140.25.64.0

• 140.25.96.0

• 140.25.128.0

• 140.25.160.0

• 1

40.25.192.0

• 140.25.224.0

Ein bekanntes Netz,sieben Subnetze.

Lokaler Router

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Netzwerk- und Hosteinteilungder Adressklassen

Class A Network Host

Octet 1 2 3 4

Class B Network Host

Octet 1 2 3 4

Class C Network Host

Octet 1 2 3 4

Class D Host

Octet 1 2 3 4

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IP-AdresshierarchieNetzwerk-ID: Identifikation des physikalischen NetzwerkesHost-ID: Identifikation des Rechners am Netzwerk

Netzwerk des Unternehmens XY(Netzwerk-ID)

Rechner des Mitarbeitersdes Unternehmens XY(Host-ID)

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

Host-Adressen

172. 16. 200. 11

255. 255. 0. 0

172. 16. 3. 10

255. 255. 0. 0

172. 16. 12. 12

255. 255. 0. 0

10. 1. 1. 1

255. 0. 0. 0

10. 250. 8. 11

255. 0. 0. 0

10. 180. 30. 118

255. 0. 0. 0

E0 E1

IP: 172.16.2.1 /16 IP: 10.6.24.2 /8

172. 16. 12. 12

255. 255. 0. 0

Network Host

Forwarding Table

Network Interface

172.16.0.0 E0

10.0.0.0 E1

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

IP-Header-Veränderungen0-3 4-7 8-11 12-15 16-19 20-23 24-27 28-31

Version IHL Type of Service Paketlänge (in Bytes)

Identifikation Flags Fragmentation Offset

Time to Live Protokoll Header Prüfsumme

Quell-IP-Adresse

Ziel-IP-Adresse

Optionen Padding

Daten

Geändert Entfernt

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

IPv4-Header0-3 4-7 8-11 12-15 16-19 20-23 24-27 28-31

Version IHL Type of Service Paketlänge (in Bytes)

Identifikation Flags Fragmentation Offset

Time to Live Protokoll Header Prüfsumme

Quell-IP-Adresse

Ziel-IP-Adresse

Optionen Padding

Daten

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

IPv6-Header0-3 4-7 8-11 12-15 16-19 20-23 24-27 28-31

0-31 Version Klasse Flow Label

32-63 Nutzlastlänge Nächster Header Hop Limit

64-95

Quell-IP-Adresse (128 Bit)96-127

128-159

160-191

192-223

Ziel-IP-Adresse (128 Bit)224-255

256-287

288-319

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

Extension Header

IPv6 HeaderNext Header =TCP

TCP Headerund Daten

IPv6 HeaderNext Header =Routing

RoutingHeaderNext Header =TCP

TCP Headerund Daten

IPv6 HeaderNext Header =Routing

RoutingHeaderNext Header =Fragment

RoutingHeaderNext Header =TCP

Fragment of TCP Headerund Daten

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

Adressklassen für IPv6

Global Unique-Local Link-Local

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

Home Agent

Kommunikation in Mobile IPv6

Kommunikationspartner

Foreign Agent

Mobiler Rechner

Dreiecksverbindung

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

Broadcast- und Kollisionsdomäne

Broadcastdomäne

Kollisionsdomäne

Layer 2-Switches trennen Kollisions-aber keine Broadcastdomänen

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

Cut-Through-VerfahrenDA SA L oder Type PDU + PAD FCS

6 6 2 46 – 1500 4 Bytes

Cut Through LatencyFifo-Latency

Cut Through-Switching

First in

First out

Quelle: Bildungsinitiative Networking

Ermitteln desZielports aus derSwitchingtabelle

Herstellen derVerbindung

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

Store-and-Forward-VerfahrenDA SA L oder Type PDU + PAD FCS

6 6 2 46 – 1500 4 Bytes

Lifo-Latency

Fifo-Latency

First in

First out

Quelle: Bildungsinitiative Networking

Ermitteln desZielports aus derSwitchingtabelle

Herstellen derVerbindung

Last in64 bis zu 1518 Bytes

Store andForwardSwitching

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

Switchingablauf

MAC Adresse: 0001.2345.6789

MAC Adresse: 0002.ABCD.EF12

Frame Paket

Destination0002.ABCD.EF12

E0 E6

MAC Address Output Interface

AAAA.1111.BBBB Ethernet 10

3215.2511.AFFC Ethernet 5

0001.2345.6789 Ethernet 0

3005.6789.AA05 Ethernet 0

0002.ABCD.EF12 Ethernet 6

0005.3ADB.1112 Ethernet 6

Switching Tabelle

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

Redundante SwitchesSwitch 3 Switch 1

Switch 2

PC 2

PC 2

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

Redundante Bridges

Station B

Station A

1/1

1/2

2/1

2/2

Bridge 1 Bridge 2

Segment B

Segment A

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

Routerszenario

Station A

Router 1

Station B

Router 2 Station C

Station D

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

Routingablauf

Router 1 Router 2 Router 3Netz A Netz D

Netz B Netz C

E0 S0 S0 S1 S0 E0

Netz Interface

A E0

B S0

C S0

D S0

Netz Interface

B S0

C S1

A S0

D S1

Netz Interface

C S0

D E0

B S0

A S0

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

Routingtabelle

Netzwerk Interface Nächster Hop Metrik Alter Port

198.113.181.0 Ethernet0 192.150.42.177 [170/304793] 02:03:50 D

198.113.178.0 Ethernet0 192.150.42.177 [110/9936] 02:03:50 O

192.168.96.0 Ethernet0 192.150.42.177 [120/3] 00:00:20 R

192.168.97.0 Ethernet0 C

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

Routingschleife

Netzwerk 1 unerreichbar

Alternativroute:Netzwerk 1, Hops 4

Netzwerk 1ausgefallen

Alternativroute:Netzwerk 1, Hops 3

B

C

D

A E

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

TTL-AblaufIPS: SenderD: ZielTTL = 1

TTL = 0

Router A Router B

Router A Router B

TTL = 1 TTL = 0

Sender

Sender

Ziel

Ziel

S: Router AD: SenderTTL expired

IPS: SenderD: ZielTTL = 2

IPS: SenderD: ZielTTL = 1

S: Router BD: SenderTTL expired

S: Router BD: SenderTTL expired

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

Switch-Router-Taxonomie

Switch everywhere

Switch where you can,route where you must

Route once, switch afterwards

Route everywhereLayer 3Routing

Layer 3Cut-Through

Layer 2/3 VLAN-Switching

Layer 2Switching

Kontrolle Kosten

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

MIB-Baum

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

Serverplatzierung

Router 1 Router 2

Die Server hinter einem Router zu platzieren, stellt sicher, dass das MAC-Spoofing diese Server nicht beeinträchtigt.

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

ServerplatzierungWellenlänge

Frequenz [Hz]

3.000km 30km

102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018

300m 3m 3cm 300µm 3µm 30nm 0.3nm

NF-Bereich

HF-Bereich

Mikrowellen-Bereich

OptischerBereich

Röntgen/Gamma-bereich

AnalogeTelefonie

AM-Radio

TV & FM-Radio

MobileTelefonie

Mikrowellen-ofen

Röntgenbilder

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

Access Point

Access Point

54 Mbit/s BandbreiteCSMA/CA

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

Kanalüberlappung

2 7

3 8

4 9

5 10

1 6 11

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

2400 2441 2483

Channel

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

Kanalabdeckung

Ch1 Ch11 Ch6 Ch11 Ch6

Ch6 Ch1 Ch11 Ch1 Ch11

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

WLAN-Zeitspannen

Mediumbelegt

NächsterFrame

DIFS SIFS

PIFS

DIFS

ZufälligerBackoff-Mechanismus

Wartezeit

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

WLAN-Paketformat

1 2 3

Rechner 1 Access Point 1 Access Point 2 Rechner 2

1 FrameControl Duration Access

Point 1 Rechner 1 Rechner 2 Sequence Control

2 FrameControl Duration Access

Point 2Access Point 1 Rechner 2 Sequence

Control Rechner 1

3 FrameControl Duration Rechner 2 Access

Point 2Access Point 2

Sequence Control Rechner 1

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Wolfgang Riggert, Rechnernetze,5. Auflage, Carl Hanser 2014

WEP-Funktion

Initialisierungsvektor = 24 Bit Zufallszahl IV

Schlüssel40 oder 104 Bit

Klartext

kombinieren RC4-Algorithmus

XOR

kombinieren

IntegritätsalgorithmusPrüfsummenberechnung

IV

Schlüsseltext