Author: Klaus Dembrowski
Date: 2012-03-11T23:00:00+00:00
Keywords: Sachbuch
Description: Zwei Computer sind schnell mit einem Netzwerkkabel für den Datenaustausch verbunden, was aber oftmals nicht auf Anhieb und wie gewünscht funktioniert, insbesondere wenn dabei unterschiedliche Betriebssysteme und Programme zum Einsatz kommen. Für die Konfigurierung unterschiedlicher Clients, Benutzer und Netzwerkumgebungen liefert dieses Buch d
Publisher: Addison-Wesley Verlag

Klaus Dembowski

Computernetzwerke

Der leichte Einstieg in Grundlagen und Praxis

^^ ADDISON-WESLEY

An imprint of Pearson

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10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 14 13 12

ISBN 978-3-8273-3092-5

© 2012 by Addison-Wesley Verlag, ein Imprint der Pearson Deutschland GmbH, Martin-Kollar-Straße 10-12, D-81829 München/Germany Alle Rechte vorbehalten

Lektorat: Brigitte Bauer-Schiewek, bbauer@pearson.de Korrektorat: Sandra Gottmann

Herstellung: Martha Kürzl-Harrison, mkuerzl@pearson.de

Coverkonzeption und -gestaltung: Marco Lindenbeck, webwo GmbH (mlindenbeck@webwo.de) Satz: Reemers Publishing Services GmbH, Krefeld (www.reemers.de) Druck und Verarbeitung: GraphyCems, Villatuerta

Printed in Spain

Inhaltsverzeichnis

Kapitel 1

Grundlagen für Computernetzwerke 11

1.1 Geschichte der Netzwerktechnik........................................................14

1.2 Netzwerkdefinition..............................................................................20

1.3 Das OSI-Schichtenmodell......................................................................22

1.4 Klassische Netzwerktopologien............................................................25

1.4.1 Sterntopologie............................................................................26

1.4.2 Ringtopologie und FDDI............................................................27

1.4.3 Die Bustopologie........................................................................27

1.4.4 Die Baumtopologie....................................................................29

1.5 Vom LAN zum WAN..............................................................................30

1.6 Demilitarized Zone - DMZ....................................................................32

1.7 Virtual Local Area Network - VLAN....................................................33

1.8 Standards und Normen........................................................................34

1.8.1 Organisationen..........................................................................35

1.8.2 IEEE-Standards ..........................................................................38

1.8.3 Dokumentation - Request For Comments................................39

Kapitel 2

Das Ethernet 41

2.1 Der Ursprung mit CSMA/CD..................................................................41

2.2 Standard-Ethernet................................................................................43

2.2.1 Shared Medium..........................................................................44

2.2.2 Round Trip Delay und Slot Time................................................44

2.3 10Base5..................................................................................................45

Attachment Unit Interface........................................................46

2.4 10Base2..................................................................................................48

2.5 10BaseT..................................................................................................52

2.5.1 TP-Kabelverbindung für zwei PCs............................................55

2.6 10BaseFX................................................................................................56

2.7 Fast-Ethernet........................................................................................60

2.7.1 100BaseTX..................................................................................62

2.7.2 100BaseFX..................................................................................65

2.8 Gigabit-Ethernet....................................................................................72

2.8.1 1000BaseLX und 1000BaseSX....................................................74

2.8.2 1000BaseCX................................................................................76

2.8.3 1000BaseT....................................................................................78

2.9 Kodierungsverfahren............................................................................81

2.9.1 Manchester-Kodierung..............................................................81

2.9.2 4B/5B-Kodierung........................................................................82

2.9.3 8B/10-Kodierung........................................................................84

2.9.4 MLT-3-Kodierung........................................................................87

2.9.5 PAM5- und Trellis-Kodierung....................................................88

2.10 Ethernet-Schichten und Frame-Formate ............................................89

2.10.1 Rahmentypen..............................................................................92

2.11 10 Gigabit-Ethernet..............................................................................96

2.11.1 Realisierungen mit Lichtwellenleitern......................................97

2.11.2 Interfaces....................................................................................100

2.11.3 10GBaseT....................................................................................101

Anschluss und Kabel..................................................................103

2.12 Energy Efficient Ethernet......................................................................104

2.13 Power over Ethernet............................................................................104

2.13.1 Elektrische Umsetzungen..........................................................105

Kapitel 3

Medien verlegen und überprüfen 109

3.1 Koaxialkabel..........................................................................................109

3.1.1 Überprüfen von Koax-Verbindungen........................................111

3.2 Twisted Pair-Kabel................................................................................112

3.2.1 Spezifikationen..........................................................................112

3.2.2 Steckverbindungen....................................................................114

3.2.3 Kabelaufbau und Spezifikationen............................................117

Dämpfung und Inhomogenitäten............................................117

Bandbreite..................................................................................119

Übersprechen - Crosstalk..........................................................119

3.2.4 Schirmung..................................................................................121

3.2.5 Kabelverlegung..........................................................................122

3.2.6 Überprüfen von TP-Verbindungen............................................128

3.2.7 Link-Tester selbst gebaut............................................................130

3.3 Lichtwellenleiter....................................................................................133

3.3.1 Verbindungen............................................................................134

3.3.2 Funktionsprinzip und Typen......................................................136

3.3.3 Verlegung....................................................................................140

3.3.4 Überprüfung und Fehlersuche..................................................143

Konfigurationsteil - In 5 Minuten ins Netz 145

A ADSL-Router..........................................................................................145

B Windows-PC..........................................................................................157

C WLAN....................................................................................................166

D Tablet-PC mit Android..........................................................................172

E Computer mit Mac OS X......................................................................178

F Geräte mit iOS - iPhone, iPad..............................................................182

G Linux-Computer....................................................................................189

Kapitel 4

Wireless LANs 19S

4.1 Einsatz ..................................................................................................195

4.2 Standards..............................................................................................198

4.2.1 MIMO-Technik............................................................................200

4.2.2 Wi-Fi............................................................................................202

4.3 Funktechnik..........................................................................................203

4.3.1 Modulationsverfahren................................................................203

4.3.2 Reichweiten und Antennen......................................................207

4.3.3 Frequency Hopping Spread Spectrum......................................208

4.3.4 Direct Sequence Spread Spectrum............................................210

4.3.5 Orthogonal Frequency-Division Multiplex................................212

4.4 Zugriffsverfahren - CSMA/CA..............................................................213

4.5 WLAN-Topologien................................................................................215

4.5.1 Ad-hoc-WLAN............................................................................215

4.5.2 Infrastructure-WLANs................................................................215

4.5.3 Mesh-WLANs..............................................................................218

4.6 Sicherheitsaspekte................................................................................219

Kapitel 5

Powerline-LANs 22S

5.1 Power Line Communication - PLC ......................................................226

5.2 HomePlug-Technik................................................................................227

5.3 Kompatibilität und Chipsets................................................................228

5.4 Betrieb und Praxisaspekte ..................................................................230

Kapitel 6

Die Internet-Protokollfamilie 233

6.1 Transmission Control Protocol - TCP....................................................235

6.2 User Data Protocol - UDP....................................................................237

6.3 TCP- und UDP-Ports..............................................................................238

6.4 Internet Protocol - IP ..........................................................................240

6.4.1 IPv6..............................................................................................242

6.5 Address Resolution Protocol - ARP......................................................246

6.6 Internet Control Message Protocol - ICMP ........................................248

6.7 Internet Group Management Protocol - IGMP..................................250

6.8 Routing Information Protocol - RIP....................................................251

6.9 Domain Name System - DNS................................................................254

6.9.1 DynDNS-Dienst............................................................................257

6.10 Netzwerkadressen................................................................................259

6.10.1 Die MAC-Adresse........................................................................259

6.10.2 Aufbau und Einstellung der IP-Adresse....................................260

6.10.3 Reservierte IP-Adressen..............................................................263

6.10.4 Private IP-Adressen....................................................................264

6.10.5 Die Subnet-Mask........................................................................265

6.10.6 Supernetting und CIDR-Notation..............................................269

6.10.7 Automatische Adressenzuweisung - DHCP..............................271

6.10.8 Automatic Private IP-Addressing - APIPA................................272

Kapitel 7

WAN-Verbindungen 275

7.1 WAN-Technologien im Überblick........................................................275

7.2 SDLC- und HDLC-Protokoll....................................................................276

7.3 Paketvermittlung - X.25-Standard......................................................277

7.4 Data Exchange Packet - Datex-P..........................................................279

7.5 Frame Relay - Fast Packed Switching..................................................280

7.6 Integrated Services Digital Network - ISDN........................................281

7.6.1 Protokolle....................................................................................282

7.7 Asynchron Transfer Mode - ATM........................................................284

7.8 Multiplexsysteme - PDH, SDH, SONET................................................287

7.8.1 Plesiochrone Digitale Hierarchie..............................................287

7.8.2 Synchrone Digitale Hierarchie..................................................289

7.9 WAN-Anschlusstechniken....................................................................290

7.9.1 Modems......................................................................................291

7.9.2 Kabelmodems............................................................................292

7.9.3 ISDN-Basisanschluss....................................................................293

7.9.4 Digital Subscriber Line - ADSL..................................................295

7.9.5 Point-to-Point Protocol - PPP....................................................299

7.10 Virtual Private Network - VPN............................................................300

7.10.1 PPTP-Tunnel................................................................................300

7.10.2 IPsec-Tunnel................................................................................301

Site-to-Site..................................................................................302

Site-to-End..................................................................................302

Zertifikate....................................................................................303

7.10.3 SSL-Tunnel..................................................................................304

7.11 Voice over IP..........................................................................................304

7.11.1 Der H.323-Standard ..................................................................305

7.11.2 Session Initiation Protocol - SIP................................................307

7.11.3 Anschluss und Verbindungen....................................................307

7.11.4 Skype ........................................................................................309

Kapitel 8

Das Mobile Internet - Mobilfunknetze 311

8.1 Analoge Mobilfunknetze - 1G............................................................311

8.2 Global System for Mobile Communications - GSM............................313

8.2.1 Funkschnittstelle........................................................................313

8.2.2 GSM-Architektur........................................................................315

8.3 General Packet Radio Service - GPRS..................................................317

8.4 Enhanced Date Rates for GSM Evolution - EDGE................................318

8.5 Universal Mobile Telecommunications System - UMTS ......................319

8.5.1 WCDMA-Multiplexing................................................................319

8.5.2 Netzarchitektur..........................................................................320

8.5.3 High Speed Packet Access - HSPA, HSDPA+..............................322

8.5.4 Netzabdeckungen und Datenraten..........................................322

8.6 Long Term Evolution - LTE....................................................................323

8.6.1 LTE-Architektur..........................................................................325

8.6.2 LTE Advanced..............................................................................327

Stichwortverzeichnis 329

Kapitel 1

Unter dem Begriff Computer wurde lange Zeit fast ausschließlich ein Personal Computer (PC) verstanden, der mit Windows als Betriebssystem auf einer x86-Architektur arbeitet und dessen Grundlage der ursprüngliche PC der Firma IBM aus dem Jahre 1981 bildet. Heutzutage gibt es Computer in den verschiedensten Ausführungen, mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften und in verschiedensten Leistungsklassen.

Netzwerke, die es bereits vor den Personal Computern gab, bestanden früher aus einem Zentralcomputer - damals auch als Großrechner bezeichnet - und daran über Netzwerkkabel angeschlossene Terminals. Diese Terminals waren nichts anderes als Ein-/Ausgabe-Stationen ohne eigene Rechenintelligenz. Nur große Firmen und Universitäten konnten sich derartige Systeme leisten, für deren Programmierung und Nutzung geschultes Fachpersonal nötig war.

Die Ausstattung der Personal Computer mit Netzwerkadaptern in den Neunzigerjahren führte zu den lokalen Computernetzwerken, die im Laufe der Zeit mit verschiedenen Geräten wie Modems, ISDN- und xDSL-Geräten sowie Routern für den Weitverkehr (WAN) ausgerüstet wurden, was zum weltumspannenden Netzwerk, dem Internet, geführt hat.

Als Computer gelten nicht nur die PCs, sondern auch andere Architekturen und Modelle, etwa die der Firma Apple oder Betriebssysteme wie die zahlreichen Linux-Varianten (SUSE, Ubuntu). Durch den Eee Pc (Easy, Excellent, Exciting) der Firma Asus erfuhr der Markt im Jahre 2008 eine neue Computervariante, die der Netbooks, wovon es mittlerweile eine Vielzahl von Modellen gibt, die meist mit einem Atom-Prozessor der Firma Intel arbeiten.

Bei einem Netbook handelt es sich quasi um eine leistungsschwächere Ausführung eines gewöhnlichen Notebooks, die kleiner und preiswerter ist. Wie es die Bezeichnung impliziert, ist ein Netbook für die Verbindung mit Netzwerken, sei es lokal oder mit dem Internet, prädestiniert. Dabei macht es im Grunde genommen keinen Unterschied, ob der Netzwerkzugriff über ein Kabel (LAN, Local Area Network) oder drahtlos (Wireless LAN) erfolgt, denn beides wird, wie von allen aktuellen Notebooks und PCs, standardmäßig unterstützt.

Abbildung 1.1: Das Netbook der Firma Asus (Eee PC) hat die Computerszene erfolgreich um eine neue Gerätekategorie erweitert.

Bei dem von der Firma Apple vorgestellten Gerät mit der Bezeichnung iPAD handelt es sich um einen sogenannten Tablet-Computer, der mittels eines berührungsempfindlichen Bildschirms bedient wird. Es verwendet einen ARM-Prozessor und verfügt als Netzwerkverbindungen standardmäßig über WLAN (WiFi) und Bluetooth (Version 2.1), optional sind per steckbarer SIM-Karten die Mobilfunktechniken GSM und UMTS mit den entsprechenden Datendiensten (GPRS, HSPA) nutzbar.

Mobiltelefone (Handys) bieten eine weitere Möglichkeit, auf Daten in Netzwerken drahtlos zugreifen zu können. Die Firma Apple hat mit dem iPhone4, welches das gleiche Betriebssystem (iOS) wie das iPAD verwendet, sodass die Bedienung beider Gerätetypen ähnlich ist, die Smartphone-Generation begründet, und jeder bedeutende Handy-Hersteller muss heutzutage entsprechende Modelle im Programm haben.

Das Handy hat sich damit vom Gerät für einen reinen Sprachdienst (telefonieren) plus optionalen Text Messages (SMS) zu einem Allround-Gerät für Datendienste entwickelt.

Spätestens seit den Smartphones ist das Ausführen der heute üblichen Arbeiten (Termine, Office, Social Networking) mit dem hierfür notwendigen Internet-Zugang (WLAN, 3G) zum Alltag geworden.

Abbildung 1.2: Das Smartphone Galaxy Tab der Firma Samsung kombiniert die Funktionalität eines Smartphones mit einem Tablet-PC und arbeitet mit dem Betriebssystem Android.

Ein Smartphone ist von der Konzeption und der Bedienung her nicht für das Telefonieren optimiert, sondern für das Ausführen verschiedener Anwendungen (Apps). Es kombiniert Geräte wie einen PDA (Personal Digital Assistant) und einen Organizer, die als einzelne Gerätetypen damit praktisch ausgestorben sind, mit einem Handy und einer Digitalkamera sowie mitunter auch noch mit einem Radio- (UKW) und TV-Empfänger (DVB-T).

Damit die unterschiedlichen Geräte (PCs, Netbooks, Tablet-PCs, Smartphones) sowohl den Zugang zum Internet erhalten als auch in einem LAN auf firmeneigene Datenbestände und Peripherie zugreifen können, bedarf es recht unterschiedlicher Techniken, die durch Standards und Normen geregelt sind, was zu den Grundlagen der Netzwerktechnik gehört. Als Einstimmung ist im folgenden Kapitel zunächst ein kurzer zeitlicher Abriss über die Entwicklung der Netzwerktechnik gegeben.

1.1 Geschichte der Netzwerktechnik

Die Grundlagen für die Netzwerk- und die PC-Technik ist in vielen Bereichen bereits vor langer Zeit gelegt worden. Dabei ist eine ganze Reihe von innovativen Entwicklungen (Token Ring, FDDI, Any LAN) auf der Strecke geblieben, ohne die es jedoch die darauffolgenden Weiterentwicklungen, wie das Ethernet und TCP/IP, die heute noch gültig sind, in der jetzigen Form nicht geben würde. Für die Einordnung der Innovationen spielen die zur jeweiligen Zeit wichtigen Software- und Hardware-Entwicklungen, insbesondere die der verschiedenen Computerplattformen, eine wichtige Rolle.

■ 1969

Die Idee des ARPANET (Advanced Research Projects Agency Network) wird geboren, und im Jahre 1972 wird die Funktionsweise dann erstmalig anhand von vier Computern, die über 50 kBit-Leitungen verbunden sind, demonstriert. Das ARPANET gibt als Vorläufer des Internet, und das erste RFC-Dokument wird erstellt, woraus die Standards für das Internet entstehen werden.

■ 1970

Das ALOHAnet wird realisiert, das die Hawaii-Inseln per Funk verbindet. ALOHAnet gilt als eine der (gedanklichen) Quellen für das Ethernet. Dennis Ritchie und Kenneth Thomson entwickeln in den Bell Labs die erste Version des UNIX-Betriebssystems.

■ 1971

Das ARPANET besteht mittlerweile aus 19 Rechnern, und die Funktion von E-Mails wird getestet. Der erste Intel-Mikroprozessor - der 4004 - wird hergestellt, und die Firma Atari wird gegründet, wobei das erste Produkt das Spiel Pong ist. Es handelt sich dabei um die stark vereinfachte Form eines Tennisspiels, bei dem ein weißer Punkt (der Ball) mit Balken als Schläger von zwei Spielern mit je einem Regler an der Konsole (die an einem Fernseher angeschlossen wird) bewegt wird, was bei jedem Schlag von einem akustischen Pong begleitet wird.

■ 1973

An der Stanford University entsteht die erste Version von TCP (Transmission Control Protocol). Zum ersten Mal taucht der Begriff Microcomputer auf, dessen Ursprung bei der französischen Firma Micral Computer zu sehen ist. Forscher bei der Firma Xerox entwickeln einen Computer (Alto), der mit einer grafischen Oberfläche und einer Maus sowie einem Ethernet-Interface ausgestattet ist.

■ 1974

Das erste Betriebssystem für Mikrocomputer (CP/M von Gary Kildall) wird verkauft. Die Firma Altair baut den Computer Altair 8800, den fast jeder aus dem Film Wargames kennt. IBM stellt die System Network Architecture (SNA) vor.

■ 1975

Die kommerzielle Version von ARPANET - Telenet - geht in Betrieb. Die Firma IBM baut den ersten Laserdrucker.

■ 1976

Eine der ersten E-Mails wird von Queen Elizabeth II versendet. Bill Gates verlässt die Harvard University, und der erste Supercomputer (Cray-1 von Seymor Cray) wird gebaut.

■ 1977

Die legendären Computer PET von Commodore sowie der TRS-80 von Tandy erscheinen auf dem Markt. Steve Jobs und Steve Wozniak gründen die Firma Apple und stellen den Apple Ii-Computer vor. Die Firma Digital (DEC) stellt ihre VAX-Rechner (Virtual Address Extension) vor, die mit einem eigenen Betriebssystem VMS (Virtual Memory System) arbeiten und in den kommenden Jahren die Arbeitsmaschinen in Forschung und Industrie werden sollen.

■ 1978

Die ISO veröffentlicht das OSI-Referenzmodell, und es beginnt die Umsetzung von ARPANET auf TCP/IP. Bill Gates und Paul Allen gründen Microsoft. Die Firma Intel produziert den ersten 16-Bit-Mikroprozessor. Das erste Ethernet-Patent (Multipoint Data Communication System with Collision Detection) geht an Bob Metcalfe (Fa. Xerox) und drei seiner Kollegen, die kurz darauf die Firma 3COM (Computer Communication Compatibility) ins Leben rufen. Die 5,25-Zoll-Diskette wird zum Standard-Speichermedium, und das legendäre Arcade-Game Space Invaders trifft auf allgemeine Begeisterung.

■ 1979

Die ersten Geschäftsapplikationen für den Apple II werden veröffentlicht: VisiCalc (von Dan Birkin, Bob Franson) ist eine Tabellenkalkulation und Wordstar der Firma MicroPro eine Textverarbeitung. Die Firma Seagate von Alan Shugart baut die ersten Festplatten für Mikrocomputer.

■ 1980

Das sogenannte DIX-Konsortium (DEC, Intel, Xerox) definiert den Ethernet-Standard, der mit 10 MBit/s statt mit 2,94 MBit/s wie das Original-Xerox-Patent arbeitet. Die Firma IBM entscheidet sich für das Betriebssystem PC-DOS der Firma Microsoft und gegen CP/M von Digital Research, die keine Zukunft im Design der »Klapperkiste« PC sehen. Das von Microsoft gekaufte und keineswegs selbst entwickelte PC-DOS wird mit dem ersten PC ein Jahr später ausgeliefert.

■ 1981

Der PC wird von der Firma IBM vorgestellt, der damit den Grundstein für die bis heute gültige Intel-Architektur legt. Der PC verfügt über einen Mikroprozessor vom Typ 8088, der mit 4,7 MHz arbeitet, über einen Speicher von 256 kByte und arbeitet mit einem 5,25-Zoll-Diskettenlaufwerk sowie einem monochromen Monitor.

■ 1982

Die Firma 3COM bietet den ersten PC-Ethernet-Adapter an, und die DIX Spec. 2 wird verabschiedet. Die Firma Xerox gibt den Namen Ethernet frei. Intel fertigt den 80286-Mikroprozessor, und der Commodore C64 kommt in den Handel, der 22 Millionen Mal verkauft werden wird. Firmen wie Compaq, Adobe, Lotus und Sun Microsystems werden gegründet.

■ 1983

TCP/IP ermöglicht das Internet, und der Standard 10Base5 (Thick Ethernet) wird veröffentlicht. Der erste PC kommt nach Deutschland, und auf der US-Messe Comdex wird die erste Windows-Version vorgeführt. IBM bietet den IBM-XT mit einer Fest-platte von 10 MByte und Compaq einen portablen PC an. Microsoft stellt das Textverarbeitungsprogramm Multi Tool Word vor, das später nur als Word bezeichnet wird. Commodore hat den ersten portablen Computer (SX-64) mit Farbbildschirm und Sharp einen Laptop (5 kg) mit LC-Display im Programm.

■ 1984

Die ersten Bridges sind für Ethernet erhältlich, und Apple baut den Macintosh. Die 3,5"-Diskette wird als Speichermedium propagiert. IBM stellt den Nachfolger des PC, den AT mit einem 16-Bit-Prozessor (80286), vor und einen neuen Grafikstandard -EGA. IBM geht eine Partnerschaft mit Intel ein und macht diese Firma zum Hauptlieferanten für Prozessoren und Chips für PCs.

■ 1985

Der Standard 10Base5 (Thick Ethernet, IEEE 802.3) wird von der IEEE anerkannt, und der Standard 10Base2 (Thin Ethernet, maximale Kabellänge 185 m) wird eingebracht, der dann erst im Jahre 1988 offiziell von der IEEE abgesegnet wird. IBM kündigt die Token Ring-Technologie an. Die ersten PC-Nachbauten (Clones) aus Taiwan kommen in Deutschland auf den Markt. Intel bietet den ersten 32-Bit-Mikroprozessor für PCs, den 80386, an, und Microsoft veröffentlicht die erste Windows-Version.

■ 1986

Compaq liefert den ersten PC mit 80386-Prozessor, den Deskpro 386. Das 3,5-Zoll-Diskettenlaufwerk beginnt, das 5,25-Zoll-Laufwerk vom Markt zu verdrängen. Sharp zeigt den ersten Bildschirm mit TFT-Technologie. SCSI wird als offizieller ANSI-Standard veröffentlicht.

■ 1987

IBM verabschiedet sich technologisch vom ISA-Bus und stellt die Personal SystemeComputer mit MicroChannel vor, die erstmalig auch über eine VGA-Karte verfügen. Microsoft veröffentlicht MS-DOS 3.3, das mehrere Partitionen unterstützt. Die erste Soundkarte kommt von der Firma AdLib zu einem Preis von 245 Dollar in den Handel. Das Internet hat den 10.000 Anwender vermeldet. DAT-Audio-Recorder werden vorgestellt, und in die Büros halten die Laserdrucker Einzug.

■ 1988

Ethernet mit Twisted Pair-Verkabelung (UTP) wird populär, wobei als Topologie der Stern zum Einsatz kommt. IBM stellt das Betriebssystem Operating System 2 (OS/2) vor, das erste objektorientierte 32-Bit-Betriebssystem für PCs. Microsoft bietet MS-DOS 4.0, das sich im Nachhinein als äußerst fehlerhaft darstellt, aber immerhin die 32-MByte-Beschränkung für Festplattenpartitionen beseitigt. CD-ROM-Laufwerke kommen zu einem Preis von DM 1200 in den Handel. Das Spiel aus der Sowjetunion Tetris wird für PCs zu einem Erfolg.

■ 1989

Australien initiiert das AARNET (Australian Academic Research Network), das ein Jahr später in Betrieb geht. Intel führt den 80486-Prozessor ein. Der VESA-Standard für Super-VGA-Grafikkarten wird verabschiedet. Die Personal Computer Memory Card International Organization (PCMCIA) wird gegründet und ebnet den Weg für scheck-kartengroße Speicherkarten und Modems.

■ 1990

Das IEEE ratifiziert den 802.3 10BaseT-Standard (T = Twisted Pair, mit UTP-Kabel). Das ARPANET wird abgeschaltet, und die Prototyp-Software für das World Wide Web (WWW) wird am European Council for Nuclear Research (CERN) in Genf entwickelt. Microsoft überschreitet mit Windows 3.0 den Umsatz von einer Milliarde Dollar. Der Gameboy kommt nach Deutschland. Das DR-DOS 5.0 der Firma Digital Research überrundet technologisch gesehen DOS 5.0 von Microsoft.

■ 1991

Das Betriebssystem Linux von Linus Torvalds wird im Internet erstmalig veröffentlicht und ruft dadurch zahlreiche Mitstreiter auf den Plan, die intensiv an der Entwicklung eines kostenlosen UNIX arbeiten. Die Firma AMD verkauft den millionsten AMD386-Prozessor. Ehemalige Konkurrenten wie IBM, Apple und Motorola schließen Allianzen gegen die WINTEL-Übermacht (Windows Intel) zur Entwicklung des Power-PC, der sich im Nachhinein jedoch nicht am Massenmarkt durchsetzen kann. Die digitalen Mobilnetze Dl und D2 nehmen den Betrieb auf. Sharp bietet superflache Farb-LCD-Bildschirme an, und Toshiba hat den ersten Farb-Laptop in seinem Lieferprogramm. Die OS/2-Version 1.3 wird als letzte gemeinsame Version von IBM und Microsoft veröffentlicht.

■ 1992

Die ersten Produkte (Adapter, Hubs, Switches) für Full-Duplex auf Ethernet (10 MBit/s) erscheinen. TCP/IP wird als Technologie des Jahres gekürt, und das Internet überschreitet die Schwelle des millionsten Nutzers. IBM veröffentlicht erstmalig ein negatives Geschäftsergebnis, während Microsoft in den ersten 50 Tagen nach der Veröffentlichung von Windows 3.1 davon über eine Million Exemplare verkaufen kann. PCI (Peripheral Component Interconnect) wird das Standardbussystem für PCs.

■ 1993

Das IEEE ratifiziert den Standard 10BaseF (Fiber Optic) mit einer maximalen Kabellänge von 2 km. Der Internetbrowser MOSAIC von der Universität Illinois verhilft dem WWW zum Durchbruch. Intel präsentiert den Pentium-Prozessor. Dies ist die erste CPU mit Namen, wodurch sie sich von Nachbauten absetzen soll (AMD, Cyrix). Die 25-millionste Windows-Version wird verkauft, und Windows NT kommt in den Handel. EIDE wird als Standard für Festplatten vorgestellt.

■ 1994

Die ersten Produkte für Fast-Ethernet (100 MBit/s) erscheinen am Markt, während der hierfür festgeschriebene Standard (IEEE 802.3 100BaseT) erst ein Jahr später verabschiedet wird. Intel startet die bisher größte Rückrufaktion der Computergeschichte mit Kosten von 475 Millionen Dollar, weil der Pentium einen Divisionsfehler aufweist.

■ 1995

Die ATM-Netzwerktechnologie soll laut Hersteller- und Expertenmeinung das Ende des Ethernet-Booms einläuten. Ende des Jahres kommt das lang angekündigte Windows 95 auf den Markt. Es werden eine Million Power Macintoshs von Apple und ebenso viele OS/2-Exemplare von IBM verkauft. Die Firma Sun veröffentlicht die Programmiersprache Java, und der Internet-Browser von Netscape wird zum Standard, während Microsofts Internet-Explorer dagegen technologisch abgeschlagen wirkt.

■ 1996

Die ersten 3COM-Netzwerkkarten mit Autosensing (automatische Umschaltung zwischen 10 und 100 MBit/s) erscheinen auf dem Markt. Die Digital Versatile Disc (DVD) mit einer avisierten Speicherkapazität von 4,7 bis 17 GByte wird vorgestellt. CD-Writer, die dazugehörigen Medien und Digitalkameras werden erheblich preiswerter und sind die Verkaufsschlager des Jahres.

■ 1997

Gigabit-Ethernet (1000 Mbps) wird angekündigt. Die Firma Seagate hat die 100-millionste Festplatte hergestellt. Intel erfährt Konkurrenz durch Pentium-kompatible Prozessoren von AMD (K6) sowie Cyrix (6x686) und startet daher die bisher größte Werbekampagne für den Pentium II. Diese CPU ist nicht für einen üblichen Sockel, sondern erstmalig für einen Slot vorgesehen. Apple verbietet den Nachbau von Macintosh-Computern und verärgert damit den Chiplieferanten Motorola, wodurch die Allianz gegen WINTEL zerbricht.

■ 1998

Das IEEE ratifiziert den Gigabit-Ethernet-Standard IEEE 802.3 1000BaseX. Nach langem Ankündigen sind die ersten Geräte mit Universal Serial Bus (USB) verfügbar. Der Accelerated Graphics Port (AGP) und die dazu passenden Grafikkarten werden als Standard für 3D-Applikationen - meist Spiele - am Markt etabliert. Windows 98, das sich technisch gesehen kaum von seinem Vorgänger (Windows 95) unterscheidet, wird veröffentlicht und bietet eine serienmäßige Unterstützung für USB, AGP und Firewire (IEEE-1394). Die Firma Apple stellt den iMac vor.

■ 1999

Die ersten Einheiten für 1000BaseT erscheinen am Markt. Das Betriebssystem Linux erfährt immer größeres Interesse und macht insbesondere Windows NT auf dem Gebiet der Serveranwendungen ernst zu nehmende Konkurrenz. National Semiconductor trennt sich von seiner Marke Cyrix und verkauft die Technologie an den tai-wanesischen Chipset-Hersteller VIA, der ebenfalls die CPU-Technologie (WinChip) der Firma IDT erwirbt. AMD gelingt es mit seiner Athlon-CPU erstmalig, den Konkurrenten Intel mit dem Pentium III leistungstechnisch gesehen zu überrunden.

■ 2000

Der Standard 10 Gigabit Ethernet wird erarbeitet. Der befürchtete Jahr-2000-Crash ist ausgeblieben, und Microsoft präsentiert den Windows NT-Nachfolger Windows 2000. Der PC feiert seinen zwanzigsten Geburtstag, und es werden Taktraten von 1 GHz für die CPUs erreicht (Intel, AMD). ■ 2001

Microsoft veröffentlicht Windows XP, das erstmalig die beiden Plattformen Windows 9x und Windows NT (Windows 2000) zusammenfasst. Insbesondere die Hardware-Hersteller beklagen das mangelnde Kundeninteresse am Kauf neuer PCs. Die CPU-Taktraten werden dessen ungeachtet auf bis zu 2 GHz (Pentium 4) »hochgeschraubt«. Der Trend, dass zahlreiche Firmen, die sich mit unterschiedlichen Produkten und Diensten im Bereich des Internet tummeln, Insolvenz anmelden müssen, setzt sich fort. WLAN-Hardware nach dem Standard 802.11.b mit 11 MBit/s setzt sich als gebräuchlichste drahtlose LAN-Verbindung am Markt durch.

■ 2002

Die ADSL-Realisierungen - in Deutschland insbesondere T-DSL der Telekom - gewinnen als Internetzugang immer stärkeren Zuspruch. Hierfür werden mittlerweile zahlreiche Modems und Router von unterschiedlichen Herstellern angeboten. DVD-Brenner werden auch für den Privatkunden bezahlbar, und die 64-Bit-CPU-Architektur (Hammer) wird von AMD vorgestellt.

■ 2003

Geräte für die Kurzstreckenfunktechnik Bluetooth kommen nach langen Vorankündigungen in Stückzahlen auf den Markt. Gigabit-LAN-Adapter werden zunehmend zum Standard und sind auch bereits auf vielen Mainboards integriert. WLAN-Produkte mit 54 MBit/s nach 802.11g kommen in den Handel.

■ 2004

Viren, Würmer, Dialer und andere »Schädlinge« bereiten den Internet-Benutzern immer größere Probleme, was bei Firmen zu hohen Ausfall- und auch Image-Schäden führt. Microsoft mit seinen unsicheren Windows-Versionen, für die laufend Sicherheits-Updates und -Patches einzuspielen sind, trägt daran zumindest eine gehörige Mitschuld. Telefongespräche per Internet zu führen (Voice over IP) kommt in Mode. Der digitale Fernsehstandard DVB-T geht in vielen Ballungsgebieten auf Sendung.

■ 2005

Die Standardisierung eines WLAN-Nachfolgers von 802.11g (802.11n) verzögert sich, sodass viele Hersteller eigene Lösungen mithilfe von Mehrfachantennentechnik (MIMO: Multiple Input, Multiple Output) vorstellen. Der PC-Verkauf ist stark rückläufig, stattdessen werden zunehmend Notebooks abgesetzt. Vodafone und O2 stellen die ersten PC-Adapter für den neuen Mobilfunkstandard UMTS (mit 2 MBit/) vor.

■ 2006

Die Telekom baut verstärkt ihr Glasfasernetz für VDSL (50 MBit/s) aus. Die Datenübertragung auf Stromleitungen vom Service Provider zum Hausanschluss (PLC: Power Line Communication) hat sich trotz zahlreicher Versuche nicht durchsetzen können. Als LAN-Vernetzung innerhalb einer Wohnung oder eines Hauses erfährt dieses Verfahren als HomePlug oder auch dLAN (direct LAN) jedoch vermehrten Zuspruch.

■ 2007

Windows Vista kommt als Windows XP-Nachfolger auf den Markt, was einige Veränderungen in der Netzwerkunterstützung zur Folge hat. Der neue WLAN-Standard (802.11n) mit einer maximalen Datenrate von 600 Mbps wird verabschiedet, und die ersten Geräte dafür kommen in den Handel. Apple präsentiert das iPhone4 als Vertreter einer neuen Handy-Generation, die der Smartphones mit Multitouch-Funkti-onalität. Das SPAM-Aufkommen wird immer gewaltiger und hat sich im Laufe des Jahres verdreifacht.

■ 2008

Standard-PCs werden zunehmend mit Quad-Core-Prozessoren (Intel Core 2 Quad, AMD Phenom) und optional mit Blu-Ray-Laufwerken ausgestattet. Das mobile Internet wird zur bezahlbaren Realität, und Social Networks werden zum wichtigen Medium.

■ 2009

Die renommierte und einst marktbeherrschende Netzwerkkomponentenfirma 3COM wird von der Firma Hewlett-Packard aufgekauft. Microsoft veröffentlicht Windows 7 als Nachfolger von Windows Vista, das sich nicht wie erwartet durchgesetzt hat. Windows 7 bietet eine Reihe neuer Netzwerk- und Sicherheitsfunktionen.

■ 2010

Steve Jobs von der Firma Apple präsentiert den Tablett-PC iPAD, der standardmäßig WiFi und UMTS bietet. Ein Computerwurm (Stuxnet) befällt computergesteuerte Anlagen (SPS) der Firma Siemens. Die Telekom und die Bahn verstoßen massiv gegen Datenschutzregeln. Erstmalig werden mehr mobile als stationäre Computer verkauft. ■ 2011

Google startet Google Plus als Konkurrenz zum Social Network Facebook, bei dem 700 Millionen Menschen registriert sind. Die Firma Apple hat über 100 Millionen iPhones4 abgesetzt. Der bisher größte Datendiebstahl betrifft die Firma Sony, der die Daten von 75 Millionen Nutzern des PlayStation-Networks gestohlen werden. Die CeBIT steht unter dem Motto Cloud Computing, womit den Anwendern webbasierte Dienste (Online-Speicher, Software, Rechenkapazität) zur Verfügung gestellt werden sollen.

1.2 Netzwerkdefinition

Netzwerke, Computernetzwerke, PC-Netze, Local Area Networks (LAN) oder auch Wide Area Networks (WAN) sind Begriffe, denen man im Computerbereich fast zwangsläufig begegnet. Gemein ist diesen Begriffen zunächst das Wort Netz oder englisch eben Net. Ein Netz oder Netzwerk ist laut Definition zunächst ein Maschenwerk, das sich im einfachsten Fall als LAN darstellen kann und vielleicht lediglich zwei Computer miteinander koppelt. Maximal können es zumindest theoretisch unendlich viele sein.

Anwender können ein Computernetzwerk im einfachsten Fall aus lediglich zwei Bestandteilen begreifen: dem Computer mit den entsprechenden Schnittstellen für den Zugriff durch den Anwender und dem Transportsystem, das durch das Netzwerk gebildet wird. Das Netzwerk mit den verschiedenen Kommunikationswegen und -partnern kann abstrahiert als eine »Blackbox« angesehen werden, die Daten empfangen und senden kann.

Gleichwohl ist ein Netzwerk meist ein komplexes System, das unterschiedlichste Übertragungsmedien und Vermittlungstechniken nutzt. Inwieweit der Benutzer in eine Netzwerkstruktur »eintauchen muss«, hängt von den Anwendungen, der Umgebung sowie den Endgeräten ab.

Die Abbildung 1.3 zeigt beispielhaft ein Netzwerk, das sich aus verschiedenen Netzen zusammensetzt, mithin als Internet(ausschnitt) betrachtet werden kann. Als Kopplungselemente sind dabei ADSL-Modems und Router zu erkennen, die zwischen den verschiedenen Netzen vermitteln.

Abbildung 1.3: Netzwerke von einfach (private Netzwerke) bis umfassend und kompliziert, die mithilfe von Internet Service Providern gekoppelt werden, lassen sich funktional und logisch aufteilen.

Grundsätzlich ist bei aller Komplexität zu beachten, dass sich auch ein noch so (scheinbar) kompliziertes Netzwerk in verschiedene standardisierte »Schnittstellen«, in Schichten des OSI-Modells, aufteilen lässt, was die Orientierung der zugrunde gelegten Mechanismen erleichtert, um Netzwerke verstehen, analysieren, reparieren und planen zu können.

1.3 Das OSI-Schichtenmodell

Einen internationalen Standard für Kommunikationssysteme stellt das OSI-Modell (Open System Interconnection) der International Standard Organization (ISO) dar. Anhand dieses Basisreferenzmodells werden in einem Protokoll Software-Schnittstellen festgelegt, wodurch die Unabhängigkeit von Hard- und Software und die Kommunikation zwischen unterschiedlichsten Systemen ermöglicht werden soll.

Es hängt vom jeweiligen Anwendungsbereich ab, welche der unterschiedlichen Schichten des OSI-Modells zum Einsatz kommen. Je unterschiedlicher die zu koppelnden Netze und Anwendungen arbeiten, desto komplexer müssen auch die LAN-Kopplungselemente (Router, Switches) werden, damit die gewünschte Übertragung und Datenumsetzung vorgenommen werden kann.

Sinn und Zweck der Definition von einzelnen Schichten ist der, dass ein recht komplex wirkendes Kommunikationssystem in seiner Funktionalität aufgespalten und zu implementierende Einzelteile dann leichter bearbeitet werden können.

Wie die Schichten dabei im Einzelnen aufgebaut sind, ist dabei gar nicht von Bedeutung, sondern es ist lediglich die jeweilige Übergabeschnittstelle - von einer Schicht zur anderen - von Belang, um somit ein eindeutiges Verhalten innerhalb des Gesamtsystems realisieren zu können. Notwendige Anpassungen sind dadurch leichter durchführbar, da möglicherweise nur ein bestimmter Aspekt in einer einzigen Schicht von einer Änderung betroffen ist, und auch die Wiederverwendbarkeit bestimmter Schichten in unterschiedlichen Systemen ist dadurch gegeben.

Schicht Nr.

Bezeichnung

englische Bezeichnung

Funktion

7

Anwendungsschicht

Application Layer

Anwendung

6

Darstellungsschicht

Presentation Layer

Darstellung

5

Sitzungsschicht

Session Layer

Kommunikation

4

Transportschicht

Transport Layer

Transport

3

Vermittlungsschicht

Network Layer

Vermittlung

2

Sicherungsschicht

Data Link Layer

Datenverbindung

1

Physikalische Schicht

Physical Layer

Bitübertragung

Tabelle 1.1: Die einzelnen Schichten, Bezeichnungen und Funktionen des OSI-Modells

Das OSI-Modell besteht aus sieben Schichten oder auch Ebenen (Layers), die eindeutig festgelegte Aufgaben wahrnehmen. Die Schichten werden während eines Kommunikationsvorgangs der Reihe nach von unten nach oben (Empfänger) bzw. umgekehrt von oben nach unten (Sender) durchlaufen (vgl. Abbildung 1.4).

Die Informationen werden grundsätzlich nur zwischen benachbarten Schichten ausgetauscht. Eine Schicht dient der darüber liegenden als Transportmedium, denn sie stellt ihr bestimmte Dienste zur Verfügung und nimmt wiederum die Dienste der darunter liegenden Schicht in Anspruch.

Das OSI-Modell befasst sich lediglich mit dem Datenaustausch zwischen einzelnen Kommunikationspartnern, es sagt nichts über die eigentliche Anwendersoftware aus, denn diese befindet sich praktisch über der Schicht 7. In der Minimalausführung besteht ein nach OSI spezifiziertes System lediglich aus den beiden untersten Schichten (Schicht 1 und 2). Die Schichten 1 bis 4 können zusammengefasst als transportorientierte Schichten und die Schichten 5 bis 7 als anwendungsorientierte Schichten bezeichnet werden, wo die Daten und Nachrichten übertragen werden, die ein fehlerfrei funktionierendes Transportsystem voraussetzen.

Im Prinzip - und letztlich im Nachhinein betrachtet - sind die oberen Schichten von der OSI zu detailliert definiert worden, während die unteren eher als zu grob anzusehen sind, weshalb diese für die LAN-Standards später weiter unterteilt werden mussten, während die oberen oftmals funktional zu einer Schicht zusammengefasst werden, wie es etwa bei den Internetdiensten (HTTP, FTP) der Fall ist.

■ Physikalische Schicht - Schicht 1

Dies ist die Ebene der Bitübertragung. Hier werden die elektrischen, mechanischen und funktionalen Eigenschaften der Schnittstelle festgelegt, beispielsweise wie die Daten übertragen werden (CSMA/CD, Token Ring) und wie eine logische »1« definiert ist. Als Übertragungsmedien sind Koaxialkabel, verdrillte Kupferleitungen (Twisted Pair), Lichtwellenleiter und Richtfunkstrecken anzutreffen. Da das Übertragungsmedium selbst im Prinzip noch unter der ersten Schicht liegt, sagt das OSI-Modell darüber nichts aus.

■ Sicherungsschicht - Schicht 2

Die Sicherungsschicht, die passender auch als Datenverbindungsschicht (eben Data Link Layer) bezeichnet werden kann, fasst die Bits zu Rahmen (Frames, Telegrammen) zusammen, sie definiert die Netzwerktopologie, definiert den Adressenaufbau (MAC-Adressen) und regelt die Synchronisation zwischen den Teilnehmern. Außerdem beinhaltet sie erste Fehlererkennungs- und Korrekturmechanismen, wie Parity Check und CRC. Als Protokolle, die selbst die Korrekturfunktion beinhalten, gelten BSC, HDLC oder SDLC. Das Address Resolution Protocol ARP ist wohl das bekannteste Protokoll dieser Schicht.

■ Vermittlungsschicht - Schicht 3

Hier erfolgt der Aufbau der Verbindung zwischen den Kommunikationspartnern - es wird der Weg des Datenblocks und gegebenenfalls eine Umleitung bestimmt. Die Adressierung, die Vermittlung und der Verbindungsauf- und -abbau werden in dieser Schicht mithilfe von Paketen von segmentübergreifend bis zu weltweit realisiert. In einem Netzwerk (Packet Switching Network) dient die Schicht 3 der Direktadressierung (Routing). Damit wird die Auswahl eines Datenwegs durch ein Netz von Knoten bezeichnet. Ein Protokoll für diese Schicht ist beispielsweise X.25 (Datex-P, ISO 8473), das für die Datenpaketvermittlung bei der Telekom verwendet wird, das Internet Protocol (IP) oder auch Quality of Service (QoS).

■ Transportschicht - Schicht 4

Die Transportschicht beschreibt einen universellen Transportdienst für die darüber liegende Sitzungsschicht mithilfe von Multiplexing für mehrere virtuelle Ende-zu-Ende-Verbindungen. In der Transportschicht werden Fehlerkontrollen zwischen den Endteilnehmern vorgenommen und die Nachrichten - wenn nötig - in kleinere Einzelpakete zerlegt. Sind Daten verfälscht worden oder verloren gegangen, reagiert diese Schicht auf Wiederholungsanforderungen einer Station und bringt durcheinandergeratene Pakete wieder in die richtige Reihenfolge. Das bekannteste Protokoll dieser Schicht ist das Transmission Control Protocol (TCP).

■ Sitzungsschicht - Schicht 5

Die Schicht 5 - auch als Kommunikationssteuerschichtbezeichnet - ist die erste anwen-dungsorientierte Schicht. Sie ist für die Synchronisation und Organisation von Daten-und Steuerinformationen für die sich im Dialog befindenden Stationen zuständig. So stellen beispielsweise X.215/ISO 8326 und X.225/ISO 8327 geeignete Protokolle zur Verfügung, und das SMB-Protokoll für Windows-Freigaben arbeitet in der Schicht 5. Zu den Aufgaben der Sitzungsschicht gehören die Datenflusssteuerung, die Dialogkontrolle und -koordination und die Datenzwischenspeicherung. Die Zeitspanne zwischen dem Aufbau und dem Abbau einer Verbindung wird als Session oder Sitzung bezeichnet und von der Sitzungsschicht gesteuert, die in der Regel eng mit dem HostBetriebssystem zusammenarbeitet.

■ Darstellungsschicht - Schicht 6

In der Darstellungsschicht werden die Daten für die Anwendungsschicht aufbereitet und nach Bedarf umgeformt. Dies umfasst die Kontrolle der Datenein- und -ausgabe, die Durchführung von Datenkonvertierungen wie auch Datenverschlüsselungen, Komprimierungen und Formatanpassungen zwischen unterschiedlichen Systemen. Als Grundlage für PC-Anwendungen dient beispielsweise der ASCII-Zeichensatz, und verschiedene Formate für Audio- und Videoübertragungen (MPEG) sind hier lokalisiert.

■ Anwendungsschicht - Schicht 7

Die Anwendungs- oder auch Verarbeitungsschicht regelt den Zugriff auf die Anwenderprogramme (File Transfer) und stellt im Prinzip keine eigenen Dienste zur Verfügung. Ihre Aufgabe ist vielmehr die Bereitstellung von anwenderspezifischen Protokollen (X.400) wie für die Identifizierung der Teilnehmer und die Überprüfung der Zugriffsberechtigung.

In der Praxis werden nicht immer alle Schichten in der beschriebenen Art und Weise implementiert. Dann übernimmt die Schicht 7 Aufgaben der darunter liegenden Schichten, wie es beispielsweise bei Feldbussystemen (Interbus, PROFIBUS) der Fall ist. Wie es bei TCP/IP noch erläutert wird, sind auch hierfür einzelne Schichten mit bestimmten Funktionen definiert, die jedoch nicht genau mit dem OSI-Modell harmonieren, weil TCP/ IP eher als das OSI-Modell definiert wurde.

Abweichungen vom OSI-Modell gibt es nicht nur aus traditionellen Gründen, sondern sie werden von verschiedenen Herstellern auch ganz bewusst beschritten, weil die jeweiligen Realisierungen eben herstellerspezifisch sind und man gewissermaßen einen eigenen Standard durchsetzen will, an dem sich andere Hersteller dann zu orientieren haben. Gleichwohl werden die OSI-Begriffe dabei oftmals zitiert, auch wenn die Einheiten nicht OSI-konform funktionieren. Schon daher ist es gut zu wissen, was das OSI-Modell eigentlich besagt, und es bietet auf dem Gebiet der Kommunikationstechnik nach wie vor eine gute Orientierungshilfe. Im Laufe des Buches wird des Öfteren hierauf zurückgegriffen.

Abbildung 1.4: Die Schichten werden während eines Kommunikationsvorgangs der Reihe nach von unten nach oben (Empfänger) bzw. umgekehrt von oben nach unten (Sender) durchlaufen.

1.4 Klassische Netzwerktopologien

Ein lokales Netzwerk (Local Area Network, LAN) kann prinzipiell in drei unterschiedlichen Grundanordnungen aufgebaut, d. h. letztendlich verkabelt sein: In der Bus-, Stern- und in der Ringtopologie, wobei auch Mischformen dieser Anordnungen wie etwa die Baum-

topologie möglich und üblich sind, was sich fast zwangsläufig dadurch ergibt, dass ein LAN im Laufe der Zeit »wächst«. Es kommen neue Geräte und Mitarbeiter hinzu, die einen PC mit Netzwerkzugang benötigen, und dies bedeutet dann einen Ausbau des LANs mithilfe entsprechender LAN-Einheiten - auch als Internetworking-Elemente bezeichnet -, sodass sich dadurch gewachsene Strukturen ergeben, die ihren prinzipiellen Ursprung in ganz unterschiedlichen Netzwerkimplementierungen haben, auf die im Folgenden eingegangen wird.

Abbildung 1.5: Die grundsätzlichen Realisierungsmöglichkeiten von Netzwerken

1.4.1 Sterntopologie

Die klassische und älteste Netzwerkstruktur ist der Stern. Das Zentrum des Sterns bildet hier der Server oder ein zentraler Großrechner. Jede Station, die in früheren Zeiten lediglich aus einem Terminal ohne Eigenintelligenz bestand, wird über ein eigenes Kabel an den Zentralrechner angeschlossen. Der Verkabelungsaufwand kann demnach ganz beachtlich ausfallen, und da jegliche Kommunikation - auch von Station zu Station -stets über den Server führt, ist seine Auslastung damit recht hoch.

Heutzutage wird eine Verkabelung nach der Sterntopologie für Punkt-zu-Punkt-Verbin-dungen zwischen Netzwerkknoten eingesetzt, wie beispielsweise zwischen einem Switch (Sternverteiler) und den einzelnen PCs, wobei als Übertragungsmedien Twisted-Pair-Kabel oder auch Lichtwellenleiter (LWL) zur Anwendung kommen.

1.4.2 Ringtopologie und FDDI

Die einzelnen Stationen werden zu einem Ring angeordnet, und die Nachricht wird im Netzwerk von einer Station zur nächsten weitergegeben, bis der adressierte Empfänger die für ihn bestimmte Nachricht empfangen hat.

Wird der geschlossene Ring durch den Ausfall einer Station unterbrochen, fällt das gesamte Netzwerk aus. Um diesem Problem zu begegnen, wird die Verkabelung redundant ausgeführt (aktiver Ring plus Stand-by-Ring), oder es werden ausgefallene Stationen mit einem By-Pass-Relais umgangen, was in beiden Fällen zu höheren Installationskosten führt.

Abbildung 1.6: Der Aufbau eines FDDI-Ringes. Durch die Ringumschaltung und den Kabelkonzentrator führen Leitungsunterbrechungen nicht zur Stilllegung des gesamten Netzes.

1.4.3 Die Bustopologie

Die Bustopologie war lange Zeit die am häufigsten verwendete Struktur bei kleinen Netzwerken und wird beispielsweise von Ethernet realisiert. Alle Stationen inklusive eines möglichen Servers werden bei der Verwendung des traditionellen dicken Koaxialkabels

(Thick Ethernet), das auch als Yellow Cable bezeichnet wird, über ein eigenes Kabel (AUI) an ein Segment - den Bus - angeschlossen, der an seinen beiden Enden mit Abschlusswiderständen versehen sein muss.

Abbildung 1.7: Die klassische Ethernet-Struktur entspricht einem Bus, und es werden externe Transceiver mit Yellow Cable verwendet.

Die Stationen können über Transceiver an den Bus gekoppelt und daher während des Netzwerkbetriebs vom Netzwerk entfernt werden, ohne dass dies einen Zusammenbruch des gesamten Systems zur Folge hätte. Bei den üblichen (Büro-)Installationen mit Koaxialkabel wird jedoch auf externe Transceiver verzichtet, denn diese befinden sich gleich mit auf einer gebräuchlichen Netzwerkkarte. Das hier verwendete (dünnere) Koaxialkabel wird einfach von PC zu PC geführt, mittels T-Stücken zu einem Bus verbunden und an den beiden Enden jeweils mit einem Terminierungswiderstand (50 ü) abgeschlossen. Diese Installationsart wird auch als Cheapernet bezeichnet.

Abbildung 1.8: Der Transceiver ist bei den gebräuchlichen Netzwerkkarten für Koaxialkabel gleich mit integriert, was zu einem Netzwerk nach Cheapernet führt. Der jeweils letzte PC an einem Segment erhält neben dem T-Stück (1) und dem Netzwerkkoaxialkabel (2) einen Abschlusswiderstand (3).

1.4.4 Die Baumtopologie

Netzwerke sind nicht auf eine bestimmte Topologie begrenzt, und je größer das Netzwerk, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass mehrere Topologien zum Einsatz kommen, was sich dann als Mischform - als Baum - darstellen kann. Dabei findet eine Kopplung und auch Kaskadierung des Gesamtnetzes mittels Gateways, Routern, Medienkonvertern sowie Hubs und Switches statt.

Abbildung 1.9: Ein Netzwerk in der Baumtopologie

Bei einer Baumstruktur kann es eine Vielzahl von Verzweigungen geben, sodass es beim Ausfall einer Einheit oder eines Kabelbruchs nicht gleich zum Ausfall des Gesamtnetzes kommen muss. Allerdings leidet die Übersichtlichkeit im Netzwerk, und die Fehlersuche kann daher recht aufwendig werden. Ganz allgemein findet die Baumtopologie Anwendung bei Breitbandnetzen und bei MANs (Metropolitan Area Networks), also bei flächendeckenden Realisierungen wie z. B. Firmennetzen oder in Netzen eines gesamten Stadtteils.

1.5 Vom LAN zum WAN

Ein lokales Netzwerk besteht im einfachsten Fall lediglich aus zwei Computern, die miteinander gekoppelt sind. Ein LAN kann sich prinzipiell aus Tausenden von Computern zusammensetzen, wobei mithilfe von Switches oder Routern als Kopplungseinheiten sogenannte Subnetze gebildet werden, sodass sich ein Netzwerk - etwa das einer Firma - aus vielen einzelnen LANs zusammensetzt. Diese können prinzipiell um die ganze Welt herum verteilt sein - was dann zu einem WAN führt.

Der Weg vom LAN zum WAN ist ein logischer Schritt, gleichwohl ist die sich jeweils dahinter befindende Technik recht verschieden. Bei kleineren Netzen lässt sich die Verbindung zum Internet (WAN) relativ einfach mittels eines xDSL-Modems (Abbildung 1.10) herstellen. Was gewissermaßen hinter der Anschlussdose vor sich geht, ist für den Anwender nicht weiter von Bedeutung.

Abbildung 1.10: Ein LAN wird über ein Gateway/Router, was im einfachsten Fall einem ADSL-Modem entspricht, an das WAN angeschlossen.

Eine andere Situation liegt vor, wenn ein (größeres) lokales Firmennetz mit dem WAN Verbindungen aufnehmen soll, denn dann reichen die Datenübertragungsrate, die Sicherheit und die für den Privatkunden verfügbaren Zugänge nicht aus. Außerdem sind bei umspannenden Firmennetzwerken in der Regel auch ganz bestimmte Netzwerk-Topolo-gien und -Infrastrukturen notwendig, die sich von einem Heimnetz maßgeblich unterscheiden, zumal bestimmte Daten (Quality of Service) für bestimmte Geschäftsprozesse garantiert zur Verfügung stehen müssen.

Einige Anbieter von xDSL-Anschlüssen (z. B. Telekom, Vodafone, QSC, HanseNet) können neben der für den Privatkunden gebräuchlichen Variante (ADSL) auch solche (SDSL, VDSL) für Geschäftskunden zur Verfügung stellen, wofür oftmals eigene weltumspannende Hosting-Netze genutzt werden, sodass WAN-Topologien recht einfach zu realisieren sind.

Das grundlegende Unterscheidungsmerkmal zwischen LANs und WANs ist, dass WANs als sogenannte Breitbandsysteme realisiert werden. SDH (Synchrone Digitale Hierarchie) oder SONET (Synchronous Optical Network), wie es in Amerika bezeichnet wird, ist die in WANs vorherrschende Carrier-Technologie für den Transport verschiedener digitaler Dienste wie ISDN, ATM oder auch 10-Gigabit-Ethernet. Es bildet gewissermaßen die entsprechenden Übertragungsrahmen für die unterschiedlichsten Dienste und fungiert dabei als Transitsystem mit verschiedenen Multiplex- und Codierungsverfahren. Die klassischen Systeme wie Frame-Relay, ISDN und ATM werden dabei zunehmend durch die in LANs allgegenwärtige Ethernet-Technologie ersetzt.

1.6 Demilitarized Zone - DMZ

Letztendlich werden LANs mithilfe von Geräten (xDSL) eines (Breitband-)Anbieters an das WAN - eben das Internet - angeschlossen. Die etablierten Wege des Internet (Hosting-, Carrier-Netze) werden dabei mit unterschiedlichen Zugriffsmechanismen, Prozessen und Diensten genutzt, wofür VLANs (Kapitel 1.7) und VPNs (Kapitel 7.10) eine wichtige Rolle spielen.

An der zentralen Schnittstelle zwischen LAN und WAN ist eine Firewall zu platzieren, die als separates Gerät (Server, Appliance) ausgeführt oder auch gleich mit im xDSL-Modem integriert sein kann, um das LAN somit vor unerwünschten Zugriffen aus dem Internet abzuschotten.

Abbildung 1.11: Eine Netzwerk-Firewall befindet sich an der Schnittstelle zwischen einem LAN und dem Internet.

Aus zusätzlichen Sicherheitsgründen wird oftmals neben der LAN-Zone eine weitere eingeführt, die sich gewissermaßen zwischen WAN und LAN befindet und üblicherweise als Demilitarisierte Zone (DMZ) bezeichnet wird.

Die in der DMZ platzierten Systeme werden durch Filterregeln gegen die anderen Netze (LAN, Internet) abgeschirmt. Durch diese Trennung kann der Zugriff auf öffentlich erreichbare Dienste (Web-, Mail-Server) gestattet und gleichzeitig das interne Netz vor unberechtigten Zugriffen geschützt werden. UTM-Appliances (Netzwerk-Firewall) verfügen üblicherweise mindestens über einen separaten Netzwerkanschluss, der explizit für eine DMZ vorgesehen ist.

1.7 Virtual Local Area Network - VLAN

Die Bezeichnung Virtual Local Area Network (VLAN) bringt zum Ausdruck, dass es sich dabei um ein scheinbar eigenes Netzwerk innerhalb eines LAN oder auch WAN (VPN) handelt. Mithilfe von VLANs werden räumlich verteilte Computer zu Arbeitsgruppen zusammengefasst, etwa eine Gruppe der Buchhaltung, eine der Produktion und eine der Entwicklungsabteilung. Router und mitunter auch einige Managed Switches (Layer-3-Switch) bieten die Möglichkeit, die Ports einem oder auch mehreren VLANs zuordnen zu können.

Durch die Aufteilung eines LAN in VLANs ist es möglich, den Gruppen bzw. den jeweils dazugehörigen Ports unterschiedliche Prioritäten einzuräumen. Die Zusammenfassung bestimmter Clients zu einem VLAN kann zu einem geringeren Datenverkehr innerhalb eines LAN führen, da beispielsweise die Daten der Buchhaltung nicht im VLAN der Entwicklungsabteilung transportiert werden, was auch zu zusätzlicher Sicherheit führt.

Die Kommunikation von einem VLAN zu einem anderen ist gewissermaßen ein Umweg, der stets über einen Router führt, wie es in der Abbildung 1.13 gezeigt ist. Dies war auch einer der Gründe für die Entwicklung der Layer-3-Switches, die von der Funktion her einem Router entsprechen.

Abbildung 1.12: In der DMZ sind Server angeschlossen, die vom Internet aus erreichbar sein sollen.

Clien

Demnach muss man sich bei der Planung von VLANs einige Gedanken machen und kann hier nicht einfach diese oder jene Port-Zuordnung treffen, die bei Nichtbeachtung der typischen Wege innerhalb eines Geschäftsnetzes den Datenverkehr letztendlich gehörig ausbremsen und auch sicherheitstechnisch bedenklich werden kann, wenn etwa die Gehaltskonten der Mitarbeiter in der Entwicklungsabteilung auftauchen.

Abbildung 1.13: Die Ports 1 bis 4 des Switches gehören zum VLAN_1 und die Ports 5 bis 8 zum VLAN_2. Die Kommunikation der Clients, die an die jeweiligen Ports angeschlossen sind, findet nur innerhalb des jeweiligen VLAN statt, und falls ein Client vom Port 4 zu einem an Port 7 kommunizieren will, geht dies nur über den Weg »Port 1 zum Router« und »Router zum Port 8«.

Computer, die zu einem bestimmten VLAN gehören, sind den jeweiligen Gruppendefinitionen untergeordnet, die eine eigene Broadcast-Domain bilden. Je nach Switch-Typ ist eine unterschiedliche Anzahl von VLANs möglich, und die Mitglieder können zu einem oder auch zu mehreren VLANs gehören.

Alle aktuellen Switches, die die Möglichkeit von VLANs bieten, entsprechen dem Standard IEEE 802.1Q, wobei es auch ältere, herstellerspezifische VLAN-Realisierungen gibt. Während Geräte nach dem aktuellen IEEE-Standard mehrere VLANs über einen einzigen Link bilden können, gilt dies nicht für die älteren VLANs, bei denen stets separate Links für ein VLAN notwendig sind.

Wenn ein VLAN über LAN-Grenzen hinweg, also auch über WAN-Verbindungen (Internet), realisiert wird, führt dies automatisch zu den sogenannten Virtual Private Networks, die im Kapitel 7.10 näher erläutert werden.

1.8 Standards und Normen

Im Computerbereich existiert eine Vielzahl von Standards, Normungen und Empfehlungen von unterschiedlichen Organisationen und Firmenvereinigungen. Letztere, die generell keinerlei Normungsbefugnis haben, erarbeiten in der Regel Standards, die sie dann einem nationalen oder internationalen Ausschuss zur Verabschiedung einer verbind-lichen Norm vorlegen. Diese Vorgänge laufen oftmals in relativ langen Zeitabständen ab, sodass man es insbesondere im Bereich der Informationstechnik (IT) eher selten mit international genormten Komponenten zu tun hat, sondern mit Quasi-Standards, die von marktführenden Herstellern entworfen worden sind.

1.8.1 Organisationen

Die folgende Liste gibt die wichtigsten Organisationen an, die sich mit der Festlegung von herstellerunabhängigen Spezifikationen - insbesondere für die Netzwerktechnik -befassen, und näheren Aufschluss können die jeweils angegebenen Internetadressen bieten. Nicht selten sind dort jedoch nur marginale Informationen zu bestimmten Standards zu finden, und wer ausführliches Informationsmaterial erhalten möchte, muss der entsprechenden Organisation beitreten oder kann die Dokumente für relativ hohe Summen bestellen, was sich für die nicht kommerzielle Nutzung jedoch nicht rechnet.

In der Vergangenheit war die Firma IBM im PC-Bereich oftmals Vorreiter bei der Manifestierung von Standards, wie etwa mit dem ursprünglichen PC-Design, an dem die Firma noch heute Lizenzgebühren verdient. Neuere Designs werden jedoch vielfach von NonProfit-Organisationen erarbeitet und dann den entsprechenden Organisationen zur Normung vorgeschlagen, oder die Gremien haben verschiedene Ausschüsse ins Leben gerufen, deren Vertreter sich aus verschiedenen Firmen rekrutieren.

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IEEE STANDARDS ASSOCIATION

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Management Parameters for Energy-Efficient Ethernet..

IEEE SA - 802.3az-2010 - IEEE Standard for Information technology—Tell

... enable energy-efficient operation of Ethernet. Changes to 10BASE-T include enable energy-efficient operation of Ethernet. Changes to 10BASE-T include ... http://standards.ieee.org/findstds/standarcl/802.3az-2010.html- 27.4KB

IEEE SA - 802.3.1-2011 - IEEE Standard for Management Information Base (MIB) Definitions ...

... Management Information Base (MIB) Definitions for Ethernet Description ... 802.3, also known as Ethernet, are contained in this
standard ... SNMP), commonly used to manage Ethernet....

http://standards. ieee.org/findstds/standard/802.3.1-2011. html- 26.4KB

IEEE SA - 11073-30400-2010 - IEEE Health informatics—Point-of-care medical device ...

... Part 30400: Interface profile—Cabled Ethernet... Description: The application of the Ethernet family (IEEE Std 802.3 ... is limited to referencing the appropriate Ethernet family specifications and calling out any ... http://standards. ieee. org/fin dstds/standard/11073-30400-2010. html- 25.5KB

IEEE SA - 802.3-2008 - IEEE Standard for Information technology—Telecommunications and ...

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... and Physical Layer Specifications Description: Ethernet local area network operation is specified for selected speeds ... html for details

Abbildung 1.14: Das Internet bietet eine Vielzahl an Informationen zu geltenden Standards, wie hier auf der Seite des IEEE-Konsortiums.

Die Wahrscheinlichkeit, dass sich unter der Schirmherrschaft einer (internationalen) Organisation die Interessen einer bestimmten Firma (zu stark) durchsetzen, ist zwar geringer, gleichwohl ist dies nie auszuschließen. Vielfach geht es dabei gar nicht um bestimmte technische Belange, sondern um Firmenpolitik mit entsprechendem Lobbyismus.

■ ANSI: http://www.ansi.org

American National Standards Institute. Ein Zusammenschluss von amerikanischen Organisationen, die Standards wie den ANSI-Zeichensatz festlegen oder Empfehlungen aussprechen, die in vielen Fällen als IEEE-Standard verabschiedet werden.

■ Broadband-Forum: http://www.broadband-forum.org

Beim Broadband-Forum, dessen Vorgänger das ATM-Forum (Asynchron Transfer Mode) sowie das DSL-Forum sind, handelt es sich um eine internationale Non-Profit-Organisation, die sich aus über 300 Firmen, Organisationen und Anwendern zusammensetzt und es sich zur Aufgabe gemacht hat, Spezifikationen für unterschiedliche Broadband-Technologien (xDSL, Network Architecture, Home and Global Services) zu erarbeiten.

■ BZT

Bundesamt für Zulassungen in der Telekommunikation. Alle Geräte, die an öffentliche Netze angeschlossen werden sollen, sowie auch Funkanlagen benötigen eine BZT-Zulassung. Das BZT ist mittlerweile in der Bundesnetzagentur aufgegangen.

■ Bundesnetzagentur: http://www.bundesnetzagentur.de

Die Bundesnetzagentur ist eine deutsche Bundesbehörde, die für die Aufsicht und die Regulierung der Telekommunikation, der Post sowie der Elektrizität- und Gasversorgung zuständig ist.

■ CCITT

Comité Consultatif International Télégrafique et Téléfonique. Ursprünglich ein internationaler beratender Ausschuss für den Telegraphen- und Fernsprechdienst, dessen Aufgaben mittlerweile von der ITU übernommen worden sind.

■ CENELEC: http://www.cenelec.org

Comité Européenne de Normalisation Electrotechnique/European Committee for Elec-trotechnical Standardization. Europäisches Komitee für elektrotechnische Normung, das sich aus den Mitgliedern der nationalen Normungsinstitute zusammensetzt.

■ CEPT: http://www.cept.org

Conférence Européenne des Administrations des Postes et des Télécommunications. Die

Mitglieder setzen sich aus den nationalen Telekommunikationsverwaltungen zusammen und erarbeiten administrative Empfehlungen auf europäischem Gebiet.

■ DIN/DKE: http://www.din.de

Steht für Deutsche Industrie Norm. Die Deutsche Elektrotechnische Kommission ist das nationale Gremium für die Veröffentlichung von Normen.

■ ECMA: http://www.ecma-international.org

Die European Computer Manufacturers Association ist ein global arbeitender Interessenverband für die Kommunikationstechnik und die Consumer-Elektronik, der in Zusammenarbeit mit ITU und ISO Empfehlungen aussprechen kann.

■ EIA: http://www.eia.org

Electronic Industry Association. Ein nationales amerikanisches Normungsinstitut. Diese Normen sind ähnlich wie die DIN-Normen in Deutschland zu interpretieren. Im Februar 2011 hat sich die EIA aufgelöst, ihre Aufgaben sind von der TIA, der ECA und anderen Institutionen übernommen worden.

■ ETSI: http://www.etsi.org

Das European Telecommunication Standards Institute erarbeitet europäische Telekommunikationsstandards, die dann laut der EU von den nationalen Instituten übernommen werden sollten.

■ IEC: http://www.iec.ch

Die International Electrotechnical Commission ist eine der ältesten Non-Profit-Organi-sationen (gegründet 1944), die es sich zur Aufgabe gemacht hat, als Bindeglied zwischen Forschung und Industrie zu fungieren, und zahlreiche Publikationen veröffentlicht, aus denen sich vielfach spätere Normen ergeben.

■ IEEE: http://www.ieee.org

Institute of Electrical and Electronic Engineers. Ein Konsortium von amerikanischen Firmen, die Standards festlegen. Insbesondere im Netzwerkbereich sind diese Standards von großer Bedeutung.

■ ISO: http://www.iso.org

International Standard Organization. Ein internationaler Ausschuss, der von der UNESCO eingerichtet worden ist und Empfehlungen ausspricht sowie seit 1972 auch Normen festlegt.

■ IETF: http://www.ietf.org

Die Internet Engineering Task Force setzt sich mit den unterschiedlichsten Themen für die Weiterentwicklung des Internet auseinander und versteht sich als eine offene internationale Vereinigung von Anwendern, Technikern, Netzbetreibern und Herstellern.

■ ITU: http://www.itu.int

Die International Telecommunication Union ist seit 1993 die Nachfolgeorganisation der CCITT für die internationale Zusammenarbeit im IT- und Telekommunikationsbereich. Sie ist die wichtigste international arbeitende Organisation in diesem Bereich.

■ TIA: http://www.tiaonline.org

Telecommunications Industry Association. Eine der bedeutenden amerikanischen Organisationen, die nationale Normen (mit der ANSI) festlegt und diese in die internationalen Regelungen mit einbringt.

1.8.2 IEEE-Standards

Das Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) hat für Netzwerke verschiedene verbindliche Standards definiert, deren wichtigste Daten in der folgenden Tabelle angegeben sind. Diesen Bezeichnungen wird man laufend begegnen, wenn man sich etwas intensiver mit der Netzwerktechnik befasst, sodass es gut ist zu wissen, was sich dahinter eigentlich verbirgt.

Standard

Bedeutung

IEEE B02.1

Definition, Architektur, Management, Internetworking

IEEE B02.2

Protokollfestlegung und Definitionen von Datenformatpaketen (Frames) zwischen Logical Link Controls (LLCs)

IEEE B02.3j

CSMA/CD für Busnetz, Ethernet, 10BaseX

IEEE B02.3u

Fast-Ethernet, 100BaseX

IEEE B02.3z

1 Gigabit-Ethernet, 1000BaseX

IEEE B02.3ak

10 Gigabit-Ethernet mit Twinax

IEEE B02.3ae

10 Gigabit-Ethernet mit Lichtwellenleiter

IEEE B02.4

Token Passing für Busnetz, MAP-Standard

IEEE B02.5

Token Passing für Ringnetz, Token Ring-Standard, High Speed Token Ring

IEEE B02.6

Metropolitan Area Network (MAN)

IEEE B02.7

Broadband Media, Breitbandnetzwerke

IEEE B02.B

Fiber Optic Media, Lichtwellenleiter

IEEE B02.9

Integrated Voice and Data Line, Sprachkommunikation über IP-Netze (VoIP)

IEEE B02.10

Secure Data Interchange, Sicherheits- und Geheimhaltungsmechanismen

IEEE B02.11

Wireless LANs, drahtlose LANs IEEE 802.11: 2 MBit/s (2,4 GHz Band) IEEE 802.11a: 54 MBit/s (5 GHz Band) IEEE 802.11b: 11 MBit/s (2,4 GHz Band) IEEE 802.11g: 22 MBit/s (2,4 GHz Band)

IEEE 802.11h: 54 MBit/s (5 GHz Band) mit europäischen Ergänzungen (DFS, TPC)

IEEE 802.11i: Sicherheitsstandard

IEEE 802.11n: MIMO-Technik mit 135-600 Mbps

IEEE B02.12

100VG-AnyLAN, Fast-Ethernet

IEEE B02.14

CAT-TV-Netze, Kabelfernsehen im Netzwerk

IEEE B02.15

Wireless Personal Networks (WPAN, Bluetooth)

IEEE B02.16

Broadband Wireless Access (BWA, für MANs)

IEEE B02.17

Resilient Packet Ring (RPR, Protokoll für Ringstruktur)

Tabelle 1.2: Die wichtigsten IEEE 802-Standards für Netzwerke im Überblick

Für die Bearbeitung der einzelnen IEEE 802-Standards, die sich teilweise noch in mehrere Untergruppen aufteilen, existiert eine Vielzahl von speziellen Arbeitsgruppen wie etwa 802.1v für die Standardisierung von VLANs (Virtual Private Networks) oder 802.3af für die Definition der Energieübertragung für Endgeräte über Twisted Pair-Netzwerkkabel. Einige dieser Standards sind jedoch noch nicht offiziell verabschiedet worden, und es kommt auch immer wieder vor, dass aus den in den Arbeitsgruppen diskutierten Vorschlägen, für die es bereits eine entsprechende IEEE-Bezeichnung gibt, nie greifbare (verwertbare) Ergebnisse werden.

Deshalb ist es kaum sinnvoll, hier weiter in die IEEE-Standardisierungsthematik einzusteigen, die dem Anwender mit nicht verabschiedeten und damit verbindlichen Standards auch zur Orientierung nichts nützt, wenn es hierfür keine Produkte am Markt gibt. Im Verlaufe des Buches wird an einigen Stellen jedoch auf die in der Tabelle genannten Bezeichnungen und Untergruppen eingegangen, soweit dies sinnvoll ist und wenn entsprechende Geräte hierfür erhältlich sind.

1.8.3 Dokumentation - Request For Comments

Bei der Betrachtung von Standards sind Dokumente mit der Bezeichnung Request for Comments (RFC) von besonderer Bedeutung, die vielfach zur Kennzeichnung bestimmter Netzwerktechnologien von den Herstellern angegeben und auch in diesem Buch mit erwähnt werden, sofern es sich als hilfreich erweist und die Dokumente weiterführende Informationen bieten.

Diese RFC-Dokumente sind unter der Adresse http://www.rfc-editor.org im Internet zu finden. Sie tragen eindeutige Nummern (z. B. das erste Dokument RFC 0001 aus dem Jahre 1969), und wenn es mit Standard gekennzeichnet ist, kann man sich darauf verlassen, dass es sich dann um einen offiziellen Standard handelt, während es auch noch andere Kennzeichnungen für entsprechende RFC-Dokumente gibt, wie Informational, Experimentell oder Proposed, die sich demnach mit Dingen beschäftigen, die sich noch in der Entwicklung befinden und daher nicht für den Anwender geeignet erscheinen.

Generell stellen sich die RFC-Dokumente als eine recht »trockene« Materie dar, die auch nicht gerade zum Studium einlädt, was aber nichts daran ändert, dass die hiermit zur Verfügung gestellten Informationen eine große Bedeutung für die Netzwerktechnik haben.

Einerseits bieten die RFC-Dokumente eine Vielzahl an nützlichen Informationen, andererseits kann man sich hier auch leicht in veralteten Standards verlieren, die nicht immer als solche zu erkennen sind, da der Nachfolgestandard stets eine neue RFC-Nummer erhält. Die RFC-Dokumente, die ab Anfang des Jahres 2002 veröffentlicht wurden, tragen dabei eine Nummer, die größer ist als RFC 3195.

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Abbildung 1.15: Die Suche nach IPv6 hat zahlreiche RFC-Dokumente als Ergebnis zur Folge.

Kapitel 2

Das Ethernet

Ethernet ist die in Netzwerken vorherrschende Technologie, die nicht nur in lokalen Netzen, sondern auch in den Weitverkehrsnetzen verbreitet ist und einige andere Netzwerkimplementierungen erfolgreich verdrängt hat. Diese Entwicklung war in den Achtzigerjahren, als die ursprüngliche Version mit den entsprechenden Netzwerkadaptern vorgestellt wurde, sicher nicht absehbar.

2.1 Der Ursprung mit CSMA/CD

Der Ursprung des Ethernet liegt bei der Firma Xerox und dem damaligen Mitarbeiter Bob Metcalfe, der kurze Zeit später die Firma 3COM gründete, die Jahrzehnte lang auch die Weiterentwicklungen maßgeblich prägte.

Ursprünglich war das Ethernet für die Verbindung mehrerer Rechner mit einem Laserdrucker gedacht. Die Bezeichnung Ether - der Äther - steht für die eigentliche Netzwerkverbindung und stammt aus der Zeit, als Funknetze das Maß der Dinge waren, die in den USA über das Land verteilt installiert wurden, um Kommunikationswege aufrechterhalten zu können, falls ein befürchteter russischer Atomschlag stattfinden sollte. Diese Idee war letztlich auch die Grundlage für das Entstehen des weltweit funktionierenden Internet.

Abbildung 2.1: Der ursprüngliche Ethernet-Entwurf definiert die Netzwerkverbindung als Äther.

Die erste Ethernet-Implementierung verwendet zur Kommunikation das CSMA/CD-Ver-fahren (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection). Will eine Station eine Nachricht über das Netzwerk senden, prüft sie zunächst, ob sich bereits die Nachricht einer anderen Station auf dem Bus befindet (Carrier Sense).

Abbildung 2.2: Das Prinzip des CSMA/CD-Zugriffsverfahrens

Ist der Bus frei, kann sie danach auf den Bus zugreifen und Daten senden (Access). Haben jedoch mehrere Stationen gleichzeitig den Bus abgehört und beginnen zeitgleich, auf den Bus zuzugreifen (Multiple Access), kommt es zu einer Kollision, die von den einzelnen Stationen detektiert werden muss (Collision Detection). Daraufhin werden die Signale zurückgenommen, und die Stationen versuchen nun, ihre Nachrichten zeitversetzt auf den Bus zu legen.

Welche Station den Zugriff erhält und wie lange die anderen Stationen zu warten haben, kann nicht vorhergesagt werden, sodass dieses Verfahren für Echtzeitsysteme und zeitrelevante Einsatzzwecke nicht geeignet ist. Ab einer bestimmten Anzahl von Stationen (ca. 40°/oige Auslastung) wird die Verarbeitungsgeschwindigkeit aufgrund der stattfindenden Kollisionen merklich langsamer.

Dieses grundlegende Verfahren, das mit Ethernet vor ca. 30 Jahren eingeführt worden war, wurde im Laufe der Zeit stets weiterentwickelt und hat im Fast- und im Gigabit-Ethernet seine (kompatiblen) Nachfolger gefunden, die in den folgenden Abschnitten ausführlich behandelt werden.

2.2 Standard-Ethernet

Unter Standard-Ethernet firmieren die Realisierungen mit einer spezifizierten Datenübertragungsrate von maximal 10 MBit/s. Diese (nachträglich) eingeführte Bezeichnung dient als Abgrenzung zu den Weiterentwicklungen wie Fast-Ethernet (100 MBit/s) sowie auch Gigabit-Ethernet (1000 MBit/s).

Das ursprüngliche Medium für Standard-Ethernet ist Koaxialkabel, und dabei kommt stets das CSMA/CD-Verfahren (vgl. vorheriges Kapitel) zum Einsatz. Für Standard-Ethernet sind generell unterschiedliche Auslegungen möglich:

■ 10Base5: Wird auch als Thick-Ethernet bezeichnet und verwendet ein dickes, gelbes Verbindungskabel, woher auch die Bezeichnung Yellow Cable rührt. Ein Kabelsegment entspricht der Bustopologie und darf eine maximale Länge von 500 m aufweisen, und es sind bis zu 100 Stationen möglich. Für die Ankopplung einer Station an das Segment wird ein externer Transceiver verwendet, der bei einer PC-Netzwerkkarte an einen AUI-Connector anzuschließen ist.

■ 10Base2: Wird auch als Cheapernet bezeichnet, weil es preiswerter ist als 10Base5. Das Kabel (RG58) ist dünner, woher sich wiederum die mitunter verwendete Bezeichnung Thin Wire ableitet. Die Segmentlänge (ebenfalls Bustopologie) darf 185 m betragen, und es sind maximal 30 Stationen erlaubt. Eine PC-Netzwerkkarte (10 MBit/s) besitzt einen Koax-Anschluss für die entsprechende Kabelverbindung.

■ 10BaseT: Hierfür wird Twisted Pair-Kabel in einer Anordnung nach der Sterntopologie (Punkt-zu-Punkt) verwendet. In der Praxis ist mindestens TP-Kabel der Kategorie 3 notwendig. Falls stattdessen Kabel der Kategorie 5 verlegt wird, ist dann auch eine Migration zu Fast- und Gigabit-Ethernet möglich. Ein Kabelsegment darf eine Länge von 100 m nicht überschreiten.

■ 10BaseF: Dies ist die 10-MBit/s-Variante für Glasfaserverbindungen (LWL, Lichtwellenleiter), die insbesondere im Backbone für relativ lange Verbindungen und in störanfälligen Umgebungen zum Einsatz kommt. Die Segmentlänge kann bis zu 2 km betragen, und es wird eine Anordnung nach der Sterntopologie (Punkt-zu-Punkt) verwendet. Allgemein sind LWL-Verbindungen auch für Fast-, Gigabit-Ethernet sowie FDDI und ATM spezifiziert, und bei geeigneter Auswahl ist damit eine kostengünstige Migration zu den leistungsfähigeren Implementierungen gegeben.

2.2.1 Shared Medium

Die jeweils möglichen Kabellängen und die Gesamttopologie eines LAN werden in erster Linie von den physikalischen Eigenschaften des Mediums bestimmt; genauer von den elektrischen oder auch optischen (bei LWL) Dämpfungseigenschaften. Im Kapitel Medien wird hierauf noch explizit eingegangen, daher hier so viel: Die Stationen müssen stets zweifelsfrei erkennen können, ob das Medium (Shared) gerade von einer anderen Station belegt wird oder nicht, damit die Kollisionserkennung und damit der Zugriff auf das Übertragungsmedium einwandfrei funktionieren können.

Exkurs

Ethernet der ursprünglichen Auslegung verwendet ein sogenanntes Shared Medium. Dies bedeutet, dass sich alle aktiven Stationen beim Zugriff ein einziges Netzwerk(-Segment) teilen müssen, was durch das CSMA/CD-Verfahren entsprechend geregelt wird. Ein LAN besteht vielfach nicht nur aus einem Strang (Segment), sondern aus mehreren Segmenten, die über entsprechende Internetworking-Einheiten (z. B. Switches) miteinander verbunden werden. Ein Netzwerksegment, dem ein Shared Medium zugrunde liegt, wird auch als Kollisionsdomäne bezeichnet, da hier die im CSMA/CD-Verfahren begründeten Kollisionen auftreten können, was umso häufiger vorkommt, je mehr Stationen angeschlossen sind.

Das Vorhandensein einer Kollision kann von einer gerade sendenden Station lediglich während der von ihr durchgeführten Datenübertragung detektiert werden, also dann, wenn sie selbst der »momentane Eigentümer« des Shared Medium ist. Die Kollisionserkennung der sendenden Station ist erst dann abgeschlossen, wenn sie das letzte Bit des Datenpaketes verschickt hat und dieses zudem bei der entferntesten Station innerhalb der Kollisionsdomäne angekommen ist.

Die entfernteste Station muss das Medium als belegt erkennen können, was nicht funktioniert, wenn die Strecke zu groß sein sollte. Die entfernteste Station erkennt das Medium dann fälschlicherweise als frei und sendet ihrerseits Daten. Somit kommt es zwangsläufig zu einer Kollision, die jedoch wiederum von der anderen Station nicht erkannt werden kann, sodass es zu unerkannten Kollisionen kommt, was zu einem Nichtfunktionieren des LANs führen kann.

2.2.2 Round Trip Delay und Slot Time

Das Signal muss also von einer Station ausgesendet und wieder komplett empfangen werden können, wodurch sichergestellt wird, dass während des Sendevorgangs auch vom entferntesten Punkt des Segments eine Kollisionserkennung möglich ist. Der dafür notwendige Zeitraum wird als Round Trip Delay (RTD) bezeichnet und ist für die Ethernet-Standards genau definiert. RTD entspricht bei Standard- und auch Fast-Ethernet immer 512 Bit-Zeiten. Innerhalb dieser 512 Bit-Zeiten muss das Signal also einmal komplett in der Kollisionsdomäne hin- und wieder zurückgelaufen sein. Des Weiteren wird bei Ethernet eine zusätzliche Sperrzeit von 64 Bit festgelegt, damit Überschwingungen auf dem Kabel vermieden werden, was somit zu einer Gesamt-RTD von 576 Bit-Zeiten führt, deren Überschreitung zu einem Versagen der Kollisionserkennung führt.

In diesem Zusammenhang wird oftmals auch die sogenannte Slot Time angeführt, die diejenige Zeitspanne angibt, nach der das Medium durch ein Datenpaket minimal zulässiger Größe eindeutig als belegt gekennzeichnet ist. Die Slot Time beträgt bei Standard-und Fast-Ethernet 512 Bit-Zeiten und die minimale Paketgröße 64 Bytes. Die maximale Paketgröße beträgt stets 1518 Bytes. Das stellt sich jedoch für die Kollisionserkennung nicht als Problem dar, sondern die minimale Größe ist hierfür relevant.

Die Bit-Zeiten sind abhängig von der jeweiligen Übertragungsrate, was bei Standard-Ethernet (10 MBit/s) zu einer Bit-Zeit von 0,1 ps und bei Fast-Ethernet (100 MBit/s) zu 0,01 ps führt. Demnach beträgt Round Trip Delay bei Standard-Ethernet 51,2 ps (512 Bit-Zeiten), und damit das Gleiche aus Kompatibilitätsgründen auch für Fast-Ethernet zutrifft, müsste die minimale Paketgröße erhöht werden, oder man reduziert die maximal zulässige Kabellänge, wie es bei Ethernet praktiziert wird.

2.3 10Base5

Ethernet nach dem 10Base5-Standard ist die klassische Realisierung, die eher in Firmen als in heimischen Installationen anzutreffen ist und bereits seit Jahren nicht mehr neu verlegt wird. Der Vorteil gegenüber 10Base2 ist eine maximale Kabellänge von 500 m statt nur 185 m, allerdings sind für die Verbindung zum Netzwerksegment externe Transceiver zwischen dem Adapter - z. B. der PC-Netzwerkkarte - und dem eigentlichen Netzwerkkabel notwendig, was sich gegenüber 10Base2 als die teurere Variante darstellt, da die üblichen Netzwerkkarten für 10 MBit/s gleich OnBoard über einen Koaxialanschluss (BNC) für das Netzwerkkabel verfügen.

Die externen Transceiver ermöglichen es, eine Station auch im laufenden Betrieb vom Netzwerk »abzuhängen«, ohne dass dies eine Beeinträchtigung des LAN-Betriebs zur Folge hätte. An dieser Stelle sei erwähnt, dass dies prinzipiell auch bei der 10Base2-Rea-lisierung möglich ist, wenn man das Kabel zusammen mit dem T-Stück von der Netzwerkkarte abzieht. Allerdings findet dann gewissermaßen ein direkter Eingriff in das LAN-Segment statt. Bei 10Base 5 hingegen nimmt der Transceiver eine Abkopplung zwischen Segment und Adapter vor, was eine gefahrlosere Handhabung für das laufende Netzwerk bedeutet.

Abbildung 2.3: Diese ältere Standard-Ethernet-Netzwerkkarte verfügt über einen Koax-Anschluss (unten), einen AUI-Anschluss (Mitte) und einen Twisted Pair-Anschluss (oben).

Diese externen Transceiver werden als MAU (Media Access Unit) bezeichnet, und die Verbindung zwischen solch einer Unit und der Netzwerkkarte erfolgt per AUI-Verbindung (vgl. auch Abbildung 1.7).

Das Koaxialkabel des LANs wird bei Ethernet von Adapter zu Adapter (Netzwerkkarte oder MAU) verlegt und ist an den beiden Enden des Stranges (Segmentes) mit je einem Widerstand (Terminator) abzuschließen, denn prinzipiell handelt es sich bei Ethernet um ein Bussystem. Ein Bussystem, wie beispielsweise auch SCSI, ist stets mit entsprechenden Abschlusswiderständen (Terminatoren) zu versehen, denn andernfalls ist überhaupt kein oder nur ein fehlerhafter Betrieb möglich.

Attachment Unit Interface

Für den Anschluss von externen Transceivern und auch Medienkonvertern kommt vielfach ein AUI-Connector, der zuweilen auch als DIX-Connector bezeichnet wird, zum Einsatz. Laut Standard ist er für maximal 10 MBit/s vorgesehen, wobei es aber durchaus Einheiten (z. B. Hubs) gibt, bei denen hiermit auch 100 MBit/s möglich sein sollen, in den meisten Fällen funktioniert dies jedoch nicht.

Abbildung 2.4: Die Verbindung mit dem Netzwerk erfolgt über einen Transceiver, der mit der Netzwerkkarte über eine AUI-Verbindung mit DIX-Connector hergestellt wird.

Der AUI-Anschluss besteht aus einer 15-poligen Buchse. Hier sind alle Signale vorhanden, die für eine Netzwerkverbindung notwendig sind, sie müssen aber noch mithilfe eines externen Medienkonverters für die jeweilige Netzwerkverkabelung angepasst werden. Die AUI-Signale bestehen aus drei Leitungspaaren für Senden, Empfangen sowie die Kollisionserkennung und haben die in der Tabelle 2.1 angegebene Signalbelegung.

Pin Nr.

Signal

Bedeutung

1

Control In Shield, CI-S oder NC

Abschirmung der Signalleitungen oder nicht belegt

2

Control In, CI-A

Steuerinformation zur Kollisionserkennung

3

Data Out A, DO-A

Datenübertragung, senden

4

Data In Shield, DI-S

Abschirmung der Empfangsleitungen

5

Data In A, DI-A

Datenübertragung, empfangen

6

GND

Ground, Masseleitung

7

Control Out, CO-A oder NC

Signalisierung des Betriebszustandes oder nicht belegt

8

Control Out Shield, CO-S oder NC

Abschirmung der Signalleitungen oder nicht belegt

Pin Nr.

Signal

Bedeutung

9

Control In B, CI-B

Steuerinformation zur Kollisionserkennung

10

Data Out B, DO-B

Datenübertragung, senden

11

Data Out Shield, DO-S oder NC

Abschirmung der Sendeleitungen oder nicht belegt

12

Data In B, DI-B

Datenübertragung, empfangen

13

VCC

Spannung von typisch 5 V

14

NC

nicht belegt

15

Control Out, CO-B oder NC

Signalisierung des Betriebszustandes oder nicht belegt

Tabelle 2.1: Die Belegung des AUI-Anschlusses (DSUB-15-polig)

Für die Verbindung von Verteilern, Hubs und Switches untereinander kommt ebenfalls ein entsprechendes 15-poliges AUI-Kabel zum Einsatz, wobei die einzelnen Signalleitungen stets 1:1 (ohne Drehung untereinander) zwischen den Einheiten miteinander verbunden werden.

2.4 10Base2

Die Netzwerkverbindung laut 10Base2 stellt die preiswertere Variante mit Koaxialkabel dar. Mittlerweile ist sie gewissermaßen »aus der Mode gekommen«, weil hiermit nur eine maximale Datenübertragungsrate von 10 MBit/s möglich ist. Die Verkabelung lässt sich für 10Base2 allerdings sehr einfach durchführen und auch noch nachträglich erweitern.

Unter dem Gesichtspunkt, dass alle Angaben zu Datenübertragungsraten eher eine theoretische Bedeutung haben, ist ein Netzwerk für den Heimgebrauch mit Koaxialkabel einem drahtlosen WLAN oder auch LAN per Stromleitung (Powerline) sowohl konfigurationstechnisch und meist sogar auch leistungstechnisch überlegen.

Wie es noch erläutert wird, sind die Verbindungen mit Twisted Pair-Kabel stets als 1:1-Verbindung durchzuführen, und es kommt dabei üblicherweise ein »Verteiler« (Hub, Switch) zum Einsatz. Jeder PC benötigt demnach eine eigene Leitung zum Hub oder Switch, was zu einem höheren »Verdrahtungsaufwand« führt.

Bei 10Base2 kann an das Koaxialkabelsegment jedoch ohne Weiteres eine zusätzliche Station angeschlossen werden. Dieser Umstand ist insbesondere bei Heiminstallationen relevant, wo man beispielsweise nur eine Koaxialkabelverbindung in das obere Stockwerk zu verlegen braucht, um hier etwa den ersten PC für das Kinderzimmer anschließen zu können. Der zweite PC, der dann möglicherweise oben benötigt wird, kann dann später einfach mit dem gleichen Kabel verbunden werden.

Der Nachteil von 10Base2 (oder auch 10Base5) ist aber zweifellos der, dass es bei einer Verkabelung mit Koaxialkabel keine Möglichkeit gibt, hiermit im Bedarfsfall eine Steigerung der Datenübertragungsrate auf 100 MBit/s (Fast-Ethernet) oder höher vornehmen zu können, denn dies ist nur mithilfe von Twisted Pair-Kabeln möglich.

Bei den TP-Kabeln existiert prinzipiell eine Vielzahl von verschiedenen Typen, und erst in den letzten Jahren hat sich das Cat5-Kabel als Standardkabel erwiesen, das eine entsprechende Migration zu den schnelleren Ethernet-Versionen ermöglicht. Wer sein Haus vor einigen Jahren etwa mit Cat3-Kabel vernetzt hat, ist damit ebenso am Ende der maximalen Leistung angelangt wie mit dem Koaxialkabel.

Das bei 10Base2 zu verwendende (dünnere) Koaxialkabel wird einfach von PC zu PC geführt, mittels T-Stücken zu einem Bus verbunden und an den beiden Enden jeweils mit einem Terminierungswiderstand (50 ü) abgeschlossen. Als Netzwerkverbindungskabel kommt dabei Koaxialkabel (RG58, Cheapernet) zum Einsatz. Es besteht aus einem Innenleiter, der das Datensignal führt, und dem Außenleiter, einer Abschirmung, die sich auf Massepotenzial befindet. Aufgrund der Tatsache, dass die Abschirmung als Geflecht das Datensignal nach außen hin schützt (abschirmt), ist die Störanfälligkeit dieser Verbindung relativ gering.

Abbildung 2.6: Das Koaxialkabel mit dem T-Stück wird mit der Netzwerkkarte verbunden.

Das dünne Koaxialkabel ist preiswert, flexibel und problemlos in der Handhabung. Es ist vielfach »einfach irgendwie« im Raum ohne irgendwelche Anschlussdosen oder sonstiges Befestigungsmaterial verlegt worden, was selten negative Auswirkungen auf das Netzwerk selbst hat. Beim Aufbau des Netzwerkes mit Koaxialkabel muss im Grunde genommen nur stets beachtet werden, dass an jedem PC ein T-Stück angebracht wird, die maximalen Kabellängen nicht überschritten und die einzelnen »Kabelstücke« auch tatsächlich von PC zu PC geführt werden und nicht anders. Die beiden Abschlusswiderstände an den jeweils beiden Bus-Enden sind absolut notwendig, ohne sie funktioniert gar nichts.

Exkurs

Mit einem geeigneten Verteiler (Hub) lässt sich ein Koaxialkabel-Segment mit einem Twisted Pair-Kabel basierten Segment koppeln. Der Hub ist dabei wie ein am Koaxialkabel basierten Netzwerk angeschlossener PC zu betrachten, d.h., wenn er sich an einem Bus-Ende befinden sollte, ist er mit einem Abschlusswiderstand zu versehen.

Das Netzwerksegment (von Abschlusswiderstand zu Abschlusswiderstand) darf über eine maximale Länge von 185 m verfügen, und zwischen den einzelnen PCs, wovon maximal 30 möglich sind, müssen jeweils mindestens 0,5 m Kabel liegen. Größere Ausdehnungen sind mit dem RG58-Koaxialkabel dennoch möglich, wenn einzelne Segmente über sogenannte Repeater oder auch mit Hubs - bei unterschiedlichen Kabelsegmenten - gekoppelt werden, was in Kapitel 6 noch genauer erläutert wird.

Falls es sich um eine relativ lange Koaxialkabelverbindung handelt, kann die Masse, die über das Kabel mit jedem einzelnen PC verbunden ist, Probleme bereiten und das Netzwerk zum »Aussteigen« oder gleich von vornherein zum völligem Versagen verurteilen. Jeder PC steckt natürlich in einer Steckdose und ist mit der Erde verbunden, doch weil sich diese nicht überall ständig auf gleichem Potenzial befindet, kann es zu einer »unsauberen« Masse des Koaxialkabels kommen.

Aus diesem Grunde gibt es Abschlusswiderstände, an denen eine kleine Kette oder auch ein Kabel mit Klemmschuh angebracht ist, und dieses ist dann direkt an die Erde anzuschließen, wodurch das Massepotenzial nicht mehr »schwimmen« kann, sondern dann auf einem festen Potenzial liegt. Diese Verbindung darf man aber keinesfalls an beiden Seiten des Netzwerkes herstellen, sondern nur an einer Seite, denn andernfalls hätte man wieder das alte Problem herbeigeführt.

Abbildung 2.7: An einem Ende des Bussegments sollte ein Abschlusswiderstand mit einer zu erdenden Kette angebracht sein.

Prinzipiell bestimmt nicht nur die eigentliche Kabellänge, ob eine Erdung stattfinden muss oder nicht, sondern auch die Anzahl der PCs an unterschiedlichen Steckdosen (verschiedenen Stromkreisen), denn dadurch ergibt sich mit der entsprechenden Kabellänge die Verschiebung des Massepotenzials. Es schadet jedoch nichts, wenn man von vornherein eine Erdung mit einer Kette vorsieht, egal, wie viele PCs eingesetzt werden und welche Kabellänge sich letztendlich ergibt.

Exkurs

Insbesondere bei längeren Koaxialkabelverbindungen und PCs, die an unterschiedlichen Stromkreisen angeschlossen sind, sollte ein Abschlusswiderstand an einem Ende geerdet werden, was meist mithilfe einer kleinen Kette am Widerstandsstecker erfolgt.

Wenn der PC über ein geerdetes Metallgehäuse verfügt, kann die Kette an der PC-Rückseite (z. B. an einer Schraube des PC-Netzteils) angeschraubt werden. Eine weitere Möglichkeit ist die direkte Verbindung mit der Erdleitung in der Steckdose, was aber mit Bedacht - am besten mit einem Erdungsstecker - ausgeführt werden muss, da man sich in die Gefahr eines Stromschlages begibt, wenn man aus Versehen an die Phase des Stromnetzes kommt.

2.5 10BaseT

Bei einem Netzwerk mit Twisted Pair-Kabel werden die Verbindungen generell 1:1 von Gerät (PC) zu Gerät (Hub, Switch) verlegt, was bedeutet, dass sich eine sternförmige Verkabelung ergibt und nicht einfach - wie beim Koaxialkabel - ein Kabel von einem PC zum anderen geschleift werden kann.

Der Verkabelungsaufwand ist bei Twisted Pair demnach höher, allerdings kann ein PC problemlos vom laufenden Netzwerk abgehängt werden, und falls ein Kabel oder Anschluss defekt ist, »steht« nicht gleich das gesamte Netzwerk. Außerdem gibt es hier auch keine Terminierung zu beachten, da sie fest in den einzelnen Geräten eingebaut ist.

Abbildung 2.8: In einem Netzwerk mit TP-Kabel ist ein Switch die zentrale Einheit, an die alle PCs mit einem eigenen Kabel angeschlossen werden.

Ein Twisted Pair-Kabel besteht aus mehreren, miteinander verdrillten Leitungen. Diese Kabel sind in nicht abgeschirmter (UTP, Unshielded Twisted Pair) und abgeschirmter (STP, Shielded Twisted Pair) Ausführung erhältlich, wobei das letztere unempfindlicher gegen äußere Störungen ist.

Das STP-Kabel gibt es auch noch mit einer gemeinsamen Abschirmung (S-UTP), die als Mantel (Geflecht, Metallfolie) um alle Leitungen geführt ist, und in einer anderen Auslegung, bei der jedes Aderpaar (einzeln) abgeschirmt ist.

Prinzipiell ist für 10BaseT lediglich ein TP-Kabel der Kategorie 3 notwendig, besser wäre jedoch ein Kabel der Kategorie 4, das allerdings kaum eingesetzt wurde, denn das gebräuchlichste TP-Kabel ist das S-UTP-Kabel der Kategorie 5 (Cat5-Kabel). Da es mit diesem in der Praxis die wenigsten Probleme gibt und es zudem eine Migration zu Fastoder auch Gigabit-Ethernet ermöglicht, sollte man die anderen Typen nicht neu verlegen.

Wer heutzutage ein TP-Kabel erwirbt, sollte also darauf achten, dass es sich (mindestens) um ein Cat5-Kabel handelt, auch wenn zunächst vielleicht nur 100 MBit/s gefordert sein sollten.

Exkurs

Eine Mischung von verschiedenen TP-Kabeltypen ist unsinnig und kann das Netzwerk störanfälliger machen, als wenn die gesamte Verkabelung mit UTP ausgeführt worden wäre. Am häufigsten wird das S-UTP-Kabel der Kategorie 5 mit einer gemeinsamen Abschirmung eingesetzt.

Wie es auch der Tabelle 2.2 zu entnehmen ist, findet auf Twisted Pair-Kabeln eine diffe-renzielle Datenübertragung statt, es gibt demnach jeweils zwei Sende-Leitungen (TXD+, TXD-) und auch zwei Empfangsleitungen (RXD+, RXD-). Die Datensignale werden also nicht wie bei einer Koaxialleitung auf die Masse bezogen, sondern das Nutzsignal liegt zwischen TXD- und TXD+, was dementsprechend auch für das Empfangssignal auf den RXD-Leitungen gilt.

8-adrig

1

TXD+

TX_D1+

2

TXD-

TX_D1-

3

RXD+

RX_D2+

4

-

BI_D3+

5

-

BI_D3-

6

RXD-

RX_D2-

7

-

BI_D4+

8

-

BI_D4-

Tabelle 2.2: Die Signalbedeutungen bei Twisted Pair-Kabel

Bei einem üblichen Cat5-Kabel sind alle acht Adern des Kabels belegt, auch wenn vielfach nur vier davon zum Einsatz kommen, wie etwa bei Standard- und auch Fast-Ethernet. Die 8-adrige Version der Tabelle zeigt die Belegung, wie sie für Gigabit-Ethernet gilt. Diese differenzielle Datenübertragung ist somit störungssicherer, denn eine auftretende Störung von außen würde sich auf beiden Leitungen gleichermaßen niederschlagen, und das Differenzsignal - die Dateninformation - bliebe dadurch völlig unbeeindruckt.

Die Durchführung der mit Ethernet auf Koaxialkabel eingeführten Kollisionserkennung (CSMMA/CD) und der damit verbundenen Zugriffsregelung auf das Übertragungsmedium ist bei einem mit Twisted Pair-Kabel realisierten LAN nicht notwendig.

Bei einer 1:1-Verbindung (vgl. 4-adrige Belegung in der Tabelle 2.2) gibt es je zwei Sende- (TXD+, TXD-) und ebenfalls zwei Empfangsleitungen (RXD+, RXD-), wodurch es prinzipiell möglich ist, gleichzeitig Daten zu senden und zu empfangen (Duplex-Mode), ohne dass hier eine andere Station in den Datenverkehr »hineinfunken« könnte. Dies führt bei 10BaseT somit zu einer theoretischen Datenübertragungsrate von 20 MBit/s zwischen zwei aktiven Teilnehmern.

Eine Kollisionsdomäne existiert aber dennoch, wenn mehr als zwei PCs im 10BaseT-LAN mit einem Hub verwendet werden. Sie erstreckt sich dann nämlich auf das gesamte mit einem Hub verbundene Segment. Die Kollisionserkennung sowie der Zugriff der Stationen auf das Netzwerksegment werden demnach vom Hub geregelt, und daher gibt es dann auch bei 10BaseT (wieder) die leistungshemmenden Zugriffsregelungen. Üblich sind heutzutage statt Hubs die Switches, die demgegenüber an jedem Port die maximale Datenrate ohne Kollisionsbetrieb ermöglichen.

Twisted Pair-Kabel sind in typischen Längen von 0,5 m bis 30 m erhältlich, wobei die Preise für gute Qualität hierfür bei ca. 2 € beginnen. Ich rate davon ab, die Netzwerkkabel selbst zu konfektionieren, weil dies einfach eine potenzielle Fehlerquelle darstellt, die nur zu oft übersehen wird. Dies gilt erst recht für das mehradrigere TP-Kabel, zumal hierfür aufjeden Fall auch noch eine spezielle Crimp-Zange (ca. 20 €) benötigt wird und sich das Überprüfen der korrekten Verbindung ohne ein spezielles Messgerät eigentlich nicht durchführen lässt.

Abbildung 2.9: Twisted Pair-Kabel gibt es in unterschiedlichen Längen und auch Farben, was sich ganz hilfreich für die Identifizierung der verschiedenen Verbindungen erweisen kann.

Bei längeren Kabelverbindungen - 100 m sind mit TP-Kabel zwischen zwei Geräten maximal erlaubt - scheint jedoch kein Weg an einer Eigenanfertigung vorbeizuführen. Es gibt aber sowohl für Koaxial- als auch für TP-Kabel für ein paar Euro entsprechende Kupplungsstücke, mit denen ein Netzwerkkabel problemlos verlängert werden kann.

Abbildung 2.10: Mithilfe von Koaxial- und TP-Kupplungsstücken können Netzwerkkabel einfach verlängert werden.

2.5.1 TP-Kabelverbindung für zwei PCs

Falls lediglich zwei PCs per TP-Kabel verbunden werden sollen, kann auch ein spezielles TP-Kabel (Crossover-Kabel) verwendet werden, bei dem die Leitungspaare TXD und RXD überkreuz laufen, wodurch die Sendeleitungen des einen PC den Empfangsleitungen des anderen entsprechen und natürlich auch umgekehrt.

Abbildung 2.11: Ein Crossover-Kabel kann für die Vernetzung von zwei PCs ohne Hub oder Switch verwendet werden.

Exkurs

Für die Verbindung von zwei gleichartigen Datenendeinrichtungen (DEEs), wie beispielsweise von zwei PCs, aber auch von zwei Hubs oder Switches, werden Kabel mit »verdrehten« Leitungen (Crossover-Kabel) verwendet.

Daneben gibt es bei Netzwerkkarten und -geräten auch intelligente Adapterschaltungen, die automatisch erkennen können, welche Verbindungsart (1:1, überkreuz) für den Datenverkehr benötigt wird, und sich hierauf entsprechend einstellen. In der Praxis gibt es beim Einsatz von unterschiedlichen Modellen mit dieser Funktion jedoch häufig Probleme, sodass sie im Zweifelsfall nicht verwendet werden sollte, was sich beispielsweise bei Windows unter den Eigenschaften der Netzwerkkarte einstellen lässt.

Ab Gigabit-Ethernet werden von den Adaptern sogenannte Training Frames gesendet, um die jeweiligen Betriebsarten und Aderpaarzuordnungen feststellen zu können. Diese Synchronisierung bedeutet, dass für die Gigabit-Kopplung keine Crossover-Kabel benötigt werden und es im Handel hierfür selbstverständlich auch keine gibt.

Exkurs

Für reine Gigabit-Verbindungen werden keine Crossover-Kabel mehr benötigt, sondern der jeweilige Verbindungstyp wird von den Teilnehmern automatisch detek-tiert. Diese Autodetect-Funktion ist auch bei einigen Switches und Routern, die lediglich Fast-Ethernet unterstützen, zu finden, was jedoch nicht allgemein gilt.

Einem Twisted Pair-Kabel ist von außen nicht anzusehen, ob es sich um ein übliches Kabel, das zuweilen auch als Patch-Kabel bezeichnet wird, handelt oder um ein Cross-over-Kabel. Dieser Tatsache ist es daher zu verdanken, dass schon viele »Netzwerker« auf Probleme beim Netzwerkaufbau gestoßen sind, nur weil sie das falsche Kabel verwendet haben.

Bezeichnung

Anschluss

Anschluss

Bezeichnung

TD+

1

3

RD+

TD-

2

6

RD-

RD+

3

1

TD+

RD-

6

2

TD-

Tabelle 2.3: Die zu verbindenden Kontakte bei der einfachen TP-Kopplung zweier PCs

2.6 10BaseFX

Netzwerke auf der Basis von Lichtwellenleitern (LWL) sind verglichen mit Kupferverbindungen störunempfindlich, abhörsicher und weisen generell eine niedrige Fehlerrate auf. Die passenden Netzwerkkarten sowie auch Hubs und Switches sind jedoch teurer als die für kupferbasierte Lösungen. Allerdings überwiegen vielfach die Vorteile, insbesondere in Industrieumgebungen, wo elektrische und magnetische Felder den Netzwerkbetrieb stark beeinträchtigen können.

Die LWL-Verbindungen können beispielsweise auch im gleichen Kabelschacht wie etwa die Starkstromleitungen verlegt werden, wobei die davon ausgehenden Störungen keinerlei Einfluss auf die Netzwerkverbindung haben. Beschädigungen durch Überspannungen, statische Entladung oder auch durch Blitzschlag sind bei LWL nicht möglich. Außerdem gibt es hier automatisch eine »galvanische« Entkopplung zwischen der Netzwerkhardware (z. B. Netzwerkkarte) und dem Medium, wofür bei den TP- und Koax-Netzwerkkarten spezielle Übertrager (Transformatoren) notwendig sind.

Abbildung 2.12: Eine Netzwerkkarte für LANs nach dem 10BaseF-Standard mit ST-Verbindungen, die außerdem auch noch über einen TP-Anschluss (unten) laut 10BaseTX verfügt.

Werden außerdem die Kosten für die Verlegung des Kabels bzw. des Lichtwellenleiters mit ins Kalkül gezogen (also auch der Arbeitslohn), ist der Kostenunterschied zwischen kupferkabel- und lichtwellenleiterbasierten Netzwerken kaum mehr nennenswert. An passender Stelle im LAN könnte außerdem eine entsprechende Konvertierung (vgl. Abbildung 2.25) von LWL auf TP-Kabel vorgenommen werden, damit etwa der räumlich ausgedehnte LWL-Backbone auf die (preiswerteren) TP-basierten Büroanschlüsse umgesetzt wird.

Der Standard 10BaseF, wobei das F für Fiber, also Glasfaser, steht, umfasst im Wesentlichen drei Spezifikationen:

■ 10Base-FB: Verwendung von LWL im Backbone, maximal 2 km Segmentlänge.

■ 10Base-FL: Entspricht dem FORIL-Standard (Fiber Optic Repeater Inter Link), maximal 2 km Segmentlänge.

■ 10Base-FP: Enthält Richtlinien für passive LWL-Hubs, maximal 1 km Segmentlänge.

Laut Fiber Optic Repeater Link (FORIL) ist hiermit eine maximale Segmentlänge von bis zu 2 km zulässig, was weit über die maximale Länge von TP-Verbindungen hinausgeht, sodass LWL-basierte LANs ganz besonders für den Einsatz über ganze Firmengebäude oder -gelände hinweg geeignet sind.

Die Lichtwellenleiterverbindungen - gewissermaßen die LWL-Kabel, auch wenn es keine Kabel im elektrischen Sinne sind - sind entgegen der oft zitierten Befürchtung äußerst robust, dabei relativ dünn und daher sehr flexibel, was sie in der Handhabung sogar unkritischer erscheinen lässt als TP-Kabel.

Abbildung 2.13: Die verbreiteten LWL-Patch-Kabel verwenden entweder ST- (unten) oder SC-Connectoren (oben), wobei auch entsprechende Adapterstücke erhältlich sind. Der Vorteil der SC-Verbindung ist der, dass die Stecker nicht unabsichtlich vertauscht werden können.

Ein gewisses Handicap für die Selbstverlegung von Lichtwellenleitern und die Montage der passenden Anschlussdosen ist allerdings die Tatsache, dass man hier nicht »einfach« Stecker auflöten oder quetschen kann, sondern die Fasern des Leiters eine besondere Behandlung wie das Schneiden, Spleißen, Kleben und Polieren erfordern, was nur der hierfür ausgewiesene Fachmann durchführen kann. Vielfach kommt man jedoch auch mit den Standardlängen aus, die bis zu 50 m reichen und mit fertigen Anschlüssen versehen sind. Seit einiger Zeit sind zudem LWL-Connectoren für die (relativ einfache) Selbstmontage verfügbar, worauf in Kapitel 3.3.3 näher eingegangen wird.

Abbildung 2.14: Zwei montierte LWL-Anschlussdosen für ST-Stecker

Lichtwellenleiterverbindungen werden, wie es auch bei dem Twisted Pair-Kabel üblich ist, sternförmig (d. h. 1:1 zwischen den einzelnen Geräten) ausgeführt. Dabei kommen nur zwei Leitungen zum Einsatz, die oftmals mit ST-Steckern versehen sind und mit RX und TX (Full Duplex) bezeichnet werden. In der Regel verwenden die 10BaseF-Geräte die ST-Anschlüsse, während bei 100BaseFX die SC- oder auch MIC-Anschlüsse gebräuchlicher sind, die sich lediglich in der Befestigungsart voneinander unterscheiden, wofür es entsprechende Adapter sowie Adapterkabel gibt.

Eine Kopplung von lediglich zwei PCs - wie sinnvoll dies auch sein mag - ist demnach wie bei Twisted Pair einfach dadurch möglich, dass hier die eine RX-Leitung an TX der anderen Karte angeschlossen wird und TX entsprechend an RX des anderen PC.

Sollen mehrere Geräte über LWL verbunden werden, sind auch hierfür natürlich entsprechende Hubs oder Switches notwendig. Bei LWL-Einheiten gibt es aber generell nicht die Möglichkeit, zwischen 10 MBit/s und 100 MBit/s umzuschalten, was insbesondere für die Netzwerkkarten von Bedeutung ist, denn entweder unterstützen sie Standard- oder Fast-Ethernet, aber nicht beides. Dies liegt unter anderem daran, dass bei 10BaseFX Transceiver mit einer Wellenlänge von 850 nm und bei der Fast-Variante (100BaseFX) solche mit 1300 nm verwendet werden, womit eine höhere Reichweite zu erzielen ist. Sind für 10BaseFX handelsübliche Glasfaserleitungen (Multimode mit 50/125 oder mit 62,5/125 pm) verlegt worden, ist jedoch unter Beachtung der jeweiligen maximal erlaubten Distanzen eine Migration von 10BaseFX zu 100BaseFX und sogar zu 1000BaseLX/SX möglich.

Im Übrigen kann die Fehlersuche in einem LWL-Netzwerk recht einfach sein, denn man kann u. U. anhand des Lichtes in der Faser unmittelbar mit bloßem Auge erkennen, ob hier Daten ankommen oder nicht, was z. B. die Identifizierung der TX-Leitung, die aus der Anschlussdose kommt und über ein LWL-Patch-Kabel (zusammengefasst mit der RX-Leitung) mit der Netzwerkkarte verbunden wird, erleichtert. Dies funktioniert aber nur dann, wenn in den entsprechenden Einheiten zusätzliche LEDs eingebaut sind, die genau diesem Zweck - der Identifizierung von korrekten Übertragungsstrecken - dienen. Die »Transportwellenlängen« (z. B. 850 nm, rot) lassen sich nämlich nicht mit dem bloßen Auge erkennen.

Exkurs

Einige LWL-Netzwerkeinheiten verfügen über eine zusätzliche LED, mit deren Licht sich eine LWL-Verbindung leicht optisch überprüfen lässt. Mithilfe eines Laserpointers, der beim Stecker in die Faser hineinleuchtet, ist eine Kontrolle von korrekten Verbindungen ebenfalls möglich.

Abbildung 2.15: Ein LWL-Hub von der Vorder- und von der Rückseite mit acht LWL-Anschlüssen, einem AUI- sowie einem RS232-Port für die Konfigurationsarbeiten

Leider ist anhand der Beschreibungen zu den Einheiten nicht immer feststellbar, ob diese nützliche Option gegeben ist oder nicht. Hersteller wie beispielsweise Hewlett-Packard realisieren diese zusätzliche Funktion allerdings bei vielen Einheiten. Für den Test einer optischen Übertragungsstrecke eignet sich im Übrigen auch ein handelsüblicher Laser-pointer, mit dem man in die Faser hineinleuchten kann. Dabei sollte man aber stets vorsichtig sein, wenn man nicht genau weiß, was einen erwartet, denn das Laserlicht kann bekanntlich Sehstörungen und sogar Beschädigungen der Augen zur Folge haben. Allerdings entsprechen die optischen Komponenten (auch 1000BaseSX/LX) der Laser-Klasse 1, die laut Definition unter den vorhersehbaren Bedingungen sicher ist.

LWL muss natürlich nicht stets bis an die einzelnen PCs geführt werden, sondern wird meist nur bis in die jeweiligen Räume gelegt, und dort wird ein Hub oder ein Switch installiert, der eine Umsetzung von LWL auf mehrere TP-Ports vornimmt. Die oben für den 10BaseT-Standard angestellte Betrachtung zu den Kollisionsdomänen gilt ebenfalls für 10BaseF, weil es hier ebenfalls einzelne Sende- und Empfangsleitungen gibt und die ggf. notwendige CSMA/CD-Verarbeitung im (LWL-)Hub stattfindet.

2.7 Fast-Ethernet

Realisierungen wie FDDI, HSTR, 100BaseVg AnyLAN oder auch ATM haben sich allesamt an der Ablösung des 10Base-Ethernet versucht, weil es eine Zeit lang so aussah, als ob Ethernet mit 10 MBit/s am Ende wäre. Im Grunde genommen hat aber keines

Abbildung 2.16: Das TP-Kabel der Kategorie 5 ist das bevorzugte Transportmedium für Fast-Ethernet.

Die Weiterentwicklung davon - 10 Gigabit-Ethernet - ist außerdem auch als WAN-Tech-nologie konzipiert, wodurch Ethernet quasi allgegenwärtig ist. Den Schlüssel zu den höheren Datenübertragungsraten liefert zunächst das sogenannte Switching, also die Möglichkeit, stets 1:1-Verbindungen zwischen den Einheiten schalten zu können, wofür eben Switches statt Hubs zum Einsatz kommen. Damit fällt das Koaxialkabel als Übertragungsmedium aus, und es bleiben noch die Twisted Pair- und die verschiedenen LWL-Realisierungen für alles, was nach Standard-Ethernet (10 MBit/s) kommt, übrig.

■ 100BaseTX: Dieser Standard definiert Fast-Ethernet auf verschiedenen Twisted Pair-Kabeln. Die Version 100BaseT2 kann bereits mit Kabel der Kategorie 3 zum Einsatz kommen, wofür dann drei Datenleitungen und eine Leitung für die Kollisionserkennung verwendet werden, womit jedoch kein Vollduplex-Betrieb (gleichzeitiges Senden und Empfangen) möglich ist. Alternativ lässt sich ein 8-adriges Twisted Pair-Kabel (Cat3) einsetzen, wodurch diese Einschränkung dann nicht mehr gegeben ist und was dann unter 100BaseT4 firmiert. Die gebräuchlichere Realisierung 100BaseTX verwendet UTP/STP-Kabel der Kategorie 5, ist Vollduplex-fähig und gilt als allgemeiner Standard für Fast-Ethernet über eine maximale Distanz von ca. 100 m.

■ 100Base VG-AnyLAN: Fast-Ethernet mit dem DPMA-Verfahren (Demand Priority Medium Access) auf Twisted Pair (8-adrig) oder LWL-Verbindungen. Es setzt zwar ebenfalls eine sternförmige Topologie voraus und gilt als leistungsfähige Zusammenführung der Ethernet- mit der Token Ring-Funktionalität, hat sich gegenüber 100BaseTX jedoch nicht auf breiter Front als Nachfolger von 10Base durchsetzen können. Auf eine nähere Betrachtung dieser Netzwerktechnologie wird im Folgenden aufgrund der mittlerweile geringen Bedeutung verzichtet.

■ 100BaseFX: Definiert Fiber Optic-Verbindungen (Glasfaser, Lichtwellenleiter) mit 100 MBit/s (Fast-Ethernet) im kompatiblen Modus (CSMA/CD) bei einer maximalen Segmentlänge von 410 m unter Verwendung eines Multimode-Kabels. Die maximale Distanz

der genannten Systeme dieses Ziel erreicht, sodass das schnellere Ethernet (Fast-Ethernet) mit 100 MBit/s heute als die gebräuchlichste Standard-LAN-Technologie überhaupt anzusehen ist.

kann ohne Weiteres bis auf 2 km erhöht werden, wenn das CSMA/CD-Verfahren nicht zur Anwendung kommen muss, weil im Vollduplex-Modus gearbeitet werden kann.

2.7.1 100BaseTX

Neben der Switching-Funktionalität sind weitere Veränderungen am »alten« Ethernet-Standard notwendig gewesen, um zu den höheren Datenübertragungsraten zu gelangen. Dazu gehört eine abwärtskompatible Veränderung des Ethernet-Datenframe, was im Kapitel 2.10 näher erläutert ist. Die maximale Segmentlänge beträgt auch hier maximal 100 m (wie bei Standard-Ethernet), was durch eine Reduzierung der Bit-Zeit auf 0,01 ps (statt 0,1 ps) erreicht wird. Die Paketlänge von 512 Byte ist dabei die gleiche geblieben wie bei Standard-Ethernet, was automatisch zu einer Länge der Kollisionsdomäne von ca. 200 m führt, denn das Signal muss für die Kollisionsverarbeitung das komplette Segment einmal hin- und wieder zurücklaufen können, wie es bei Standard-Ethernet erläutert ist.

Bei 10BaseT wurde auch erwähnt, dass bei einer 1:1-Verbindung, die im einfachsten Fall aus der Kopplung von lediglich zwei PCs per TP-Kabel besteht, und bei »richtigen« Netzwerken aus einer LAN-Kopplung mithilfe von Switches (statt Hubs) keine Kollisionen mehr auftreten können und gleichzeitiges Senden und Empfangen möglich ist, was gemeinhin als Vollduplex-Modus bezeichnet wird. Dies ist bei Fast-Ethernet genauso der Fall, und ganz generell gilt, dass das CSMA/CD-Verfahren im Vollduplex-Modus überhaupt nicht zur Anwendung kommt.

Abbildung 2.17: Je nach Hersteller der Netzwerkkarte finden sich unter den erweiterten Eigenschaften einige wichtige Optionen, wie beispielsweise die Einstellungsmöglichkeiten für den Duplex-Modus.

Somit hat man bei einer entsprechenden LAN-Topologie spätestens mit Fast-Ethernet und dem Einsatz von Switches das leistungshemmende Kollisionsverfahren überwunden. Für Standard-Ethernet (10 MBit/s) mit TP-Kabel gilt dies gleichermaßen, vorausgesetzt, die Netzwerkkarte unterstützt explizit die Vollduplex-Betriebsart, und es kommen entsprechende Switches zum Einsatz, wobei solche für Standard-Ethernet kaum mehr erhältlich sind, weil die Fast-Ethernet-Switches ihnen den Rang abgelaufen haben. Als Standard-Ethernet noch das Maß der Dinge war, wurden stattdessen zumeist Hubs eingesetzt, weil die Switching-Technologie quasi noch in den Kinderschuhen steckte, was bedeutet, dass hiermit eben keine Vollduplex-Betriebsart möglich ist und auf diesem Shared Medium daher CSMA/CD zum Einsatz kommen muss.

Von der Anwenderseite her fallen die Anpassungen auf 100BaseTX im Grunde genommen nicht weiter auf, denn jede heutzutage erhältliche TP-Netzwerkkarte unterstützt auch Fast-Ethernet, wobei ihr diese Funktionalität weder von den Anschlüssen her noch sonst irgendwie unmittelbar anzusehen ist. In den mobilen PCs (Notebook, Netbook) sind standardmäßig ebenfalls 100BaseTX-kompatible Adapterchips verbaut.

Abbildung 2.18: Fast-Ethernet-Netzwerkkarten sind sehr preisgünstig.

Entsprechendes gilt für die »schnellen« Hubs und Switches, die üblicherweise automatisch in der Lage sind, zwischen beiden Ethernet-Varianten (Standard und Fast) umschalten zu können, wenn die Clients dies erfordern sollten. Gerade diese Umschaltung, die in der Praxis eben nicht immer optimal und automatisch funktioniert und als Autonego-tiation bezeichnet wird, kann ein LAN bei nicht harmonierenden Einstellungen bei den Netzwerkkarten einerseits und den Kopplungseinheiten andererseits gehörig ausbremsen, was auch zum völligen Versagen eines Clients oder sogar des gesamten LAN führen kann.

Abbildung 2.19: Diese Leuchtdioden signalisieren bei einer Netzwerkkarte, ob Daten gesendet oder empfangen werden (ACT LED), was entweder mit 10 MBit/s (10 LNK LED) oder mit 100 MBit/s (100 LNK LED) erfolgt.

Sowohl bei den Netzwerkkarten als auch bei den Kopplungseinheiten gibt es üblicherweise Anzeigen in Form einzelner Leuchtdioden, die sowohl den jeweiligen Status des Netzwerkports als auch die momentane Betriebsart signalisieren, was sich insbesondere bei der Fehlersuche in einem LAN als sehr nützlich erweisen kann.

Abbildung 2.20: Eine Anschlussdose für TP-Kabel der Kategorie 5 und ein sogenanntes Patchpanel (oben) für die feste Netzkabelverlegung

Das Herstellen der Netzwerkverbindungen für Fast-Ethernet erfolgt genauso, wie es bei Standard-Ethernet mit Twisted Pair-Kabel der Fall ist. Da mit dem TP-Kabel der Kategorie 5 auch noch der Nachfolger Gigabit-Ethernet (1000 MBit/s) verwendbar ist, lohnt es sich, sich etwas mehr Gedanken über die Verkabelung zu machen, also auch entsprechende Anschlussdosen, Kabelkanäle und vielleicht Patchpanels einzusetzen und die Kabel nicht »lose« im Raum zu verlegen.

2.7.2 100BaseFX

Die entsprechende Fast-Ethernet-Variante für Lichtwellenleiter firmiert unter 100BaseFX. Hierfür gibt es einige Dinge mehr als bei der 100BaseTX-Version zu beachten, was zunächst im Transportmedium - der Glasfaser - selbst begründet liegt.

Bei Lichtwellenleitern unterscheidet man generell zwischen Mono- (oder Single-Mode) und Multimode-Leitern. Die Multimode-Faser verwendet mehrere Moden (Lichtwellenformen) zur Signalübertragung, während eine Monomodefaser das Licht nur in einer Mode (parallel zur Achse des Mediums) überträgt, was im Prinzip zu geringeren Dämpfungswerten und höheren Bandbreiten führt.

Dabei spielen die Ausführungen der LWL-Anschlüsse, wie das Spleißen der Faser für die Anschlussdosen und die Qualität der Faser selbst, eine wichtige Rolle für die Bandbreiten-und Dämpfungsbetrachtungen, die in Kapitel 3.3 noch etwas weiter ausgeführt werden. Bei 10BaseFX sowie 100BaseFX spielt ausschließlich die Dämpfung, die durch Reflexion und Absorption des »Transportlichtes« verursacht wird, eine Rolle. Diese Effekte entstehen in erster Linie durch die Übergänge auf einer Glasfaserstrecke (Dosen, Anschlüsse, Adapter usw.) sowie in zweiter Linie durch Verunreinigungen der Faser selbst, was jedoch bei den aktuellen, handelsüblichen Glasfasern zu vernachlässigen ist, da diese sich als qualitativ hochwertig genug darstellen. Solange die Faser nicht mechanisch beschädigt worden ist, kann sie selbst als Fehlerquelle ausgeschlossen werden.

Je nach Wellenlänge des verwendeten Lichtes stellt sich die Dämpfung über Glasfaser unterschiedlich dar. Da die Dämpfung bei 850 nm, 1300 nm und 1500 nm minimal ist, werden für LWL-Netzwerke diese Wellenlängen verwendet, die von entsprechenden Laserdioden auf den Netzwerkkarten und den Koppeleinheiten (Hubs, Switches) erzeugt und von den »Gegenstücken« (den dazu passenden Fotodioden) der Einheiten wieder empfangen werden.

Ein Unterschied besteht zudem im Durchmesser der lichtführenden Faser, die bei Multimode-Glasfaser für LANs typischerweise 50-62,5 pm und bei Monomode 8-10 pm (Core-Durchmesser) beträgt. Demnach gibt es hier bereits eine Reihe unterschiedlicher Fasertypen, die in einem LWL-LAN verwendet werden könnten.

Abbildung 2.21: Eine Netzwerkkarte für 100BaseFX der Firma Allied Telesyn

Aus den Beschreibungen der Netzwerkkarten sowie denen für die Kopplungselemente sollte zweifelsfrei hervorgehen, welcher Glasfasertyp für die jeweils verwendeten Laserdioden vorgesehen ist. Vielfach erscheinen LWL-Netzwerkeinheiten für unterschiedliche Fasern und Modes geeignet, dabei ist jedoch unbedingt das Kleingedruckte in den Manuals genau zu studieren, denn es werden unterschiedliche Transmitter/Receiver-Einheiten auf den Platinen eingesetzt.

Exkurs

Auch wenn es den Anschein haben sollte, dass eine Netzwerkeinheit verschiedene LWL-Implementierungen unterstützt, ist dies in der Regel nicht der Fall, was sicherheitshalber anhand der technischen Unterlagen zu überprüfen ist.

Beispielsweise wird eine LWL-Netzwerkkarte in verschiedenen Ausführungen (Multimode, Monomode, Fiber 50, Fiber 9) angeboten, wobei sich die Hardware nur in dem verwendeten Transmitter/Receiver-Modul (vgl. Abbildung 2.22) unterscheidet, das lediglich für eine bestimmte LWL-Realisierung geeignet ist und nicht ausgetauscht werden kann.

Bei den Hubs und Switches lassen sich - je nach Modell - zwar Module austauschen, sie sind jedoch meist recht teuer, sodass, wenn nur noch das Chassis bestehen bleiben sollte, ein neuer, passender Switch oftmals preiswerter kommen würde.

Vom reinen Kostenaspekt her unterscheiden sich beide Varianten (Multi-, Mono-Mode) nur unwesentlich voneinander; Multimode ist jedoch häufiger anzutreffen, denn für Monomode gibt es kaum entsprechende Geräte für das LAN, was sich erst mit Gigabit-Ethernet ändert. Monomode-Fasern werden vorwiegend für größere Distanzen, wie etwa im WAN, eingesetzt, und mit einer Laser-LED lassen sich dann durchaus Distanzen von bis zu 15 km überbrücken.

Abbildung 2.22: Bei einem Switch lassen sich die LWL-Module (hier mit SC-Buchse) vielfach austauschen.

Es sollte also im Vorwege bedacht werden, welcher Lichtwellenleitertyp mit welcher Wellenlänge im LAN verwendet wird, denn eine Mischung unterschiedlicher Typen ist hier in der Regel nicht praktikabel. Bei kurzen Strecken allerdings gelingt es durchaus, Multimode- mit Monomode-LWL zum Funktionieren zu bringen, bei unterschiedlichen Wellenlängen ist dies hingegen nicht möglich.

In Deutschland werden bei den meisten LANs Multimode-Fasern mit einem Core-Durch-messer von 62,5 pm verwendet, die sich sowohl für Standard- (850 nm) als auch für Fast-Ethernet (1300 nm) und für Gigabit-Ethernet eignen. Demnach kann bei einer Umrüstung das LWL-Medium beibehalten werden, sofern in der Vergangenheit die richtige Entscheidung bei der Verlegung des Lichtwellenleitertyps getroffen wurde.

Abbildung 2.23: Es gibt eine ganze Reihe unterschiedlicher LWL-Verbindungen, wobei die mit ST- und SC-Anschluss am gebräuchlichsten sind.

Im Zusammenhang mit 10BaseF wurde bereits auf die gängigsten LWL-Anschlüsse (ST, SC) hingewiesen, wobei man durchaus noch auf zahlreiche weitere treffen kann, von denen in der Abbildung 2.23 einige zu sehen sind. In vielen Fällen gibt es für die Verbindungen entsprechende Adapterstücke, wobei aber der jeweilige Fasertyp zu beachten ist, damit keine unzulässigen Kopplungen hergestellt werden.

Die Hersteller bieten zwar mit ihrem Produktspektrum gewissermaßen eine (passende) Vorauswahl für geeignete Adapter und Adapterkabel, der »Netzwerker« sollte jedoch selbst wissen, was er zusammensteckt und ob dies zulässig ist, zumal diese LWL-Adapter - im Gegensatz zu TP- und Koax-Verbindungen - nicht besonders preiswert sind.

Abbildung 2.24: Die Einstellung des korrekten Mode bei einem Switch der Firma Hewlett-Packard

Weiterhin ist zu beachten, dass es bei Glasfaserverbindungen keine automatische Umschaltung der Betriebsart (Autonegotiation) gibt und ob hier tatsächlich im leistungsfähigen Vollduplex- oder nur im Halbduplex-Mode gearbeitet werden kann. Hier heißt es, die korrekten Einstellungen manuell vorzunehmen, was bei der Netzwerkkarte üblicherweise bei den Eigenschaften (vgl. Abbildung 2.17) erfolgt und bei einem Switch per RS232-Port an einem hier angeschlossenen PC mit geladenem Terminalprogramm (z. B. Hyperterminal). Des Weiteren kann die Switch-Konfiguration auch meistens per Telnet (vgl. Abbildung 2.24) oder per Webbrowser erfolgen. Die Konfiguration mithilfe der RS232-Schnittstelle ist jedoch die grundlegende Vorgehensweise, die immer funktionieren sollte, wenn die beiden anderen Möglichkeiten nicht zur Verfügung stehen, weil etwa dem Switch noch keine passende TCP/IP-Adresse zugewiesen worden ist, was daher zunächst mit einem Terminalprogramm zu erledigen ist.

Exkurs

Bei LWL-Einheiten gibt es keine automatische Umschaltung der Betriebsart (Auto-
negotiation), sodass die passende Einstellung manuell zu treffen ist.

Derartige Konfigurationsmöglichkeiten bieten jedoch nur die teureren Switches, die als Managed Switches bezeichnet werden und mitunter eine Vielzahl von Optionen für die Einstellung und die Regelung der LAN-Strecken bieten. Die einfachen Switches bieten keine per Software konfigurierbaren Einstellungsmöglichkeiten, sondern vielleicht nur ein paar Schalter für den Test oder die Umschaltung zwischen einer 1:1- und einer Cross-over-Verbindung auf einem Anschluss-Port. Sie müssen demnach automatisch die von den PCs benötigte Betriebsart einstellen können. Da dies bei LWL-Verbindungen (10BaseFX, 100BaseFX, 1000BaseLX) jedoch nicht möglich ist, ist in der Praxis oftmals eine Trennung von Switch und Medienkonverter anzutreffen, wie es in der Abbildung 2.25 zu erkennen ist. Dies ist eine typische Lösung für LWL-basierte Netzwerke, wo die Umsetzung von LWL im Backbone auf Twisted Pair mit einem Media Converter vorgenommen wird, der mit einem Switch verbunden ist und somit den direkten Anschluss von PCs mit TP-Kabeln erlaubt.

Der gezeigte Media Converter kann auf der einen Seite ausschließlich mit 100BaseFX-Einheiten umgehen und auf der anderen mit 100BaseTX. Der hier angeschlossene Switch wird üblicherweise für einen angeschlossenen PC auch eine notwendige Umschaltung auf 10BaseTX vornehmen können.

Generell sollte der Halbduplex-Modus bei Glasfaserverbindungen nur in Ausnahmefällen angewendet werden, wenn hier beispielsweise ein LWL-Hub und kein LWL-Switch am Werke ist. Bei einem Switch, der wie bei TP eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung (^-Verbindung) ermöglicht, kommt kein CSMA/CD zum Einsatz, und die Länge der andernfalls einzuhaltenden Kollisionsdomäne von 410 m ist dann nicht mehr von Bedeutung, sodass sich dann eine Distanz von bis zu 2 km mit dem Lichtwellenleiter überbrücken lässt.

Netzwerkkarten mit LWL-Anschluss sind außerdem explizit entweder für 10BaseFX oder für 100BaseFX vorgesehen, denn Karten, die beides unterstützen, wie es bei allen aktu-ellen Fast- und auch Gigabit-Ethernet-Karten mit Twisted Pair-Anschluss der Fall ist, gibt es nicht. Eine Migration von Standard- zu Fast- oder Gigabit-Ethernet hat bei einem LWL-basierten LAN demnach auch den Austausch der Netzwerkkarten zur Folge.

Abbildung 2.25: Ein Medienkonverter für die Umsetzung von 100BaseFx auf 100BaseTX (oben) mit einem dazu passenden Switch

Abbildung 2.26: Diese Netzwerkkarte der Firma SMC kann zwar auf dem TP-Port (links) automatisch zwischen Standard- und Fast-Ethernet umschalten, der LWL-Port funktioniert jedoch ausschließlich mit 100 MBit/s.

Die sogenannten Kombikarten (Combo) stellen sich in puncto Medienanschluss als recht flexibel dar, weil sie über verschiedene Anschlüsse verfügen, was bei 10 MBit/s bedeuten kann, dass hier sowohl ein BNC-, ein TP- als auch ein AUI-Anschluss vorhanden ist oder möglicherweise ein TP- und ein LWL-Anschluss. Bei Fast-Ethernet-Netzwerkkarten ist dies in dieser Form eher selten am Markt anzutreffen, und gewissermaßen als Ausnahme hat die Firma SMC Networks einige Modelle, die Autonegotiation auf dem TP-Port unterstützen und außerdem einen LWL-Connector für 100BaseFX besitzen (siehe Abbildung 2.26), hergestellt.

Exkurs

100BaseFX-Netzwerkverbindungen können leicht und optisch unauffällig mit Polymer Optical Fiber (POF) und den dazugehörigen speziellen Komponenten aufgebaut werden.

Lichtwellenleiter (LWL) können statt mit Glasfaser auch mit Polymerfaser ausgeführt sein, die zwar über schlechtere optische Eigenschaften verfügt, andererseits aber recht preisgünstig und auch einfach - mit einem Faserschneidwerkzeug - zu bearbeiten ist. Deshalb gibt es bereits seit geraumer Zeit entsprechende POF-Komponenten (Wellenlänge typ. 650 nm), die bisher jedoch vorwiegend im industriellen Bereich, etwa für Maschinensteuerungen, zur Anwendung kommen.

Etwas stärker in das Blickfeld der gebräuchlicheren Netzwerktechnik ist die POF-Tech-nologie insbesondere durch die Firma T-COM gelangt, die ein Opto-LAN-Paket (Speedport) als Zubehör für T-DSL vertrieben hat. Dieses Paket besteht im Wesentlichen aus zwei Medienkonvertern, die 100BaseT in 100BaseF umsetzen, sowie 30 m POF-Kabel plus einem Cutter als Schneidwerkzeug. Dieses Kit ist in erster Linie dafür vorgesehen, einen ADSL-Router, der sich beispielsweise im Flur befindet, mit einem Media-PC - im Wohnzimmer - mit einem Netzwerk zu verbinden. Dabei soll die Verkabelung unauffällig sein, was mit den dünnen, typisch 1,5 bis 2 mm (inklusive Schutzmantel) dicken Fasern leicht zu erreichen ist, die im Gegensatz zu WLAN oder auch dLAN stabiles Fast-Ethernet im Duplex-Mode ermöglichen.

Für 100BaseFX mit POF gibt es von einigen anderen Firmen (Conrad, Diemount, Ratioplast) auch einzelne Komponenten, angefangen bei den Fasern, den Anschlussdosen, dann die Transceiver und spezielle Netzwerkkarten bis hin zu entsprechenden Switches, sodass sich hiermit eine komplette, störungssichere Hausinstallation herstellen lässt.

2.8 Gigabit-Ethernet

Auch wenn im LAN meist 100 MBit/s der Standard sind, ist Gigabit-Ethernet (1000 MBit/s) weiterhin auf dem Vormarsch, spätestens seitdem aktuelle Mainboards gleich über einem entsprechenden Controller mit TP-Buchse verfügen.

Abbildung 2.27: Eine Netzwerkkarte der Firma LynxTronic mit Schnellanschlussklemmen für Polymer Optical Fiber

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Abbildung 2.28: Auf aktuellen Mainboards ist ein Gigabit-Controller standardmäßig integriert. Hier ein PHY-Chip der Firma Marvell (Alaska).

Gigabit in einem gewöhnlichen LAN wirkt zunächst etwas übertrieben, allerdings gibt es in einem LAN an irgendeiner Stelle eigentlich immer einen Engpass für den Datenfluss, und selbst wenn ein Netzwerk komplett mit Switches und Fast-Ethernet realisiert ist, geschieht dies dann bei den angebundenen Servern, wo quasi alle Daten zusammenlaufen und die Anwender somit einen regen Datenverkehr verursachen.

Daher leuchtet es ein, an dieser Stelle einen Gigabit-Switch zu installieren, der den Server über 1000 MBit/s anbindet und zur Anwenderseite hin mit Fast-Ethernet arbeitet. In den Servern sind dementsprechend Gigabit-Ethernet-Karten notwendig, wobei hier PCI mit 32 Bit nicht mehr ausreicht, weil sich dann der PCI-Bus als Flaschenhals für die Datenübertragung darstellt. Demnach sind in Servern vorzugsweise 64-Bit-PCI-Netzwerkkar-ten vorzusehen, während die Clients (weiterhin) mit den Fast-Ethernet-Karten für den 32-Bit-PCI-Bus arbeiten könnten.

Abbildung 2.29: Eine Gigabit-Netzwerkkarte für 1000BaseT der Firma Intel in PCI-X-Ausführung

Das Einsatzgebiet von Gigabit-Ethernet ist demnach vorwiegend in der Backbone-Tech-nologie zu sehen und weniger in der direkten Client-Anbindung. Das gleiche Argument wurde allerdings auch bei der Einführung von Fast-Ethernet ins Feld geführt, und in Anbetracht der Tatsache, dass bereits 10 Gigabit-Ethernet verfügbar ist, ist es wahrscheinlich nur eine Frage der Zeit, bis Gigabit-Ethernet das Fast-Ethernet bei der PC-Netzwerkanbindung verdrängt hat.

Für Gigabit-Ethernet gelten die folgenden Standards:

■ 1000BaseLX: Definiert die Übertragung (802.3z) auf Lichtwellenleitern bei einer Wellenlänge von 1300 nm für Multimode- (50 und 62,5 pm, Core) und Monomode-Glasfasern (10 pm) über eine maximale Länge von 550 m (Multimode) bzw. 3000 m (Monomode).

■ 1000BaseSX: Die SX-Variante (802.3z) ist für Multimode-Glasfaser (50 und 62,5 pm, Core) bei einer Wellenlänge von 850 nm für Distanzen von bis zu 550 m vorgesehen.

■ 1000BaseCX: Dieser Standard (802.3z) setzt Twinax-Kupferkabel voraus, und es lassen sich hiermit bis zu 25 m überbrücken.

■ 1000BaseT: Unter Beachtung des hohen Anteils der verlegten Cat5-Kabel sowie der entsprechenden Geräte wurde diese Version (Standard 802.3ab) erst recht spät standardisiert. Über handelsübliches Cat5-Kabel lassen sich Entfernungen von maximal 100 m erreichen.

2.8.1 1000BaseLX und 1000BaseSX

Das bevorzugte Übertragungsmedium für Gigabit-Ethernet ist Glasfaser verschiedener Auslegungen, was unter 1000BaseLX (Long Wavelength) sowie 1000Base SX (Short Wavelength) firmiert. Der Vorteil von Glasfaser gegenüber den Kupferlösungen ist bereits unter 100BaseFX dargestellt worden, wobei bei Gigabit-Ethernet noch als weiteres Argument hinzukommt, dass es technisch gesehen hiermit kein Problem ist, auch 1000 Millionen Bits pro Sekunde zu transportieren, zumal die notwendigen Laserdioden recht preisgünstig und entsprechende Vorarbeiten hierfür bereits durch FDDI und den Fibre-Channel geleistet worden sind. Die zahlreichen technischen Kniffe, die bei 1000BaseT (Kapitel 2.8.3) notwendig sind, damit Cat5-Kabel zum Einsatz kommen kann, entfallen bei den glasfaserbasierten Gigabit-Ethernet-Implementierungen.

Abbildung 2.30: Glasfaser-Kabel für die feste Verlegung gibt es mit einer Vielzahl einzelner Adern.

Die Anzahl der möglichen Fasertypen hat gegenüber 100BaseFX zugenommen, wobei sich insbesondere in Fast-Ethernet-LANs bereits die Multimode-Fasern mit 62,5 pm Core-Durchmesser bei 1300 nm Wellenlänge etabliert haben, die auch für Gigabit-Ethernet verwendet werden können.

Zunächst wurde allerdings das demgegenüber teurere 1000BaseSX mit 1300 nm favorisiert, das größere Entfernungen zu überbrücken vermag. In der Tabelle 2.4 sind die weiteren Daten gezeigt.

Standard

Faser

Wellenlänge

Reichweite

Kabeltyp

1000BaseSX

62,5/125 pm

850 nm

2-220 m

Multimode

1000BaseSX

50/125 pm

850 nm

2-550 m

Multimode

1000BaseLX

62,5/125 pm

1300 nm

2-440 m

Multimode

1000BaseLX

50/125 pm

1300 nm

2-550 m

Multimode

1000BaseLX

10/100 pm

1300 nm

2-3000 m

Monomode

Tabelle 2.4: LWL-Verbindungen für Gigabit-Ethernet

Spielt bei 10BaseFX sowie 100BaseFX eigentlich nur die Dämpfung des Mediums, die durch optische Übergänge wie etwa in den Anschlussdosen hervorgerufen wird, eine Rolle, sind bei Gigabit-Ethernet die Dispersionseigenschaften der Faser bzw. der gesamten Übertragungsstrecke von Bedeutung.

Idealerweise wird das Licht im Mittelpunkt des Mediums transportiert, was aber nicht gegeben ist, wenn das eingestrahlte Licht nicht stark genug gebündelt ist, sodass es unterschiedlich oft an der Oberfläche reflektiert wird und somit unterschiedliche Strecken zurücklegt, was wiederum zu unterschiedlichen Laufzeiten und daher zu Verzerrungen der Signalinformation und Verfälschung der Daten führen kann.

Demnach sind zunächst entsprechend hochwertige Laserdioden notwendig, und des Weiteren sind Qualität sowie Länge der Faser ausschlaggebend. Während man als Anwender weder etwas an den verwendeten Laserdioden noch an der Qualität der bereits fest verlegten LWL-Verbindungen ändern kann, fällt u. U. die mit Gigabit-Ethernet zu überbrückende Strecke kürzer aus, als es mit 100BaseFX der Fall ist. Wer also mit seinen installierten Strecken bereits in der Nähe der jeweiligen Maximalwerte (vgl. Tabelle 2.4) liegt, muss möglicherweise noch in spezielle optische Verstärker investieren oder die Geräte im LAN anders platzieren, damit das Signal auf dem langen Weg wieder regeneriert werden kann.

Abbildung 2.31: Dieser Switch verfügt über ein Gigabit-Modul (1000BaseSX), das einen SC-Anschluss besitzt, wie es auch bei den 100BaseFX-Modulen rechts daneben der Fall ist.

Trotz der Vielfalt der zu verwendenden Fasertypen gibt es beim Anschluss ein bevorzugtes Stecksystem, den SC-Stecker, der sich bereits mit 100BaseFX als Standard herauskristallisiert hat. Mit der Verbreitung von LWL-Gigabit-Switches ist noch ein neuer miniaturisierter Anschluss (Abbildung 2.32) hinzugekommen, der als LC-Steckverbindung bezeichnet wird und insbesondere mit den SFP-Modulen (Small Formfactor Pluggable) in den entsprechenden Switches zum Einsatz kommt.

Abbildung 2.32: Die kleine LC-Steckverbindung wird insbesondere für die SFP-Switch-Steckmodule eingesetzt.

2.8.2 1000BaseCX

Diese erste Gigabit-Ethernet-Variante für kupferbasierte Verbindungen (CX = Coax) verwendet Twinax-Kabel. Dabei handelt es sich eigentlich um die Renaissance einer fast vergessenen Kabeltechnologie (IBM STP Typ 1-Kabel), quasi um Koaxialkabel mit zwei eingebetteten Signalleitungen.

Abbildung 2.33: Die traditionelle Twinax-Verbindung

In jedem der beiden Kabel werden zwei Signalleitungen geführt, die jeweils von einer gemeinsamen Abschirmung umgeben sind und die differenziellen Signale (maximal 2 V, +/- 1 V) transportieren. Ein Kabel ist für die Sende- (Tx+, Tx-) und das andere für die Empfangssignale (Rx+ Rx-) zuständig, wobei stets eine Signalkreuzung von einem Kabelende zum anderen stattfindet. Jede einzelne Leitung weist eine Impedanz von 75 Ohm auf, sodass ein Transportkanal jeweils über eine Impedanz von 150 Ohm verfügt, woher auch die mitunter vorkommende Bezeichnung 150-Ohm-Twinax für diesen Kabeltyp rührt.

Diese vier Leitungen werden mit dem bekannten 9-poligen DSUB-Stecker oder mit einem miniaturisierten 8-poligen HSSDC-Stecker verbunden. Des Weiteren gibt es auch passendes Quad-Kabel, das alle Leitungen gemeinsam führt, was die Verlegung und Konfektionierung vereinfachen soll.

Abbildung 2.34: Der HSSDC-Stecker für 1000BaseCX-Verbindungen

Laut Standard ergibt sich mit dieser CX-Kabelverbindung eine maximale Distanz von lediglich 25 m, sodass sich diese Lösung nur für räumlich begrenzte Verbindungen, wie in einem Serverschrank oder -raum, empfiehlt. Deshalb wird diese Version kaum verwendet, entweder hat man gleich Glasfaser eingesetzt oder auf 1000BaseT gewartet, das Gigabit-Ethernet auf Cat5-Kabel ermöglicht. Zwar kommt man bei 1000BaseCX ohne spezielle Kodierungsverfahren aus, was die Elektronik vereinfacht, gleichwohl haben die beiden anderen Varianten diese Realisierung mittlerweile abgelöst.

2.8.3 1000BaseT

Da Gigabit-Ethernet abwärtskompatibel ist, muss es ebenfalls das CSMA/CD-Verfahren unterstützen können. In Kapitel 2.2.2 ist hierzu erläutert, dass die Bit-Zeiten von der Übertragungsrate abhängig sind, die bei Gigabit-Ethernet 0,001 ps (Standard: 0,1 ps, Fast: 0,01 ps) beträgt. Je höher die Geschwindigkeit ausfällt, desto kürzer wird die maximal zulässige Distanz, wenn man die minimale Paketgröße von 64 Bytes beibehalten will.

Der Übergang von Standard-Ethernet auf Fast-Ethernet hat eine Distanzreduzierung der Kollisionsdomäne um den Divisor 10 auf maximal ca. 200 m zur Folge, wenn man theoretisch davon ausgeht, dass mit Standard-Ethernet bis zu ca. 2000 m möglich sind, auch wenn dies in der Praxis aufgrund der verwendeten Geräte und physikalischen Eigenschaften des Mediums nicht gegeben ist. Wohlgemerkt ist an dieser Stelle die Distanz der Kollisionsdomäne gemeint, was dem Doppelten der maximalen Kabellänge entspricht, denn das Signal für CSMA/CD muss, wie bei Standard-Ethernet erläutert, einmal hin-und wieder zurücklaufen.

Analog dazu würde sich die maximale Distanz bei Gigabit-Ethernet auf ca. 20 m reduzieren, was kaum praktikabel erscheint. Um kompatibel zu bleiben, konnte aber kein neues Frame-Format (siehe Kapitel 2.10) eingeführt werden. Stattdessen werden die GigabitFrames durch spezielle Zeichen, die als Carrier Extension oder auch Padding Bytes bezeichnet werden, auf eine Mindestlänge von 512 Bytes verlängert, was zu einer Slot-Time von 4096 Bit-Zeiten (statt 512 Bit-Zeiten) führt. Dadurch wird sichergestellt, dass die Kollisionserkennung wieder über eine Distanz von 200 m funktioniert.

Exkurs

Wenn es die LAN-Topologie erlaubt, dass entsprechende Punkt-zu-Punkt-Gigabit-Verbindungen existieren und somit im Vollduplex-Betrieb gearbeitet werden kann, ist kein CSMA/CD und damit auch keine Frame-Verlängerung notwendig, was sich positiv auf die Netzwerk-Performance auswirkt.

Beim Transport relativ kleiner Pakete kann sich die (künstliche) Frame-Verlängerung leistungstechnisch gesehen negativ bemerkbar machen, und auch hierfür hat man sich etwas einfallen lassen, indem nämlich mehrere kleine Pakete zu einem großen mit mehr als 512 Byte zusammengefasst werden können, was unter dem Begriff Packet Bursting firmiert.

Diese »geschnürten« Pakete dürfen andererseits aber nicht zu groß werden. Damit auch andere Stationen mit kleineren Paketen den Zugriff erhalten können, darf eine Station nur über einen maximalen Zeitraum von 65536 Bits (8192 Bytes) Daten übertragen, was als Burst Limit bezeichnet wird. Demnach darf eine Station bei Gigabit-Ethernet einen Burst senden, der etwas mehr als fünf Ethernet-Paketen maximaler Frame-Größe entspricht. Die Lücke, die bei der Verkettung einzelner Pakete entsteht, wird mit Carrier Extensions aufgefüllt, was als Interframe Gap bezeichnet wird. Die Tabelle 2.5 zeigt zusammengefasst die wichtigsten Kenndaten der verschiedenen Ethernet-Implementierungen.

Parameter

Ethernet

Fast-Ethernet

Gigabit-Ethernet

Datenrate

10 MBit/s

100 MBit/s

1000 MBit/s

Bit-Dauer

0,1 ps

0,01 ps

0,001 ps

Slot-Time

512 Bit

512 Bit

4096 Bit

Länge der Kollisionsdomäne

2000 m

200 m

20 m (ohne Gegenmaßnahmen)

Minimale Frame-Größe

64 Bytes

64 Bytes

64 Bytes

Maximale Frame-Größe

1518 Bytes

1518 Bytes

1518 Bytes

Interframe Gap

9,6 ps

0,96 ps

0,096 ps

Carrier Extension

-

-

448 Bits

Burst Limit

-

-

65536 Bits

Tabelle 2.5: Kenndaten der drei Ethernet-Implementierungen

Das Kabel der Kategorie 5 ist eigentlich nur für Übertragungsraten von bis zu 100 MBit/s (100 MHz) geeignet. Doch wäre stattdessen eines der Kategorie 6 oder 7 (siehe auch Kapitel x) zum Einsatz gekommen, hätte dies zahlreiche neue Kabelinstallationen zur Folge gehabt und die Migration zu Gigabit-Ethernet erschwert.

Zum einen begegnet man den negativen physikalischen Effekten bei der Gigabit-Ether-net-Übertragung (Dämpfung, Übersprechen) mit relativ komplexen Kodier- und Übertragungsverfahren (PAM5-Multilevel Codes, Trellis-Kodierung, Scrambling), worauf in Kapitel 2.9.5 noch näher eingegangen wird.

Zum anderen werden hier alle acht Adern (4 Leitungspaare) des Cat5-Kabels für die Datenübertragung verwendet und nicht nur zwei Leitungspaare (vgl. Tabelle 2.2), es findet also prinzipiell eine Vorgehensweise wie bei 100VGAny-LAN statt.

Pin Nr.

Signal

1

BI_DA+

2

BI_DA-

3

BI_DB+

4

BI_DB-

5

BI_DC+

6

BI_DC-

7

BI_DD+

8

BI_DD-

Tabelle 2.6: Die Signalbelegung des Twisted Pair-Kabels für Gigabit-Ethernet

Bei Gigabit-Ethernet werden vier simultane Übertragungskanäle (A-D) zu je 250 MBit/s gebildet. Dies würde ohne zusätzliche Maßnahmen aber dazu führen, dass keine Leitungen mehr für den Vollduplex-Betrieb (gleichzeitiges Senden und Empfangen) zur Verfügung stünden und nur der mit CSMA/CD behaftete Halbduplex-Modus möglich wäre.

Abhilfe aus dieser Problematik schafft ein Verfahren mit der Bezeichnung Echo Cancelation, das auf beiden Seiten gleichzeitig aktive Sender- und Empfängerbausteine (Transceiver) voraussetzt. Die Signale werden damit auf dem Medium quasi gemischt, und der Empfänger subtrahiert das ihm bekannte Signal des Senders vom Gesamtsignal, wodurch er das von der Gegenseite gesendete Signal ermittelt. Mithilfe dieser »Tricks« wird auch der Vollduplex-Betrieb mit 1000 MBit/s auf Cat5-Kabel möglich.

Abbildung 2.35: Bei Gigabit-Ethernet werden alle acht Leitungen eines Cat 5-Kabels für die Datenübertragung auf vier Kanälen verwendet, wofür spezielle Transceiver in den Netzwerkkomponenten zum Einsatz kommen.

2.9 Kodierungsverfahren

Auf dem Netzwerk werden die Daten in serieller Form unter Anwendung verschiedener Kodierungsverfahren transportiert. Generell werden bei diesen Übertragungsverfahren einzelne Zeichen eines bestimmten Zeichensatzes in entsprechende Zeichen eines anderen Zeichensatzes übertragen, um somit eine gewünschte Übertragungsqualität zu erreichen, was unter Verwendung verschiedener Werte oder Zustände erfolgt. Die wichtigsten Verfahren, die auch für Ethernet zum Einsatz kommen, sind im Folgenden näher erläutert.

2.9.1 Manchester-Kodierung

Die Grundlage der Netzwerkkodierungen bildet zunächst der Manchester-Code, wie er bei Ethernet mit 10 MBit/s standardmäßig eingesetzt wird. Dabei werden die binären Zustände durch Spannungswechsel innerhalb der Bit-Zeit (100 ns) abgebildet. Jede binäre 1 wird durch eine abfallende Flanke und jede binäre 0 durch eine ansteigende Flanke dargestellt.

Die erste Hälfte des Manchester-Bit-Wertes enthält den komplementären Wert des ursprünglichen Bits, während die zweite Hälfte den tatsächlichen Wert darstellt, wodurch sichergestellt wird, dass bei der Übertragung mehrerer gleicher, aufeinanderfolgender Bits dennoch ein Pegelwechsel stattfindet. Dies ist notwendig, weil daraus das Taktsignal gewonnen wird. Wenn sich das Taktsignal dann auf dem Medium befindet, gilt dieses bei CSMA/CD als belegt.

Abbildung 2.36: Das Prinzip des Manchester-Codes

Die Effizienz beim Manchester-Verfahren beträgt 50% und reicht für Standard-Ethernet aus. Bei Fast-Ethernet wird jedoch ein wirksameres Verfahren (80%) mit der Bezeichnung 4B/5B-Kodierung eingesetzt.

2.9.2 4B/5B-Kodierung

Die 4B/5B-Kodierung wurde in der Netzwerktechnik erstmalig bei FDDI verwendet und kommt auch bei Fast-Ethernet zum Einsatz. Ein Datenbyte besteht stets aus zwei Nibbles (4 Bit), und hier werden die Daten zunächst in Nibbles zerlegt, dann wird das 4B/5B-Verfahren angewendet. Jede 4B/5B-Code-Gruppe besteht dabei aus fünf Bits, es wird also ein Bit mehr verwendet, als es eigentlich notwendig wäre. Dies führt dazu, dass pro Gruppe nicht nur 16, sondern 32 Bit-Kombinationen möglich sind.

Die hiermit erzeugten Code-Gruppen dienen zum einen der Übertragung der Nutzdaten und zum anderen der Steuerung sowie der Fehlererkennung, wobei es eine eindeutige Zuordnung gibt, sodass für diese Zwecke ganz bestimmte Code-Gruppen zur Anwendung kommen, wie es in der Tabelle 2.7 angegeben ist.

Code-Gruppe Bit: 4 3 2 1 0

Name

TX/RX Bit: 3 2 1 0

Bedeutung/Funktion

Datengruppe

11110

0

0000

Data 0

01001

1

0001

Data 1

10100

2

0010

Data 2

10101

3

0011

Data 3

01010

4

0100

Data 4

01011

5

0101

Data 5

01110

6

0110

Data 6

01111

7

0111

Data 7

10010

8

1000

Data 8

10011

9

1001

Data 9

10110

A

1010

Data A

10111

B

1011

Data B

11010

C

1100

Data C

11011

D

1101

Data D

11100

E

1110

Data E

11101

F

1111

Data F

Control-Gruppe

11111

I

undefiniert

Idle: Stream Fill Code

11000

J

0101

Start of Stream Delimiter, Teil 1

10001

K

0101

Start of Stream Delimiter, Teil 2

01101

T

undefiniert

End of Stream Delimiter, Teil 1

00111

R

undefiniert

End of Stream Delimiter, Teil 2

Code-Gruppe Bit: 4 3 2 1 0

Name

TX/RX Bit: 3 2 1 0

Bedeutung/Funktion

Fehlergruppe

00100

H

undefiniert

Transmit Error

Gruppe ungültiger Codes

00000

V

undefiniert

ungültig

00001

V

undefiniert

ungültig

00010

V

undefiniert

ungültig

00011

V

undefiniert

ungültig

00100

V

undefiniert

ungültig

00101

V

undefiniert

ungültig

00110

V

undefiniert

ungültig

01000

V

undefiniert

ungültig

10000

V

undefiniert

ungültig

11001

V

undefiniert

ungültig

Tabelle 2.7: Die 4B/5B-Code-Tabelle

Die Idle-Code-Gruppe wird für Füllinformationen zwischen den Frames (Interframe Gap) verwendet, damit bei dem Verbindungsaufbau eine Taktsynchronisierung zwischen Sender und Empfänger gegeben ist. Der Beginn und das Ende eines MAC-Frame (Media Access Control, Medienzugangsverfahren) wird durch die Code-Paare JK (Start of Stream Delimiter) und TR (End of Stream Delimiter) signalisiert, ein Übertragungsfehler durch die H-Code-Gruppe.

Die Kodierung mag willkürlich erscheinen, was aber nicht der Fall ist, sondern sie wurde so gewählt, dass die Lauflänge der Bitmuster limitiert ist, damit sich die Taktinformation im Datenstrom wieder vom Empfänger rekonstruieren lässt. Der 4B/5B-Code gehört somit zu den Run Length Limited Codes (RLL), die sicherstellen, dass niemals mehr als eine bestimmte Anzahl von Nullen und Einsen hintereinander übertragen wird.

Wenn mehr Einsen als Nullen gesendet werden (oder auch umgekehrt), entsteht auf dem Medium ein unerwünschter Gleichspannungsanteil, der im schlimmsten Fall dafür sorgt, dass der Empfänger die Daten nicht mehr korrekt interpretieren kann. Generell wird das Verhalten der Übertrager (Transformatoren) auf den Netzwerkkarten durch die Gleichspannung ungünstig beeinflusst. Mit dem 4B/5B-Verfahren erreicht man keine Gleichspannungsfreiheit, und es ist ein Anteil von maximal 10% Gleichspannung zulässig.

2.9.3 8B/10-Kodierung

Die 8B/10B-Kodierung wird bei Gigabit-Ethernet (1000Base CX/LX/SX) verwendet und ebenfalls beim Fibre Channel, den es bereits vor Gigabit-Ethernet gab. Das Prinzip ist dabei ähnlich wie beim 4B/5B-Kodierungsverfahren, nur dass hier acht Datenbits auf zehn Übertragungsbits umgesetzt werden. Eine Code-Gruppe besteht immer aus zehn Bits, was eine effizientere Fehlerkorrektur und Datensynchronisation (Takt) ermöglicht; die Effizienz liegt auch hier wie beim 4B/5B-Kodierungsverfahren bei 80%.

Außerdem kann beim 8B/10B-Kodierungsverfahren kein Gleichspannungsanteil (DC balanced) auftreten, weil für jedes Byte zwei 10-Bit-Code-Gruppen definiert sind, die sich derart ergänzen, dass immer nach 20 hintereinander übertragenen Bits die gleiche Anzahl von Einsen und Nullen entsteht, was sich als äußerst günstig auf die Übertrager (der Netzwerkkarten) auswirkt. Im seriellen Datenstrom ist durch die 8B/10B-Kodierung daher eine ausreichende Anzahl von Pegelwechseln vorhanden, was dem Empfänger als Takt dient, auf den er sich synchronisiert.

Zur Steuerung der abwechselnden Übertragung wird ein RD-Flag (Running Disparity) verwendet, das auch für die Fehlererkennung zum Einsatz kommt. Bei der 8B/10B-Kodierung bedeutet dies das, falls sich in einem Byte mehr Einsen als Nullen befinden, was als negative Disparity bezeichnet wird. Falls mehr Nullen als Einsen vorhanden sind, führt dies zu einer positive Disparity, und bei gleicher Anzahl spricht man von einer neutral Disparity.

Code Group Name

Octet Value

Octet Bits HGF EDCBA

Current RD -

Current RD +

Code Group Name

Octet Value

Octet Bits HGF EDCBA

Current RD -

Current RD +

abcdei fghj

abcdei fghj

abcdei fghj

abcdei fghj

D4.3

64

011 00100

110101 0011

0010101100

D22.4

96

10010110

0110101101

0110100010

D5.3

65

011 00101

101001 1100

101001 0011

D23.4

97

10010111

1110100010

000101 1101

D6.3

66

011 00110

011001 1100

011001 0011

D24.4

98

10011000

110011 0010

001100 1101

D7.3

67

011 00111

111000 1100

000111 0011

D25.4

99

10011001

100110 1101

100110 0010

D8.3

68

011 01000

111001 0011

000110 1100

D26.4

9A

10011010

010110 1101

0101100010

D9.3

69

011 01001

100101 1100

100101 0011

D27.4

9B

10011011

1101100010

001001 1101

D10.3

6A

011 01010

010101 1100

010101 0011

D28.4

9C

10011100

0011101101

001110 0010

D11.3

6B

011 01011

1101001100

110100 0011

D29.4

9D

10011101

1011100010

010001 1101

D12.3

6C

011 01100

001101 1100

001101 0011

D30.4

9E

10011110

0111100010

100001 1101

D13.3

6D

011 01101

101100 1100

101100 0011

D31.4

9F

10011111

101011 0010

0101001101

D14.3

6E

011 01110

011100 1100

011100 0011

D0.5

AO

101 00000

100111 1010

011000 1010

DI 5.3

6F

011 01111

010111 0011

1010001100

DI.5

A1

101 00001

011101 1010

100010 1010

D16.3

70

011 10000

011011 0011

100100 1100

D2.5

A2

101 00010

101101 1010

010010 1010

D17.3

71

011 10001

100011 1100

100011 0011

D3.5

A3

101 00011

110001 1010

110001 1010

D18.3

72

011 10010

010011 1100

010011 0011

D4.5

A4

101 00100

110101 1010

0010101010

D19.3

73

011 10011

110010 1100

110010 0011

D5.5

A5

101 00101

101001 1010

101001 1010

D20.3

74

011 10100

001011 1100

001011 0011

D6.5

A6

101 00110

011001 1010

0110011010

D21.3

75

011 10101

1010101100

1010100011

D7.5

A7

101 00111

111000 1010

000111 1010

D22.3

76

011 10110

0110101100

0110100011

D8.5

A8

101 01000

111001 1010

0001101010

D23.3

77

011 10111

111010 0011

000101 1100

D9.5

A9

101 01001

100101 1010

100101 1010

D24.3

78

011 11000

110011 0011

0011001100

Dl 0.5

AA

101 01010

010101 1010

010101 1010

D25.3

79

011 11001

1001101100

100110 0011

D11.5

AB

101 01011

1101001010

110100 1010

D26.3

7A

011 11010

010110 1100

0101100011

DI 2.5

AC

101 01100

001101 1010

001101 1010

D27.3

7B

011 11011

1101100011

001001 1100

D13.5

AD

101 01101

101100 1010

101100 1010

D28.3

7C

011 11100

001110 1100

001110 0011

D14.5

AE

101 01110

011100 1010

0111001010

D29.3

7D

011 11101

1011100011

010001 1100

D15.5

AF

101 01111

010111 1010

1010001010

D30.3

7E

011 11110

011110 0011

100001 1100

D16.5

B0

101 10000

011011 1010

1001001010

D31.3

7F

011 11111

101011 0011

010100 1100

D17.5

B1

101 10001

100011 1010

100011 1010

D0.4

80

100 00000

100111 0010

011000 1101

D18.5

B2

101 10010

0100111010

0100111010

Dl.4

81

100 00001

011101 0010

100010 1101

D19.5

B3

101 10011

110010 1010

1100101010

D2.4

82

100 00010

101101 0010

010010 1101

D20.5

B4

101 10100

0010111010

001011 1010

D3.4

83

100 00011

110001 1101

110001 0010

D21.5

B5

101 10101

1010101010

101010 1010

D4.4

84

100 00100

110101 0010

0010101101

D22.5

B6

101 10110

0110101010

011010 1010

D5.4

85

100 00101

1010011101

101001 0010

D23.5

B7

101 10111

1110101010

000101 1010

D6.4

86

100 00110

011001 1101

011001 0010

D24.5

B8

101 11000

110011 1010

0011001010

D7.4

87

100 00111

1110001101

000111 0010

D25.5

B9

101 11001

100110 1010

1001101010

D8.4

88

100 01000

111001 0010

000110 1101

D26.5

BA

101 11010

010110 1010

0101101010

D9.4

89

100 01001

100101 1101

100101 0010

D27.5

BB

101 11011

110110 1010

001001 1010

DI 0.4

8A

10001010

0101011101

010101 0010

D28.5

BC

10111100

001110 1010

001110 1010

Dl 1.4

8B

10001011

1101001101

110100 0010

D29.5

BD

101 11101

1011101010

010001 1010

Dl 2.4

8C

100 01100

001101 1101

001101 0010

D30.5

BE

101 11110

011110 1010

100001 1010

Dl 3.4

8D

100 01101

1011001101

101100 0010

D31.5

BF

101 11111

101011 1010

010100 1010

DI 4.4

8E

100 01110

011100 1101

011100 0010

D0.6

CO

110 00000

100111 0110

011000 0110

Dl 5.4

8F

100 01111

010111 0010

101000 1101

D1.6

C1

110 00001

011101 0110

1000100110

Dl 6.4

90

100 10000

011011 0010

100100 1101

D2.6

C2

110 00010

101101 0110

0100100110

Dl 7.4

91

100 10001

100011 1101

100011 0010

D3.6

C3

11000011

110001 0110

110001 0110

Dl 8.4

92

10010010

010011 1101

010011 0010

D4.6

C4

11000100

110101 0110

0010100110

Dl 9.4

93

10010011

1100101101

1100100010

D5.6

C5

11000101

101001 0110

101001 0110

D20.4

94

10010100

001011 1101

001011 0010

D6.6

C6

11000110

011001 0110

011001 0110

D21.4

95

10010101

101010 1101

1010100010

D7.6

C7

110 00111

111000 0110

000111 0110

Abbildung 2.37: Ein Auszug aus den 256 Ordered Sets der Daten-Code-Gruppen

Der 10-Bit-Transmission-Code unterstützt alle möglichen 256 Acht-Bit-Kombinationen (Ordered Sets), wobei einige als Special Characters (Control Character) definiert sind, die sich von den Data Characters (siehe Tabelle in der Abbildung 2.37) eindeutig unterscheiden und für die Steuerung verwendet werden. Die Umsetzung eines Bytes (Beispiel 45h) in einen 8B/10B-Code funktioniert nach dem in der Abbildung 2.38 angegebenen Schema.

Bits:

H

G

F

E

D

C

B

A

Wert (45h)

0

1

0

0

0

1

0

1

Umsetzung:

E

D

c

B

A

H

G

F

45h:

0

0

1

0

1

0

1

0

Notation:

5

2

8B/1QB:

A

B

C

D

E

I

F

G

H

J

Übertragung mit Disparity:

1

0

1

0

0

1

0

1

0

1

Abbildung 2.38: Die Umsetzung des Bytes 45h in den 10-Bit-Code, wobei die Stellen I und J die Running Disparity darstellen.

Die Notation (5.2 im Beispiel) besteht noch aus einem zusätzlichen Zeichen, welches kennzeichnet, ob es sich um einen Data Character (D) oder um einen Special Character (K) für die Steuerung handelt. Das Zeichen D5.2 ist demnach ein Data Character, K28.5 ein Special Character. Die Bedeutung der K-Code-Gruppen ist in der Tabelle 2.8 gezeigt.

Code-Gruppe

Octet-Bits HGFEDCBA

Bedeutung/Funktion

K28.0

000 11100

Reserviert

K28.1

001 11100

Reserviert

K28.2

010 11100

Reserviert

K28.3

011 11100

Reserviert

K28.4

100 11100

Reserviert

K28.5

101 11100

Konfigurationsdaten

K28.6

110 11100

Reserviert

K23.7

111 10111

Carrier Extend

K27.7

111 11011

Start of Packet

K29.7

111 11101

End of Packet

K30.7

111 11110

Error Propagation

Tabelle 2.8: Die Special Characters des 8B/10B-Codes

Zur Kennzeichnung des Beginns und des Endes eines Frames dienen K27.7 und K29.7, was analog zu 100Base funktioniert. Carrier Extend (K23.7) wird für die Verlängerung kurzer Frames (im Halbduplex-Betrieb) verwendet, was mit den Füllinformationen (Idle-Code-Gruppe) bei 100Base vergleichbar ist. Die Error Propagation ist für die Signalisierung von Übertragungsfehlern zuständig.

K28.5 ist für den Austausch von Konfigurationsdaten (Configuration Sets) zwischen zwei Teilnehmern vorgesehen. Die Configuration Sets bestehen aus vier Code-Gruppen. Nach der Übertragung von K28.5 folgt eine Konstante (D21.5 oder D2.2), und danach kommen zwei Datengruppen, die die Konfigurationsdaten darstellen, die für die Autonegotiation (automatische Mode-Einstellung: Datenrate, Duplex-Typ) benötigt werden.

Jedes zu übertragende Datenbyte verfügt über zwei korrespondierende 10-Bit-Transmis-sion-Characters, und der Sender sorgt für die Einhaltung der jeweils vereinbarten Running Disparity, indem Transmission Characters selektiert werden, die die Running Disparity so weit wie möglich zu null werden lassen. Dadurch werden fehlerhaft übertragene Daten gewissermaßen wieder zu gültigen Daten, die dann mithilfe der Running Disparity aber als Fehler detektiert und auch korrigiert werden können.

2.9.4 MLT-3-Kodierung

Kodierungsverfahren, die für die Bitübertragung nicht nur zwei Stufen (z. B. +V = High, -V = Low), sondern mehrere (Multilevel) verwenden, werden unter der Bezeichnung Multi Level Transmission (MLT) geführt. Bei MLT-3 bedeutet dies, dass hier drei Stufen (Ternär-Code) von +V, 0V und -V vorhanden sind, die Sender und Empfänger entsprechend im Pegel erkennen müssen.

Durch diese »Verteilung« reduziert man die (Basis-)Frequenz, was eine geringere Abstrahlung und bessere Dämpfungswerte sowie eine geringere Fehlerrate zur Folge hat. Die Anforderungen an das zu verwendende Netzwerkkabel werden durch MLT geringer, was sich daher für die immer höheren Datenraten sinnvoll anwenden lässt.

0

1

0

0

1

1

0

1

0

1

1

1

1

1

1 1 1 1 1 1 1

Periode

Abbildung 2.39: Das Prinzip der MLT-3-Kodierung

MLT-3 wird beispielsweise bei FDDI auf TP-Kabel (CDDI) eingesetzt, wofür eine Datenübertragungsrate von 100 MBit/s plus 25 MBit/s für Kontrolldaten definiert ist, was eigentlich ein Kabel mit einer zulässigen Frequenz von 125 MHz erfordern würde. Da sich innerhalb einer Periode mit MLT-3 aber gleich vier Bit übertragen lassen (vgl. Abbildung 2.39), entsteht nur eine Frequenz von 31,25 MHz (ein Viertel).

Weil Fast-Ethernet auf TP-Kabel (100BaseTX) ebenfalls MLT-3 verwendet, konnten im Übrigen die bereits für CDDI entwickelten Transceiver-Bausteine und Übertrager unmittelbar übernommen werden.

2.9.5 PAM5- und Trellis-Kodierung

Ein weiteres Multilevel-Verfahren, das mit fünf Levels statt mit drei wie MLT-3 arbeitet, wird als Pulse Amplitude Modulation (PAM) bezeichnet. Hier gibt es die Stufen -2, -1, 0, + 1, +2, was erstmalig bei 100Base-T2 zur Reduzierung der Bitrate eingesetzt wurde, um 100 MBit/s auf einem Kabel der Kategorie 3 transportieren zu können.

Sdn [6:8] = [001]

Sdn [6:8] = [011]

Sdn [6:8] = [101]

Sdn [6:8] = [111]

Condition

Sdn[5:0]

TAniTBn, TCn,TDn

TAnJBnf TCn,TDn

TAn,TBn, TCn,TDn

TAnJBn, TCn,TDn

Normal

000000

0, 0, 0,+ 1

0, 0,+ 1, 0

0,+ 1,+ 1,+ 1

0,+ l, 0, 0

Normal

000001

-2, 0, 0,+1

-2, 0,+ 1, 0

-2,+1,+ 1,+ 1

-2,+ 1, 0, 0

Normal

000010

0,-2, 0,+ 1

0,-2,+1, 0

0,-1,+1,+ 1

0,-1, 0, 0

Normal

000011

-2,-2, 0,+1

-2,-2,+1, 0

-2,-1,+ 1,+ 1

-2,-1, 0, 0

Normal

000100

0, 0,-2,+1

0, 0,-1, 0

0,+l,-1,+ 1

0,+ 1,-2, 0

Normal

000101

-2, 0,-2,+1

-2, 0,-1, 0

-2,+ 1,-1,+ 1

-2,+1,-2, 0

Normal

000110

0,-2,-2,+1

0,-2,-1, 0

0,-1,-1,+!

0,-1,-2, 0

Normal

000111

-2,-2,-2,+1

-2,-2,-1, 0

-2,-1,-1,+ !

-2,-1,-2, 0

Normal

001000

0, 0, 0,-1

0, 0,+1,-2

0,+ 1,+1,-1

0,+1, 0,-2

Normal

001001

-2, 0, 0,-1

-2, 0,+ 1,-2

-2,+ 1,+ 1,-1

-2,+ 1, 0,-2

Normal

001010

0,-2, 0,-1

0,-2,+ 1,-2

0,-1,+ 1,-1

0,-1, 0,-2

Normal

001011

-2,-2, 0,-1

-2,-2,+1,-2

-2,-1,+ 1,-1

-2,-1, 0,-2

Normal

001100

0, 0,-2,-1

0, 0,-1,-2

0,+ 1,-1,-1

0,+1,-2,-2

Normal

001101

-2, 0,-2,-1

-2, 0,-1,-2

-2,+1,-1,-1

-2,+ 1,-2,-2

Normal

001110

0,-2,-2,-1

0,-2,-1,-2

0,-1,-1,-1

0,-1,-2,-2

Normal

001111

-2,-2,-2,-1

-2,-2,-1,-2

-2,-1,-1,-1

-2,-1,-2,-2

Normal

010000

+ 1,+ 1,+ 1, 0

+ 1,+ 1, 0,+ 1

+ 1, 0, 0, 0

+ 1, 0,+ 1,+1

Normal

010001

-1,+ 1,+1, 0

-1,+ 1, 0,+ 1

-1, 0, 0, 0

-1, 0,+ 1,+ 1

Normal

010010

+ 1,-1,+ 1, 0

+ 1,-1, 0,+ 1

+ 1,-2, 0, 0

+ 1 ,-2,+ 1,+ 1

Normal

010011

-1,-1,+ 1, o

-1,-1, 0,+ 1

-1,-2, 0, 0

-1,-2,+ 1,+ 1

Normal

010100

+ 1,+ 1-1, 0

+ l,+ 1,-2,+ 1

+ 1, 0,-2, 0

+ 1, 0,-1,+ 1

Normal

010101

-1,+ 1,-1, 0

-1,+ l,-2,+1

-1, 0,-2, 0

-1, 0,-1,+ 1

Normal

010110

+ 1,-1,-1, 0

+ 1 ,-1,-2,+ 1

+ 1,-2,-2, 0

+ 1,-2,-1,+ 1

Normal

010111

-1,-1,-1, 0

-1,-1,-2,+ 1

-1,-2,-2, 0

-1,-2,-l,+ 1

Normal

011000

+ 1,+ l,+ l,-2

+ 1,+ 1, 0,-1

+ 1,0, 0,-2

+ 1, 0,+ 1,-1

Normal

011001

-1,+ l,+ 1,-2

-1,+ 1, 0,-1

-1,0, 0,-2

-1, 0,+ 1,-1

Normal

011010

+ 1,-1,+1,-2

+ 1,-1, 0,-1

+ 1,-2, 0,-2

+ 1,-2,+ 1,-1

Normal

011011

-1,-1,+ 1,-2

-1,-1, 0,-1

-1,-2, 0,-2

-1,-2,+ 1,-1

l ^—.

I

1

1 ^'

CSExtend Err

xxxxxx

+2,+2,-2,-1

-2,+2,-1,+2

-1,+2,+2,-2

+2,-1,+2,-2

CSExtend

xxxxxx

+2, 0,+2,+1

+2, 0,+ 1,+2

+ 1, 0,+2,+2

+2,+ l, 0,+2

CSReset

xxxxxx

+2,-2,+2,-1

+2,-2,-1,+2

-1,-2,+2,+2

+2,-1,-2,+2

Abbildung 2.40: Trellis-Kodierung mit PAM5 über vier Übertragungskanäle 88

Während bei den Gigabit-Ethernet-Implementierungen 1000Base CX/LX/SX die 8B/10B-Kodierung verwendet wird, kommt bei 1000BaseTX die PAM5 plus Trellis-Kodierung zum Einsatz. Damit werden Kodierung und Modulation derart kombiniert, dass sich eine geringere Bitfehlerrate und ein verbesserter Signal-/Rauschabstand ergeben.

Die Trellis-Kodierung verwendet acht Datenbits und ein zusätzliches Parity-Bit und verteilt diese auf die fünf Levels (PAM5) der bei 1000BaseTX vorhandenen vier Übertragungskanäle. Dadurch entsteht ein vierdimensionaler Übertragungscode mit acht Zuständen in einem Code-Raum bestehend aus fünfwertigen Symbolen (2, -1, 0, +1, +2), wobei jeder vierdimensionale Code als Quadrupel (An, Bn, Cn, Dn) auf den vier Leitungspaaren übertragen wird. Ein Ausschnitt aus der Trellis-Code-Tabelle (Abbildung 2.41) zeigt, wie man sich die Bit-Umsetzung dabei vorstellen kann.

Was diese Technik noch etwas komplizierter macht, ist die Tatsache, dass auf die Daten zusätzlich noch ein Scrambling angewendet wird. Die Daten werden gewissermaßen »zerwürfelt«, weil sie nicht gleichmäßig aus Nullen und Einsen bestehen, was schon dadurch passiert, dass die Lücken zwischen den Frames mit Idle- und Extension-Codes gefüllt werden müssen.

Dies führt ohne Scrambling zu bestimmten Frequenzmaxima auf den Kabeln, also zu einer erhöhten Abstrahlung und damit zu Störungen. Außerdem ergibt sich dadurch auch ein unerwünschter Gleichspannungsanteil auf dem Kabel. Der Einsatz des Scrambling-Algorithmus, der auf Bit-Ebene arbeitet und daher keinen Einfluss auf die PHY-Cont-roller hat, führt zu einem gleichmäßigen Frequenzgemisch auf den Leitungen, und zwar unabhängig vom tatsächlichen Informationsinhalt der Datenpakete.

2.10 Ethernet-Schichten und Frame-Formate

Die Ethernet-Standards können zunächst den beiden unteren Schichten des OSI-Modells zugeordnet werden:

■ OSI-Schicht 1: Physikalische Schicht, Physical Layer, PHY

■ OSI-Schicht 2: Sicherungsschicht, Data Link Layer, LLC, MAC

Die physikalische Schicht (PHYsical) repräsentiert die Ebene der Bitübertragung, was sich prinzipiell vom jeweiligen Medienanschluss ausgehend (MDI, Medium Dependant Interface) über die Bit-Codierung (vgl. Kapitel 2.9) bis hin zum Medium Independant Interface (MII) erstreckt. Ab hier spielen die Eigenheiten des jeweiligen medienabhängigen PHYs (z. B. Signalanpassung, Bit-Kodierung) keine Rolle mehr.

Abbildung 2.41: Die Ethernet-Standards decken zwei Schichten des OSI-Modells ab.

Der Übergang zur darüber folgenden OSI-Schicht (2) - dem Data Link Layer, der wiederum aus zwei Schichten (MAC, LLC) besteht - erfolgt mithilfe eines sogenannten Reconciliation Sublayer (RS) und bei 10Base mit Physical Layer Signaling (PLS). Die hier eingehenden Signale entsprechen denen des AUInterface (siehe Abschnitt 2.3.1), an das unterschiedliche Konverter und Transceiver angeschlossen werden können.

Der Reconciliation Sublayer ist demgegenüber für die Umsetzung der (G)MII-Signale auf die MAC-Ebene vorgesehen. In umgekehrter Richtung wird natürlich ebenfalls eine Umsetzung ausgeführt, wie es auch bei den folgenden Prozessen der Fall ist, auch wenn es nicht explizit angegeben wird.

Die Schicht Physical Medium Attachment (PMA) führt die Umsetzung der seriellen Daten in parallele (serialize/deserialize, SERDES) durch und entspricht bei 10 MBit/s der Funktion einer MAU (Media Attachment Unit, siehe Kapitel 2.2).

Ab 100 MBit/s befindet sich zwischen MDI und PMA noch die Schicht Physical Medium Dependant (PMD), also eine Schicht, deren Funktion vom jeweiligen Medium abhängig ist und deren Signale sich auf das MDI beziehen. Die Aufgaben für Autonegotiation sowie CSMA/CD bei Halbduplex-Betrieb werden vom Physical Coding Sublayer (PCS) erledigt, wo auch die entsprechende Code-Umsetzung (4B/5B, 8B/10B, Trellis) stattfindet.

Sowohl bei AUI als auch bei (G)MII handelt es sich um digitale Signale, wobei PLS mit der Manchester-Kodierung und RS mit der 4B/5B- bzw. 8B/10B- oder auch Trellis-Kodie-rung arbeitet, sodass hierfür unterschiedlich arbeitende Sublayer für die Anpassung an die Media Access Control-Ebene (MAC) notwendig sind.

Das AUInterface wird üblicherweise nur von Einheiten für 10 MBit/s zur Verfügung gestellt, Buchsen für MII (100 MBit/s) gibt es eher selten, und für das Gigabit Medium Independant Interface (GMII) hat man erst gar keine Steckverbindung definiert, weil dies mit elektrischen Problemen einhergehen würde. Dies ist auch der Grund dafür, warum
man bei Gigabit-Ethernet meist nur einen einzigen Chip auf einer Netzwerkkarte verwendet und nicht etwa zwei, die auch die elektrische und nicht nur die logische Trennung von PHY und MAC realisieren würden, wodurch ein bestimmter MAC-Chip für unterschiedliche PHY-Realisierungen verwendet werden könnte.

Ethernet-Controller

Übertrager (Transformer)

Abbildung 2.42: Das Prinzip der in einem Chip kombinierten Ethernet-Komponenten

Das GMII verwendet, wie in Kapitel 2.9.5 erläutert, die PAM5/Trellis-Kodierung, was eine Erweiterung der Signale gegenüber dem MII notwendig machte.

Vereinfacht kann man sich die Pakete, die über (G)MII transportiert werden, so wie die Ethernet-Frames selbst vorstellen, wobei die Interfaces zum PHY spezielle Steuer- und Statussignale führen und der dazugehörige MAC-Chip entsprechende Register besitzt. Bei den meisten heutigen Designs (zumindest für Netzwerkkarten) ist der PHY-Chip mit der MAC-Engine zusammen in einem Chip integriert, der beispielsweise an den PCI-Bus angeschlossen wird. Die Register der MAC-Engine sind im jeweiligen Ethernet-Standard (IEEE 802.3x) genau definiert. Für das Verständnis der Funktion ist es jedoch ganz hilfreich, wenn man eine gedankliche Trennung zwischen diesen beiden wesentlichen Einheiten vornimmt, wie es in der Abbildung 2.42 dargestellt ist.

In der LLC-Schicht findet der Datenaustausch zur darüber liegenden Schicht, dem Network Layer (OSI-Schicht 3), statt. Der Aufbau des Data Link Layer (LLC, MAC) ist im Standard IEEE 802.2 definiert, während der Network Layer (Vermittlungsschicht) im Standard IEEE 802.1 beschrieben ist. Hier wird - je nach Protokoll-Familie (TCP/IP, IPX/SPX) -eine ganze Reihe unterschiedlicher Protokolle abgewickelt, wie etwa IP, ARP, PPP oder RIP bei der TCP/IP-Familie, was in Kapitel 8 näher beschrieben wird.

Im folgenden Kapitel soll noch etwas genauer auf den Data Link Layer (OSI-Schicht 2) eingegangen werden, der die MAC- (2A) und darüber die LLC-Ebene (2B) beinhaltet, wie es auch in der Abbildung 2.41 zu erkennen ist.

2.10.1 Rahmentypen

Der grundlegende Aufbau eines Ethernet-Pakets (MAC-Frame) ist bei allen Ethernet-Imple-mentierungen (10BaseX, 100BaseX, 1000BaseX) identisch, denn andernfalls wäre auch nur schwerlich die Kompatibilität zwischen den unterschiedlichen Varianten herzustellen.

Präambel

RahmenBegrenzer

Zieladresse

Quelladresse

Typ/ Länge

Datenfeld

CRC

7 Bytes

1 Byte

6 Bytes

6 Bytes

2 Bytes

variabel

4 Bytes

Abbildung 2.43: Der Aufbau des allgemeinen Ethernet-Rahmens

Das Präambelfeld besteht aus sieben 10101010-Bit-Kombinationen, die für die Synchronisierung mit den Kommunikationspartnern benötigt werden. Es folgt ein Byte, das als Rahmenbegrenzer (Start Frame Delimiter, SFD) dient und eine eindeutige Bit-Kombination zur Signalisierung des Anfangs des Datenpakets führt.

Die Ziel- und die Quelladresse (MAC-Adresse) von jeweils 6 Bytes sind fest in den Ether-net-Controllern abgelegt. Sie können nicht verändert werden und sind weltweit einmalig für jede Netzwerkkarte gültig.

Das Feld Typ/Länge legt entweder die Größe des folgenden Datenfeldes fest oder dient als Kennzeichnung für den jeweiligen Protokolltyp (z. B. TCP/IP oder IPX/SPX für Netware). Demnach ist es möglich, gleichzeitig unterschiedliche Protokolle über das Netzwerk zu schicken, ohne dass sie sich gegenseitig beeinflussen.

Die Datenfeldlänge kann prinzipiell 0-1518 Bytes betragen, und in diesem Feld werden dann beispielsweise der IP- und der TCP/IP-Header, gefolgt von den eigentlichen Nutzdaten, transportiert. Sollten die Daten größer sein, als im Datenfeld untergebracht werden können, findet (automatisch) eine Fragmentierung der Daten statt, was sich negativ auf die Netzwerk-Performance auswirken kann.

Über den Frame, von der Zieladresse bis zum Ende des Datenfeldes, wird ein Cyclic Redundancy Check (CRC) ausgeführt. Er dient der Fehlererkennung durch die Anwendung eines speziellen Generatorpolynoms. Der aus den gesendeten Daten ermittelte CRCWert wird mit den letzten vier Bytes des Frames übertragen, was auch als Frame Check Sequence (FCS) bezeichnet wird. Der Empfänger errechnet seinerseits aus den empfangenen Daten eine Checksumme und vergleicht diese mit den empfangenen FCS-Bytes. Falls sich dabei keine Übereinstimmung ergeben sollte, liegt ein Übertragungsfehler vor.

Logical Link Control (LLC, Schicht 2B) ist für die Adressierung und die Steuerung der Pakete und damit für die Kommunikation zwischen zwei Stationen zuständig. Der LLC-Layer ist als Schnittstelle zwischen den auf der OSI-Schicht 3 (Network Layer) angesiedelten Protokollen und dem MAC-Layer auch dafür verantwortlich, dass diese Protokolle (z. B. TCP/IP) nicht nur mit einem Ethernet-, sondern beispielsweise auch mit einem Token Ring-Netz (802.5) arbeiten können.

Die unterschiedlichen Funktionen der unteren Schichten (Bit-Kodierung, Zugriffsverfahren, Übertragungsmedium) werden durch den LLC-Layer quasi abgekoppelt. Laut Standard gibt es vier LLC-Varianten (Typ 1: verbindungslos, Typ 2: verbindungsorientiert, Typ 3: verbindungslos mit Bestätigung, Typ 4: schnelle Punkt-zu-Punkt-Verbindung), wobei bei Ethernet in der Regel der Typ 1 zum Einsatz kommt.

Eingangs wurde erwähnt, dass der Ethernet-Frame (MAC-Frame) bei allen Ethernet-Implementierungen (Standard IEEE 802.3x) vom Aufbau her identisch sei und dem oben gezeigten allgemeinen Aufbau entspräche. Dennoch gibt es für Ethernet unterschiedlich aufgebaute Rahmentypen, wobei die Unterschiede zwar nicht groß sind, aber dennoch von Belang sein können. Sie sind jedoch nicht, wie man es vielleicht vermuten würde, durch die Weiterentwicklung des Ethernet (vom Standard-Ethernet zum Gigabit-Ethernet) hervorgerufen worden, sondern es liegen hier gewissermaßen historische Gründe

Das DIX-Konsortium (DEC, Intel Xerox) hatte zunächst ein Format mit der Bezeichnung Ethernet I eingeführt, das bald durch Ethernet II abgelöst wurde und als Standard bei den ursprünglichen 10 MBit/s-Realisierungen gilt. Kennzeichnend ist dabei, dass der Frame ein Typfeld (2 Bytes im fünften Feld des Ethernet-Frames, vgl. Abbildung 2.43) besitzt, das den Typ des höheren Protokolls auf der Schicht 3 kennzeichnet.

Als der Ethernet-Standard noch nicht komplett verabschiedet war, leitete die Firma Novell aus Ethernet II ein eigenes Format für den Transport ihres IPX/SPX-Protokolls ab und nannte dies unglücklicherweise Ethernet 802.3, was aber nichts mit dem IEEE-Standard zu hat. Da diese Lösung ausschließlich für IPX/SPX geeignet ist, benötigt man auch kein Typfeld, sodass dieses Feld für die Kennzeichnung der Datenlänge verwendet wird. Immerhin hat Novell dieses Format nachträglich in Ethernet 802.3 raw umbenannt, um die Verwirrung etwas zu entschärfen.

Der später verabschiedete IEEE-Standard für das LLC-Protokoll hat die Bezeichnung IEEE 802.2 und ist gewissermaßen innerhalb von IEEE 802.3 gültig. Aus diesem Grunde unterscheidet man genau genommen drei Frame-Implementierungen: IEEE 802.3 (mit LLC laut 802.2), einen Ethernet-Frame mit Typfeld, den das DIX-Konsortium (Ethernet II) ursprünglich definiert hat, sowie die Novell-Implementierung Ethernet 802.3 raw.

Novell ist später ebenfalls dazu übergegangen, den offiziellen IEEE-Frame-Standard zu unterstützen. In den Netzwerk-Konfigurationsdateien wie net.cfg (ODI) oder protocol.ini (NDIS) lässt sich der jeweilige Frame-Typ manuell festlegen, wenn dies bei der automatischen Konfigurierung nicht optimal funktionieren sollte.

Prinzipiell empfiehlt es sich, in einem (Sub-)Netz nur mit einem einzigen Rahmentyp zu arbeiten. Probleme sowie notwendige Anpassungen sind aber nur dann zu erwarten, wenn in Netzen mit (zahlreichen) unterschiedlichen Protokollen (IPX/SPX, TCP/IP, NetBEUI) gearbeitet wird und es sich um ein über Jahre gewachsenes Netzwerk mit aktuellen und mit relativ alten Geräten handelt, deren Treiber nur jeweils einen bestimmten Rahmentyp ermöglichen.

Der einzig relevante Unterschied zwischen einem Ethernet II-Frame und einem Frame laut IEEE 802.3 besteht in der Schicht 2 (LLC), wo beim Ethernet II-Frame ein Typfeld vorhanden ist statt eines für die Längenangabe des darauffolgenden Datenfeldes.

Das Typfeld kennzeichnet das jeweilige Protokoll der höheren Schicht (3) durch explizit festgelegte Nummern. Beispielsweise steht 0800h für IP, 0806h für ARP-, 8137h für IPX/ SPX oder auch 814Ch für das SNM-Protokoll (SNMP).

Cyclic Redundancy Check

Präambel

SFD

Zieladresse

Quelladresse

Länge

Datenfeld

FCS

7 Bytes

1 Byte

6 Bytes

6 Bytes

2 Bytes

|4 Bytes |

\

DSAP

SSAP

CTRL

OUI

PID

Nutzdaten

1 Byte

1 Byte

1 Byte

3 Bytes

2 Bytes

LLC Header

SNAP Header

Abbildung 2.44: Der Aufbau eines Frames (SNAP) laut IEEE-Standard

Die entsprechende Protokollinformation wird bei der IEEE-802.3-Version hingegen mit im Datenfeld untergebracht, und die vorhergehende Längenangabe spezifiziert, wie groß das Datenfeld jeweils ist (64-1518 Bytes). Diese Information enthält der LLC-Header (802.2), der in das Datenfeld des MAC-Frames mit den folgenden Parametern »eingeblendet« wird:

■ DSAP: Destination Service Access Point, Zieladresse

■ SSAP: Source Service Access Point, Quelladresse

■ CTRL: Control, Protokolltyp

Es stellte sich bald heraus, dass ein Byte für die Kennzeichnung des Protokolltyps nicht ausreicht, sodass unter IEEE 802.3 eine Erweiterung mit der Bezeichnung SNAP (Sub Net Access Protocol) eingeführt wurde.

Hiermit werden fünf weitere Bytes für die Identifizierung des darüber liegenden Protokolltyps zur Verfügung gestellt und an den LLC-Header angehängt. Zur Kennzeichnung, dass ein SNAP-Header folgt, werden die Bytes DSAP = AAh, SSAP = AAh und Control = 3h gesetzt. Die Bytes des SNAP-Header haben die folgenden Bedeutungen:

■ OUI: Oganizationally Unique Identifier, enthält eine eindeutige Herstellerkennung für den Netztyp (z. B. 0h = Novell)

■ PID: Protocol Identifier, kennzeichnet das höhere Protokoll (z. B. 8137h = IPX/SPX)

Durch diese Erweiterungen stellt sich die IEEE-Frame-Implementierung als äußerst vielseitig dar, und es können die unterschiedlichsten Protokolle »nebeneinander« transportiert werden, was allerdings mit einem Protokoll-Overhead von 8 Byte pro Frame erkauft wird. Ob dieser Umstand ins Gewicht fällt, mag bezweifelt werden, denn letztendlich sind ja Nutzdaten im Netz zu bewegen, was weitaus ausschlaggebender ist.

Außerdem gibt es im Netzwerkbetrieb eine Vielzahl von Leistungshemmnissen, wobei das Spektrum vom optimalen Netzwerkkartentreiber für den jeweiligen Standard der Karte (10Base, 100Base, 1000Base) über das Medium, die optimale Einstellung (Duplex-Mode) aller beteiligten Einheiten bis hin zu den benötigten Protokollen reicht, sodass die FrameProblematik aus leitungstechnischer Sicht in den Hintergrund gerät.

\

Cyclic Redundancy Check

Präambel

SFD

Zieladresse

Quelladresse

Typ

Datenfeld

1 FCS I

7 Bytes

1 Byte

6 Bytes

6 Bytes

2 Bytes

|4 Bytes |

IP-Header TCP-Header

Nutzdaten

Abbildung 2.45: Der Aufbau eines Ethernet II-Frames in einem Netzwerk mit TCP/IP

Wenn in einem Netzwerk beispielsweise ausschließlich TCP/IP verwendet wird, kann man auf den SNAP-Rahmen getrost verzichten, und mit dem Ethernet II-Frame ist der Transport prinzipiell genauso gut - und vielleicht sogar schneller - möglich. In der Regel orientieren sich die Hersteller aber an der IEEE 803.2-Norm und nicht (mehr) an Ethernet II, weil diese Lösung eine höhere Flexibilität erlaubt.

Der Unterschied im Frame-Aufbau bei 10Base, 100Base und 1000Base besteht eigentlich nur darin, dass für Gigabit-Ethernet (1000BaseT) im Halbduplex-Betrieb der Frame unter Umständen durch Extension-Bits verlängert werden muss, wie es im Kapitel 2.8 erläutert ist. Diese zusätzlichen Bytes ohne Dateninhalt werden einfach hinter die vier Bytes des FCS-Feldes (Frame Check Sequence für CRC) angehängt. Auch für Gigabit-Ethernet gilt im Übrigen, dass hier prinzipiell entweder mit dem IEEE 802.3- oder mit dem Ethernet II-Frame gearbeitet werden kann.

Abbildung 2.46: Die Umschaltung des Rahmentyps beim IPX/SPX-Protokoll unter Windows 2000

2.11 10 Gigabit-Ethernet

Nur drei Jahre nach der offiziellen Verabschiedung der Gigabit-Ethernet-Standards ist bereits 10 Gigabit-Ethernet Realität geworden. 10GE - wie es auch kurz bezeichnet wird - ist im Jahre 2002 als IEEE-Standard 802.3ae ausgewiesen worden.

Das Einsatzgebiet von 10GE mit der fast gigantischen (theoretischen) Datenrate von 10000 MBit/s wird im WAN-Bereich gesehen, denn heutzutage ist noch kein einzelner Server schnell genug, um auch nur eine (Nutz-)Datenrate von 1 GBit/s verursachen zu können. Deshalb ist es eher selten der Fall, dass 1 GBit/s überhaupt bis zu jedem PC hin hergestellt wird. 1 GBit/s ist deshalb eher als Netzwerktechnologie im Backbone anzusehen, von dem aus man mithilfe von Switches die Datenübertragungsrate für die angeschlossenen PCs auf Fast-Ethernet (100 MBit/s) »herunterskaliert«.

Diejenigen »Netzwege«, über die das höchste Datenaufkommen abgewickelt wird, laufen über die Switch-Ebene (Backbone), und hier sollte auch die höchste Leistung in einem LAN zur Verfügung gestellt werden können.

Je nach Netzwerkauslegung und der Anzahl von Servern und Switches kann sich Gigabit-Ethernet als Leistungsbremse im Backbone darstellen. Dies konnte bisher allein dadurch gemildert werden, indem mehrere Gigabit-Ports zu einer logischen Verbindung zusammengeschaltet wurden, um im Bedarfsfall mit drei Gigabit-Leitungen eine 3-Gigabit-Verbindung zwischen zwei Switches realisieren zu können. Diese Funktionalität wird bei Switches, die diese Funktion explizit unterstützen müssen, als Port Trunking bezeichnet. In Anbetracht der Tatsache, dass viele Gigabit-Switches das Port Trunking bieten, handelt es sich keineswegs um eine ungewöhnliche Funktion im LAN.

Das »Bündeln« mehrerer Ports zu einer einzigen Übertragungsstrecke ist im WAN-Bereich zwar ein oft praktiziertes Verfahren, doch es stellt sich aufgrund der (Kabel-)Strecken und der separaten Switch-Module als relativ kostspielig heraus. Daher ist 10GE für WAN-und auch LAN-Anwendungen, die bisher auf Port Trunking angewiesen waren, besonders prädestiniert.

Exkurs

Das Zusammenfassen von n-Switch-Ports zu einer einzigen logischen Übertragungsstrecke bietet die n-fache Datenübertragungsrate eines einzelnen Ports. Diese Funktion wird bei den geeigneten Switches als Port Trunking bezeichnet. Bei der Verwendung von unterschiedlichen Switches (unterschiedlicher Hersteller), die die »Port-Bündelung« unterstützen, ist aber keineswegs sichergestellt, dass das Port Trunking fehlerfrei funktioniert. Die Firma Cisco nennt diese Funktionalität EtherChannel, und da es auch hierfür einen verbindlichen Standard (IEEE 802.3ad) gibt, sollte sich diese Technologie herstellerübergreifend einsetzen lassen.

Wenn man einmal davon ausgeht, dass für ein Telefongespräch eine Bandbreite von 64 kBit/s (ISDN) ausreicht, kann man mit 10GE gleichzeitig 120.000 Gespräche auf einem einzigen Kabel führen, was deutlich macht, dass 10GE im besonderen Interesse der WAN-Betreiber (Telekom u. a.) liegt.

2.11.1 Realisierungen mit Lichtwellenleitern

Für 10GE ist zunächst allein Glasfaser als Verbindungsmedium vorgesehen, was nicht verwundert, wenn man bedenkt, welche technischen Tricks für Gigabit-Ethernet notwendig sind, damit dort auch Twisted Pair-Kabel zum Einsatz kommen kann.

Als Verbindungsstecker für 10GE ist der bereits von Fast-Ethernet auf Lichtwellenleitern her bekannte SC-Anschluss vorgesehen. Da stets ein Vollduplex-Betrieb stattfindet, sind hier keinerlei Vorkehrungen für Kollisionen (CSMA/CD) zu treffen.

Wie bei den vorherigen Ethernet-Realisierungen mit Glasfaser können sowohl Multimode- (50 oder 62,5 pm Core) als auch Monomodefasern (Single Mode, 9 oder 10 pm Core) als Verbindungsleitungen eingesetzt werden. Außerdem ist ein neuer Multimode-Typ (New Fiber Cable) hinzugekommen, der aus einer hochreinen Gradientenfaser besteht, was zu einer überbrückbaren Distanz von 300 m statt nur 82 m mit einer herkömmlichen Faser führt.

Standard

Wellenlänge

Maximale Distanz/Faser-Typ

10GBaseSR

850 nm

82 m mit Multimode, 300 m mit New Fiber Cable

10GBaseSW

850 nm

WAN-Verbindung

10GBaseLR

1310 nm

10 km mit Singlemode (Monomode)

10GBaseLW

1310 nm

WAN-Verbindung

10GBaseER

1550 nm

40 km mit Singlemode (Monomode)

10GBaseEW

1550 nm

WAN-Verbindung

10GBaseLX4

1269-1355,9 nm (4 Kanäle)

300 m mit Multimode, 10 km mit Singlemode

Tabelle 2.9: LWL-Standards für 10 Gigabit-Ethernet. Die Distanzen für die WAN-Verbindungen (SW, LW, EW) entsprechen denen, wie sie für die LANs in der Tabelle angegeben sind.

Insgesamt sind sieben unterschiedliche 10GE-Realisierungen mit Lichtwellenleitern definiert, deren wichtigste Daten in der Tabelle 2.9 zusammengefasst angegeben sind. Für die Bezeichnungen des jeweiligen 10 GE-Standards wird stets »10G« dem Base vorangestellt.

Für den Physical Coding Sublayer (PCS) sind drei LWL-Varianten spezifiziert, die wie folgt zu interpretieren sind:

■ 10GBase-R: R für serielle Kodierung (Kanalbildung)

■ 10GBase-W: W für WAN-Kodierung

■ 10GBase-X: X für LAN-Kodierung

Des Weiteren sind den einzelnen 10GE-Bezeichnungen die jeweils zur Anwendung kommenden Wellenlängen zu entnehmen:

■ L: 1310 nm

■ S: 850 nm

■ E: 1550 nm

Wie es bei Gigabit-Ethernet erläutert wurde, stößt man auch bei Glasfaser ab einer bestimmten Datenrate über eine bestimmte Strecke an physikalische Grenzen (Dispersion), was insbesondere den Einsatz der preisgünstigeren Multimode-Fasern infrage stellen könnte, die bereits in einer großen Anzahl von Netzwerken verwendet werden.

Je höher die Bandbreite, desto geringer fällt die zu überbrückende Distanz aus, weil bei einer hohen Datenrate die Pulslängen kürzer ausfallen. Mit steigender Entfernung wird der Dispersionseinfluss immer größer, was dann zu »verwaschenen« Impulsen führt, die nicht mehr erkannt werden können. Dieser Umstand führt bei 10GE zu einer geringeren Distanz als bei Gigabit-Ethernet (55 m statt 550 m bei Multimode). Damit dies nicht das Aus für den Einsatz der Multimode-Faser über übliche LAN-Längen bedeutet, wird die Übertragungsstrecke nunmehr durch mehrere Kanäle gebildet.

Multiplexer Demultiplexer

Abbildung 2.47: Die Bruttodatenrate von 12,5 GBit/s wird auf vier optische Kanäle aufgeteilt.

Demnach kommt hier ein ähnliches Verfahren wie bei Gigabit-Ethernet auf TP-Kabel zum Einsatz, nur wird dies hier auf optischem Wege über eine einzige »Ader« praktiziert, wofür das Wide Wavelength Diversion Multiplexing (WWDM) zum Einsatz kommt. Bei 10GBaseLX4 gibt es vier Kanäle, die dadurch realisiert werden, dass jeder Kanal einer anderen optischen Wellenlänge entspricht, wie es in der Tabelle 2.10 angegeben ist.

Kanal

Wellenlänge

L0

1269,0 bis 1282,4 nm

L1

1293,5 bis 1306,9 nm

L2

1318,0 bis 1331,4 nm

L3

1342,5 bis 1355,9 nm

Tabelle 2.10: Für 10GBaseLX4 werden vier Übertragungskanäle über unterschiedliche Wellenlängen gebildet.

Mithilfe von WWDM werden mit der üblichen Multimode-Verbindung bis zu 300 m überbrückbar und mit Singlemode sogar bis hin zu 10 km. Im WAN-Bereich wird WWDM schon seit Längerem eingesetzt, es ist also keine neue, vom Ethernet-Konsortium erdachte Technik.

2.11.2 Interfaces

Auf der MAC-Ebene findet für 10GE ein höherer Takt und eine verdoppelte Datenbreite Verwendung, sodass die Daten nunmehr in 16-Bit-Breite mit 644,53 Millionen Transfers pro Sekunde zum PHY übertragen werden. Bei Gigabit-Ethernet sind dies demgegenüber nur 125 Millionen Transfers pro Sekunde in 8-Bit-Breite.

Ein Vergleich der Abbildung 2.41 mit der Abbildung 2.48 zeigt die Veränderungen, die mit 10GE gegenüber Gigabit-Ethernet verwirklicht werden. Bei 10GBaseX, der LAN-Imple-mentierung, wird wie bei Gigabit-Ethernet die 8B/10B-Kodierung verwendet, während bei den beiden anderen 10GE-Varianten eine Kodierung mit der Bezeichnung 64B/66B zum Einsatz kommt. Dies ist notwendig, weil sowohl 10GBase-R als auch 10GBase-W mit vier seriellen Kanälen arbeiten, die zu einem einzigen logischen Kanal mit 10 Gigabyte zusammengefasst werden, denn auf andere Art und Weise ist diese hohe Datenrate über angemessene Netzwerkdistanzen (wie oben erläutert) nicht zu realisieren.

Das 64B/66B-Verfahren funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip wie 8B/10B. Für die Synchronisierung erhält jede Bitgruppe eine Präambel, und es wird eine Unterscheidung zwischen Kontroll- und Datenblöcken vorgenommen, was in einem zwei Bit langen SYNC-Feld gekennzeichnet wird. Es sind hier lediglich »01« für Kontroll- und »10« für Datenblöcke definiert.

Die Kontrollblöcke enthalten Steuerinformationen, die bis zu sieben Byte lang sein dürfen, und ein vorangestelltes Byte dient hier als Typfeld, das die jeweilige Steuerinformation als solche kennzeichnet.

Abbildung 2.48: Die 10 GE-Implementierungen für Glasfaser im Schichtenmodell

Die Datenblöcke weisen eine Größe von 64 Bit (8 Bytes) auf und enthalten die Ethernet-Frames, die zuvor mit einem Scrambler »zerhackt« worden sind. Diese 64 Bit sowie die zwei Bits des SYNC-Feldes ergeben 66 Bit, woher dann auch die Bezeichnung 64B/66B rührt.

Für den Einsatz als WAN-Technologie, und somit als Konkurrenz zu ATM, ist bei 10GE eine Anpassung an SDH/SONET (siehe Kapitel 7.8) notwendig. Mithilfe des WAN Interface Sublayer (WIS) werden die Ethernet-Frames von SDH/SONET in STM-64-Rahmen verpackt.

Weil STM-64 bzw. STS-192 nicht genau 10 GBit/s, sondern 9,953 GBit/s definieren, wird 10 GE durch das Einfügen von zusätzlichen Idle-Symbolen etwas »abgebremst« (Stretch Function). Hiermit wird die Kompatibilität zu den vorhandenen WAN/MAN-Netzen mit SDH gewahrt, indem nur dessen Frames und nicht die dahinterstehende SDH-Technik genutzt werden.

Für den Übergang von der PHY- auf die MAC-Ebene wurde eine neue Schnittstelle eingeführt, die die Bezeichnung XGMII trägt. Das X steht für die römische Zahl 10 und GMII für Gigabit Medium Independent Interface. XGMII bietet, wie die anderen Ethernet-Imple-mentierungen auch, ein AUInterface, weshalb es auch als XAUI (10 Gigabit Attachment Unit Interface) bezeichnet wird.

Als (von außen) zugängliche Schnittstelle wird XGMII nicht realisiert, denn dies war schon bei GMII aus elektrischen Gründen nicht möglich, und selbst das MII (Fast-Ethernet) ist nur relativ selten, wie etwa bei HomePNA mit CNR-Verbindung (Slot), als externer Anschluss ausgeführt und hat keine Marktbedeutung.

XGMII ist daher beispielsweise in den entsprechenden Switches als serielle Schnittstelle zwischen den einzelnen Schaltungselementen implementiert. Auf Netzwerkkarten sind PHY- und MAC-Einheit ohnehin meist in einem einzigen Chip integriert, sodass XGMII dann gewissermaßen auf Chipebene realisiert wird.

Unter dem XGMII ist ein hierfür passender Sublayer XGXS (eXtended Sublayer) implementiert, der die Anpassung an das jeweils zur Anwendung kommende Kodierungsverfahren (PCS: 8B/10B oder 64B/66B) vornimmt.

2.11.3 10GBaseT

Im Jahre 2006 ist eine neue 10GE-Variante (802.3an) spezifiziert worden, die nicht für LWL-, sondern für Kupferverbindungen mit Twisted Pair-Kabel vorgesehen ist. Wie es nach den Erfahrungen mit Gigabit-Ethernet zu vermuten ist, hat dies einen sehr komplexen PHY und eine aufwendigere Verkabelung zur Folge. An der Ethernet-MAC Engine sind, anders als bei den LWL-basierten 10GE-Realisierungen, jedoch keine Veränderungen notwendig, sondern nur ab dem XGMI-Interface.

Demnach (vgl. Abbildung 2.48) sind hierfür der PCS (Physical Coding Sublayer) und PMA (Physical Medium Attachment) neu zu definieren. Wie es bei Gigabit-Ethernet der Fall ist, werden bei einem TP-Kabel für 10GBaseT für die Datenübertragung im Volldu-plex mithilfe Echo Cancelation (siehe Kapitel 2.8.3) alle vier Leitungspaare genutzt.

Weil die Maximalfrequenz des Kabels die Bandbreite (4 x 2,5 GBit/s) begrenzt, sind noch einmal verbesserte Kodierverfahren notwendig. Statt PAM5 wird nunmehr PAM16 verwendet, was 16 Signalniveaus erlaubt, sodass dann gleich vier Bits in einem Übertragungsschritt abgebildet werden.

PCS setzt die wortweise eintreffenden Daten (64 Bits) in serielle Bitströme um, und mit PMA wird die Signalwandlung ausgeführt, was, vereinfacht dargestellt, wie folgt funktioniert: Ein Scrambler »zerwürfelt« auch hier - wie bei Gigabit-Ethernet - die zu sendenden Datenblöcke, um die unerwünschte Abstrahlung zu senken und Gleichspannungsanteile auf den Leitungen zu unterdrücken. Als Kodierung wird zweidimensionales 128-DSQ (Double Square, 128 Bit in einer 8x8x2-Orientierung) verwendet und eine Fehlersicherung mit LDPC-Block-Codes (Low Density Parity Check) für einen Teil des Bitstroms ausgeführt.

Abbildung 2.49: Die Signalverarbeitungskette im Physical Layer von 10 Gigabit für Twisted Pair

Um Echos auf den Kabeln zu vermeiden, werden spezielle Precoder (Tomlinson Hara-shima Procoder) verwendet, und digitale Filter begrenzen die Signalfrequenzen, bevor dann vier D/A-Wandler die PAM16-Symbole in elektrische Signale umsetzen und diese an die Übertrager (Line) weitergeben. Für diese rechenintensiven Funktionen werden in den PHY-Chips leistungsfähige Digitale Signal-Prozessoren (DSP) eingesetzt. In der Abbildung 2.49 ist die Signalverarbeitung innerhalb eines 10GBaseT PHY veranschaulicht, wobei gegenseitige Störeinflüsse (z. B. Nebensprechen) zwischen den Aderpaaren mithilfe der NEXT Cancellation- (Near End Cross Talk) und der FEXT Cancellation-Blöcke (Far End Cross Talk) ausgeglichen werden.

Anschluss und Kabel

Auch an den Anschluss und das Netzwerkkabel selbst werden bei 10GBaseT höhere Anforderungen gestellt. Für den RJ45-Anschluss sind abgeschirmte Buchsen notwendig, und ein gewöhnliches Cat5-Kabel reicht nunmehr nicht mehr aus. Die TP-Verbindung ist für 10GBaseT mit 500 MHz spezifiziert, während Gigabit nur 62,5 MHz zu bewältigen hat.

Selbst ein TP-Kabel laut Cat6 ist lediglich für maximal 250 MHz ausgelegt, sodass die Cat6-Spezifikation mit Untergruppen erweitert wurde. Cat6e ist für maximal 500 MHz und Cat6a für bis zu 625 MHz vorgesehen und deshalb für den Einsatz von 10GBaseT - mit Reserve - ausreichend dimensioniert. Damit können also tatsächlich 100 m überbrückt werden, während mit dem preisgünstigeren Cat6e-Kabel nur etwa die Hälfte möglich ist.

Abbildung 2.50: Der Aufbau von Cat6-Netzwerkkabeln

Die Cat6-Leitungen sind im Kabel paarweise mit eigenen Abschirmungen verdrillt. Ein Separator (Kreuzsteg) zwischen diesen sorgt dafür, dass die einzelnen Leitungspaare einen gewissen Abstand voneinander haben und so gegenseitige Störungen möglichst vermieden werden. Außerdem verfügt das Kabel über eine zusätzliche äußere Abschirmung (Alu-Mantel).

Dieser Aufbau hat zur Folge, dass die Cat6-Kabel dicker (9 mm) sind als die gewöhnlichen Cat5-Kabel (6 mm), die zulässigen Biegeradien geringer ausfallen und außerdem eine ganze Reihe von Verlegevorschriften (in Kabelschächten, zulässige Kabelbündelung u. v. m.) zu beachten ist. Die Verlegung von Lichtwellenleitern ist demgegenüber weitaus einfacher, und es ist deshalb fraglich, ob 10GBaseT tatsächlich nur ein Drittel einer glasfaserbasierten Installation kosten wird, wie es die Hersteller versprechen.

2.12 Energy Efficient Ethernet

Das IEEE hat mit dem Standard 802.az eine neue Eigenschaft definiert, die als Energy Efficient Ethernet (EEE) ausgewiesen wird. Der wesentliche Punkt ist dabei Low Power Idle (LPI), womit der PHY (Physical Layer) eines Netzwerkadapters in einen Stromsparmodus versetzt wird, wenn keine Daten zu übertragen sind.

Typischerweise werden nur gelegentlich Daten gesendet, doch dann sehr große Blöcke (Bursts). Die meiste Zeit muss deshalb nur der Receiver eines Netzwerkadapters aktiv sein. Ein kurzes, periodisches Signal (Refresh) sorgt dann dafür, dass die Verbindung weiterhin als aktiv angesehen wird, damit der Netzwerkadapter weiterhin Mitglied im LAN bleibt. Durch LPI lässt sich demnach auch eine Ethernet-Einheit stromsparender als bisher betreiben, was bislang lediglich für kabelgebundenes Ethernet (IEEE 802u/Z) und nicht für Wireless LANs spezifiziert wurde.

2.13 Power over Ethernet

Für bestimmte Netzwerkeinheiten wie etwa WLAN Access Points oder auch Überwachungskameras ist es wünschenswert, dass auf eine Spannungsversorgung und damit auf einen Anschluss an das 230 V-Netz verzichtet werden kann. Ein Verfahren zur Versorgung Ethernet-fähiger Einheiten über Twisted Pair-Kabel ist im Standard IEEE 802.3af festgelegt.

Insbesondere durch Voice Over IP (VoIP) hat die Tatsache, dass für bestimmte Netzwerkeinheiten eine separate Spannungsversorgung hinderlich ist, eine größere Beachtung gefunden. Mit PoE (Power over Ethernet) ist es deshalb möglich, dass etwa ein VoIP-Telefon genauso wie ein konventionelles nur an die jeweilige Dose angeschlossen werden muss, von wo aus es dann mit der nötigen Spannung versorgt werden kann.

Abbildung 2.51: Dieser Switch der Firma Netgear verfügt insgesamt über acht Fast-Ethernet-Ports, wovon vier als PoE-Ports ausgewiesen sind. Wenn Geräte per PoE versorgt werden, wird dies über die dazugehörigen Leuchtdioden (POE Active) kenntlich gemacht.

Die Geräte können entweder aus einem entsprechenden PoE-Switch (bzw. -Port) direkt versorgt werden (Endspan) oder mithilfe dazwischen geschalteter Quellen (Midspan). Bei diesen Quellen oder Injektoren handelt es sich meist um kleine Kästchen mit RJ45-Buch-sen und einer Versorgung mithilfe eines separaten Steckernetzteils. Endgeräte, die direkt per LAN-Kabel mit Energie versorgt werden können, sind bisher - außer VoIP-Geräten

- kaum am Markt anzutreffen, sodass dann ein Entkoppler notwendig ist, der die eingespeiste Spannung über einen separaten Anschluss wieder ausgeben kann, der dann mit dem jeweiligen Endgerät zu verbinden ist. Weil die verschiedenen Endgeräte auch unterschiedliche Spannungen und Polaritäten (welcher Kontakt des Steckers ist plus, welcher ist minus?) benötigen, sind bei den meisten Entkopplern dementsprechende manuelle Einstellungen per Schalter möglich.

Als Steckverbinder kommt der übliche Twisted Pair-Anschluss (RJ45, vgl. Abbildung 2.51) zum Einsatz, der jedoch nicht für hohe Leistungen konzipiert ist. Deshalb wird für PoE eine relativ hohe Spannung von 48 V für die Versorgung der Netzwerkeinheiten über das LAN-Kabel verwendet, die maximal 320 mA betragen darf, was zu einer maximalen Leistung von 15,4 W führt. Power Over Ethernet ist für Cat5-Kabel und Fast-Ethernet definiert, prinzipiell aber auch bei Gigabit-Ethernet möglich. Weil dabei aber alle acht Adern des LAN-Kabels belegt sind, muss die Gleichspannung zusammen mit dem Signal transportiert werden, wofür bisher noch keine Produkte zu finden sind.

2.13.1 Elektrische Umsetzungen

Je höher die Spannung ist, desto geringer fällt die Verlustleistung aus, was für die relativ dünnen TP-Kabel von Bedeutung ist, die weiterhin verwendet werden sollen. Die Spannung muss, damit sie für den Menschen nicht gefährlich wird, unter 60 V liegen, was dann als Schutzkleinspannungbezeichnet wird. Für die Energieversorgung sind im Standard IEEE 802.3af zwei verschiedene Methoden festgelegt:

■ Verwendung der ungenutzten Aderpaare 4-5 und 7-8, was nicht mit Gigabit-Ethernet funktioniert, wo alle Leitungen des Kabels für die Datenübertragung zum Einsatz kommen.

■ Einspeisung einer sogenannten Phantomspannung auf den Aderpaaren der Datenleitungen 1-2 und 3-6.

Das Prinzip der Phantomspannung ist von Audiosystemen, aktiven Mikrofonen oder auch von Lautsprechersystemen her bekannt, wo Transformatoren auf beiden Geräteseiten eingesetzt werden. Das Nutzsignal - bei PoE die Daten - wird auf der Übertragungsstrecke um die Speisespannung im Potenzial angehoben.

Geräte, die dem Standard entsprechen, müssen beide Methoden der Energieversorgung unterstützen. Dabei muss von der Gerätekonzeption her ausgeschlossen sein, dass eine gleichzeitige Nutzung beider Verfahren möglich ist.

Falls eine Midspan-Realisierung notwendig ist, wird in die Netzwerkleitung zwischen Switch und dem PoE-tauglichen Endgerät ein Injektor geschaltet; die Daten werden unverändert durchgeleitet, und es wird hier nur die Energie für das Netzwerkendgerät eingespeist. Falls das Endgerät jedoch nicht PoE-konform ist, kann es durch die Einspeisung durchaus beschädigt werden. Deshalb müssen in den Injektoren entsprechende Überprüfungsmechanismen integriert sein, die den jeweiligen Verbrauchertyp erkennen können.

Exkurs

Die Hersteller von PoE-fähigen Einheiten halten sich vielfach nicht an die Vorgaben des IEEE 802.3af-Standards, was zu Inkompatibilitäten zwischen den Geräten führt und auch elektrische Beschädigungen zur Folge haben kann. Außerdem gibt es für die Fernspeisung von Netzwerkeinheiten auch einige herstellerspezifische Realisierungen, die nur für ganz bestimmte Geräte vorgesehen sind und demnach keinem Standard unterliegen.

In den PoE-tauglichen Geräten müssen außerdem entsprechende Vorkehrungen für die Verarbeitung der Spannung getroffen worden sein, weil die Polarität der Speisespannung nicht festgelegt ist und man sich demnach nicht darauf verlassen kann, dass der Pluspol immer auf der gleichen Leitung liegt.

Abbildung 2.52: Das Prinzip der Spannungsversorgung über Midspan Injector

Um elektrische Beschädigungen aufgrund der Energieeinspeisung zu verhindern und die Kompatibilität mit älteren Einheiten zu gewährleisten, wird ein Verfahren mit der Bezeichnung Resistive Power Discovery eingesetzt. Es erfordert im Injektor eine Stromquelle und eine Messschaltung. Auf der Endgeräteseite werden nur passive Bauelemente wie einige Widerstände benötigt.

Klasse

Typ

Strom

Max. Speiseleistung

Max. Entnahmeleistung

0

Standard

0-5 mA

15,4 W

0,44-12,95 W

1

Optional

8-13 mA

4,0 W

0,44-3,84 W

2

Optional

6-21 mA

7,0 W

3,84-6,49 W

3

Optional

25-31 mA

15,4 W

6,49-12,95 W

4

Reserviert

35-45 mA

15,4 W

Reserviert

Tabelle 2.11: Die Leistungsklassen für die optionale PoE-Erkennungsphase

Der Injektor legt vor der Freigabe der Einspeisespannung eine Testspannung von 30 V mit einer Strombegrenzung auf 5 mA an. Falls der daraus ermittelte Verbraucherwiderstand zwischen 19 und 26,5 kOhm liegt, wird die Versorgung daraufhin eingeschaltet. In einer zweiten, optionalen Erkennungsphase kann das Gerät einer Geräteklasse (Tabelle 2.11) zugeordnet werden, wofür die Stromaufnahme gemessen wird, was für die Ermittlung der benötigten Energie nützlich ist und dafür sorgen kann, dass ein Endgerät mit einem für die Quelle zu hohen Stromverbrauch erst gar nicht aktiviert wird.

Ein typischer Auskoppler (Splitter, Active Tap) kann gleichfalls als kleines Gerät für einen einzigen Port realisiert sein und verfügt dann neben den beiden RJ45-Buchsen (LAN IN, LAN Out) über einen DC-Ausgang (mit maximal 48 V), der sich auf bestimmte Werte (z. B. 5 V oder 7,5 V oder 9 V oder 12 V) für das jeweilige Endgerät einstellen lässt.

Abbildung 2.53: Ein PoE-Auskoppler der Firma Allnet, der auch als PoE-Splitter bezeichnet wird.

Der RJ45-Anschluss ist traditionell nicht dafür vorgesehen, dass hiermit auch eine Betriebsspannung geführt wird, wie es im Gegensatz dazu bei USB oder auch Firewire (IEEE 1394) der Fall ist. Bei diesen Anschlüssen hat man dem Umstand Rechnung getragen, dass die Spannungsversorgung beim Anschließen zuerst und beim Abziehen zuletzt getrennt werden muss, und dort längere Kontakte - gegenüber den Kontakten für die Datensignale - eingebaut.

Dies kann beim RJ45-Anschluss jedoch nicht praktiziert werden, was bedeutet, dass man das Netzwerkendgerät vor dem Trennen von einer PoE-Verbindung zunächst spannungsfrei schalten müsste. In der Praxis unterbleibt dies oftmals, oder es ist vielleicht vom Gerät her auch gar nicht möglich, sodass das Netzwerkkabel einfach aus dem Gerät herausgezogen wird, ihm also im laufenden Betrieb die Betriebsspannung weggenommen wird.

Exkurs

Vor dem Trennen einer PoE-Einheit vom Netzwerk sollte es nach Möglichkeit spannungsfrei geschaltet werden, weil andernfalls die Kontakte des RJ45-Anschlusses einem verstärkten Verschleiß unterliegen.

Dies hat einen Lichtfunken zur Folge, was zu einem sukzessiven Abbrennen der RJ45-Kontakte führen kann und damit die Lebensdauer der Komponenten drastisch verkürzt. Im aktuellen IEEE-Standard wurde dieser Problematik noch nicht begegnet, so man sich dieser beim Einsatz von PoE-Einheiten auf jeden Fall bewusst sein sollte.

Kapitel 3

In diesem Kapitel geht es in erster Linie um grundlegende Dinge für die Netzwerkverkabelung und wie man im Fehlerfall die Anschlüsse und Verbindungen überprüfen kann. Die drei wichtigsten Kabeltypen für LANs sind zunächst die folgenden:

■ Koaxial-Kabel

■ Twisted Pair-Kabel

■ Lichtwellenleiter

3.1 Koaxialkabel

Das Koaxialkabel ist nicht nur in der LAN-, sondern auch in der Hochfrequenz- (HF) und Antennentechnik ein häufig verwendetes Medium. Dabei werden im Wesentlichen drei Typen unterschieden:

■ 50-Ohm-Koaxialkabel nach dem IEEE 802.3-Standard (CSMA/CD) für 10Base2-(RG58) und 10 Base5-Verbindungen.

■ 75-Ohm-Koaxialkabel nach dem IEEE 802.7-Standard für Breitbandnetze.

■ 93-Ohm-Koaxialkabel (RG 62) für IBM-Terminal-Verbindungen.

Für LANs ist im Grunde genommen lediglich das Koaxialkabel mit einer Impedanz von 50 Ohm (+/- 2 Ohm) von Bedeutung, das es in einer unterschiedlichen Ausführung für 10Base5 und für 10Base2 gibt. Das ursprüngliche LAN-Koaxialkabel laut 10Base5 hat eine ungefähre Dicke von 10 mm und wird in gelber Farbe geliefert, woher auch seine übliche Bezeichnung (Yellow Cable) stammt.

Mit einer Signalfrequenz von 10 MHz über eine Länge von 500 m betrieben, darf es eine Dämpfung von maximal 8,5 dB aufweisen. Das Gleiche gilt für das dünnere Koaxialkabel (RG58, ca. 5 mm Dicke), allerdings sind dann als maximale Länge nur noch 185 m zulässig. Hieraus resultiert also letztendlich die maximale Länge eines Ethernet-Segments. Koaxialkabel für Netzwerkverbindungen gibt es im Computer- und Elektronikfachhandel - je nach Länge - ab ca. 2,50 €. Wo die Längen der fertig konfektionierten Koaxialkabel bei einer Installation ausreichen, sollte nicht versucht werden, die Verbindungsleitungen selbst herzustellen, also Kabel und Stecker einzeln zu erwerben und die Stecker selbst anzulöten oder auch aufzuquetschen (crimpen). Das erscheint zunächst zwar preiswerter, ist jedoch oftmals für Netzwerkfehler verantwortlich.

Abbildung 3.1: Oben ein fertig gekauftes Koaxialkabel mit aufgequetschter Verbindung und unten ein selbst angefertigtes, das nach mehrmaligem Stecken aufgrund einer mangelhaften Konfektionierung aus dem Stecker rutscht und keine elektrische Verbindung mehr herstellen kann.

Das bei 10Base2, der üblichen Installationsart (Cheapernet), zu verwendende Koaxialkabel wird einfach von PC zu PC geführt, mittels T-Stücken zu einem Bus verbunden und an den beiden Enden jeweils mit einem Terminierungswiderstand (50 ü) abgeschlossen. Das Koaxialkabel ist dabei vom Typ RG58 und besteht aus einem Innenleiter, der das Datensignal führt, und dem Außenleiter, einer Abschirmung, die sich auf Massepotenzial befindet. Aufgrund der Tatsache, dass die Abschirmung als Geflecht das Datensignal nach außen hin schützt (abschirmt), ist die Störanfälligkeit dieser Verbindung relativ gering.

Innerer Kupferleiter

Abbildung 3.2: Der Aufbau des Koaxialkabels

Isolierung

Der Nachteil von 10Base2 und auch 10Base5 per AUI-Anschluss mit externem Transceiver ist zweifellos der, dass es bei einer Verkabelung mit Koaxialkabel keine Möglichkeit gibt, hiermit im Bedarfsfall eine Steigerung der Datenübertragungsrate auf 100 MBit/s (Fast Ethernet) oder höher vornehmen zu können, denn dies ist nur mithilfe von Twisted Pair-Kabeln möglich. Aus diesem Grunde werden Koaxialkabel für Computernetzwerke selten neu verlegt, zumal es auch keine passenden Komponenten wie Netzwerkkarten oder passende Hubs mehr zu kaufen gibt.

Exkurs

Mit dem dünnen Koaxialkabel (Cheapernet) darf die maximale Netzwerksegmentlänge 185 m nicht überschreiten. Es sind maximal 30 Stationen möglich, zwischen denen ein Mindestabstand von 0,5 m Kabel notwendig ist, und es sind nicht mehr als vier Repeater zulässig.

3.1.1 Überprüfen von Koax-Verbindungen

Wenn sich ein PC in einem Netzwerk nicht ansprechen lassen will, sollte nach der Kontrolle der Einstellungen die Aufmerksamkeit auf die korrekte Verkabelung gerichtet werden. Die Überprüfung eines Netzwerk(-segment)s mit Koaxialkabel (Cheapernet) lässt sich relativ einfach mit einem üblichen Multimeter im Widerstandsmessbereich durchführen.

Zuerst zieht man die T-Stücke (mit den Kabeln) bei allen an diesem Segment angeschlossenen PCs ab und an einem Ende auch den einen Widerstand, woraufhin sich von der anderen Seite des Segments her mit dem Messgerät ungefähr 50 Ohm messen lassen sollten, eben der Wert des Abschlusswiderstandes. Ein besonderes Augenmerk ist dabei stets dem Signalkontakt in der Mitte des BNC-Steckers (BNC: Bayonet Neill Concelman) zu widmen, da dieser durch mechanische Beschädigung oder auch nachlässige Konfektionierung häufig zu weit hinten liegt, wodurch kein Kontakt gegeben ist.

Abbildung 3.3: Der Kontaktstift in der Mitte des BNC-Steckers liegt zu weit hinten, was für Kontaktprobleme verantwortlich ist.

Danach wird der Abschlusswiderstand abgezogen, woraufhin der Wert unendlich angezeigt werden sollte, da es jetzt keinerlei Verbindung zwischen der Signal- und der Masseleitung geben kann und darf. Wenn dieser einfache Test nicht diese beiden Ergebnisse liefert, stimmt mit der Verkabelung etwas nicht, d.h., es sind nunmehr alle Anschlüsse sowie auch die Kabel auf ihre Unversehrtheit hin zu überprüfen.

Für die weitere Fehlereingrenzung geht man am besten Schritt für Schritt vor, d.h., man wiederholt diese Messung, indem das Segment verkürzt wird. Dazu wird der Abschlusswiderstand auf das T-Stück des benachbarten PC gesteckt, gemessen, abgezogen, wieder gemessen, dann das nächste Teilstück hinzugenommen usw., bis man die schadhafte Stelle ermittelt hat. Bei diesem »Durchgangstest« ist es wichtig, dass die T-Stücke nicht an den PCs angeschlossen sind, weil man sonst in die Netzwerkkarten hinein misst, was keinerlei Aufschluss bietet.

Abbildung 3.4: So sollte es nicht aussehen: Der Stecker ist nachlässig konfektioniert, und es existiert ein Kurzschluss zwischen dem Massegeflecht und dem Signalkontakt.

3.2 Twisted Pair-Kabel

Ursprünglich wurde Twisted Pair-Kabel im Fernmeldebereich verwendet. In den 80er-Jahren wurde es dann zunehmend für die LAN-Verkabelung eingesetzt und den steigenden Anforderungen entsprechend laufend technisch verbessert, was zu immer höheren Übertragungsraten geführt hat.

3.2.1 Spezifikationen

Für die Klassifizierung von verdrillten Leitungen (Twisted Pair) sind erstmalig im Jahr 1994 von den amerikanischen Normungsinstituten EIA/TIA insgesamt sieben maßgebliche Kategorien definiert worden, für die teilweise noch einige Unterkategorien existieren.

Kategorie

Bedeutung/Daten

1

Leistung eines konventionellen Telefonkabels mit einer maximalen Datenrate von 1 MBit/s. Wird nicht für Datenübertragungen verwendet.

2

Kabel als Ersatz/Nachfolger des Kategorie-1-Kabels. Datenraten von bis zu 4 MBit/s sind über mittlere Entfernungen möglich. Wird für ISDN eingesetzt.

3

Nicht abgeschirmte Kabel für Datenraten von bis zu 10 MBit/s bei einer Kabellänge von bis zu 100 m. Insbesondere für Telefonanlagen in den USA sowie für 100BaseT4 und Token Ring. Ist für maximal 16 MHz spezifiziert.

Kategorie

Bedeutung/Daten

4

UTP/STP-Kabel (20 MHz) für größere Entfernungen als mit Kategorie-3-Kabel bei einer Datenrate von maximal 20 MBit/s. Dieser Typ ist nur in den USA gebräuchlich.

5

Kabel für einen erweiterten Frequenzbereich (100 MHz). Gilt als Standardkabel und wird beispielsweise für CDDI und Fast-Ethernet verwendet. Cat5e liegt eine genauere Spezifikation (EIA/TIA-568B) zugrunde, und es kommt insbesondere für längere 100BaseT-Strecken in Deutschland sowie für 1000BaseT zum Einsatz.

6

Frequenzbereich bis 250 MHz, wird durch EN 50288 definiert und für ATMNetze empfohlen. Leitungsfähigere Varianten sind Cat6a bis 625 MHz und Cat6e bis 500 MHz, die 10GBaseT ermöglichen.

7

Frequenzbereich bis 600 MHz. Geringeres Nebensprechen und geringere Dämpfung als Kategorie-6-Kabel mit vier einzelnen, abgeschirmten Aderpaaren plus Gesamtschirm.

Tabelle 3.1: Die verschiedenen Kategorien für Twisted Pair-Kabel

In der Tabelle 3.1 sind die wichtigsten Daten für die TP-Kabel-Standards angegeben, die für Deutschland und Europa nur bedingt als verbindlich - im Sinne von zugesicherten Eigenschaften, die etwa eine Installationsfirma garantieren kann - anerkannt sind.

Stattdessen sind verschiedene Link-Klassen (Tabelle 3.2), etwa in DIN EN 50173 und in ISO/IEC 11801, spezifiziert worden, die nicht nur das Kabel selbst, sondern auch die Verbindung einschließlich der Anschlussdose verbindlich spezifizieren und somit das Gesamtsystem mit genauen Übertragungseigenschaften (Klasse A-G) beschreiben.

Link-Klasse

max. Frequenz

Anwendungen

A

100 kHz

Telefon, ISDN

B

1 MHz

ISDN

C

16 MHz

10BaseT, Token Ring

D

100 MHz

100BaseTX

E

250 MHz

1000BaseT

F

600 MHz

10GBaseT

G

1 GHz

10GBaseT

Tabelle 3.2: Die in Europa gültigen Link-Klassen für TP-Kabel

Die Twisted Pair-Kabel sind für Ethernet standardisiert und können teilweise auch für andere Implementierungen (Token Ring, 100VGAnyLAN) verwendet werden, wobei insbesondere das Twisted Pair-Kabel der Kategorie 5 (Cat 5) universell einsetzbar und demnach sehr verbreitet ist. Hierfür ist ein Western-Stecker gemäß RJ45 als Standard anzusehen. Je nach LAN-Typ werden nur vier (z. B. Fast-Ethernet) oder auch alle acht Adern eines Cat5-Kabels (Gigabit-Ethernet) verwendet, wie es im vorherigen Kapitel bei den Ethernet-Standards näher erläutert ist. Die mit zwei Steckern fertig konfektionierten Netzwerkkabel werden üblicherweise als Patch-Kabel bezeichnet, mit denen man bei üblichen Hausinstallationen meist auskommt und die in bestimmten Standardlängen (0,5 m bis 30 m) angeboten werden.

Die sogenannten Verlegekabel sind demgegenüber für längere Strecken vorgesehen. Sie werden durch Wände und Decken und auch in Kabelkanälen verlegt und auf Kabelrollen mit 100 m Länge und mehr angeboten. Für den Anschluss sind entsprechende Dosen (in den einzelnen Räumen) zu setzen, und auf der anderen Seite, zum Switch oder Server hin, erfolgt die Verdrahtung in sogenannten Patch Panels. Demnach sind für diese Verbindungsart ebenfalls keine RJ45-Stecker zu »crimpen«.

Twisted Pair-Kabel gemäß den Kategorien 6 und 7 sind für 10GBaseT-Implementierun-gen einsetzbar, sodass es sich aus Gründen der Zukunftssicherheit empfiehlt, diese statt Kategorie 5-Kabel neu zu verlegen, auch wenn das Kabel momentan noch nicht ausgenutzt werden sollte. Natürlich sind die leistungsfähigeren Kabel auch teurer. Man kann feststellen, dass sich die Kosten von CAT5- über CAT6- bis hin zu CAT6a/CAT7 jedes Mal ungefähr verdoppeln, was grob gerechnet auch für die dazugehörigen Anschlussdosen gilt.

3.2.2 Steckverbindungen

Als Anschlussstecker kommt für Twisted Pair-Kabel meist ein Western-Stecker zum Einsatz, wobei es unterschiedliche Typen gibt, die sich sowohl in mechanischer als auch in elektrischer Hinsicht - in der Verwendung der einzelnen Adern - voreinander unterscheiden. In der Abbildung 3.5 sind die in Europa wichtigsten Western-Stecker mit ihren gebräuchlichsten Anwendungszwecken zu sehen.

Abbildung 3.5: Drei unterschiedliche Verbindungen mit Western-Steckern und TP-Kabeln. Links ein Kabel für den Modemanschluss mit RJ11-Stecker, in der Mitte ein ISDN-Kabel mit RJ45-Stecker, und das dickste Kabel (rechts) ist ein LAN-Kabel Cat5, ebenfalls mit RJ45-Stecker.

Das Format der Western-Steckverbindung ist zwar international genormt, nicht jedoch die Kontaktbelegung. Falls aus dem Kabelaufdruck oder der Beschreibung nicht hervorgeht, um welchen TP-Kabeltyp und welchen Einsatzzweck es sich handelt, sollte man Vorsicht walten lassen, denn auch falls der Stecker passen sollte, können Signale im Kabel »gebrückt« oder »verdreht« sein, sodass die Steckerbelegung eben nicht 1:1 ist und es zu elektrischen Beschädigungen der damit verbundenen Geräte kommen kann.

Insbesondere sehr kostengünstige Restbestände unbekannter Herkunft aus dem Elektronik-Versandhandel können hier für unangenehme Überraschungen sorgen, auch wenn sie als TP-Netzwerkkabel bezeichnet werden. Insbesondere Kabel mit RJ11-Stecker gibt es in zahlreichen unterschiedlichen Belegungen für viele verschiedene Geräte, was letztendlich geräte- und /oder herstellerabhängig ist.

Außerdem ist es wichtig, dass das Differenzsignal (siehe folgendes Kapitel) stets auf einem Aderpaar liegt, damit sichergestellt werden kann, dass sich äußere Störungen auf das Kabel kompensieren können. Wie die Aderpaarzuordnung tatsächlich realisiert ist, kann aber nicht ohne Weiteres, etwa mit einem Multimeter im Widerstandsmessbereich oder einem einfachen Kabeltester, festgestellt werden. Hiermit ist nur ein Signaldurchgang detektierbar, der aber auch bei einer falschen Aderpaarzuordnung vorliegt.

Paar Paar Paar

Paa

/

2 3 4

5 6 7 8

h_^

Abbildung 3.6: Die Zuordnung der Leitungspaare am RJ45-Anschluss

Letztendlich wird die Aderpaarzuordnung durch die jeweilige Adapterschaltung wie etwa eine Netzwerkkarte bestimmt, die entsprechend ausgeführte Übertrager einsetzt. Diese Zuordnung darf dann natürlich nicht durch ein falsch verdrahtetes Netzwerkkabel aufgehoben werden, was immer wieder bei selbst angefertigten Twisted Pair-Kabeln passiert.

Exkurs

Die Verbindungen am Western-Stecker werden häufig falsch hergestellt, indem die korrekte Zuordnung der Leitungspaare nicht beachtet wird, was sich insbesondere bei verhältnismäßig hohen Übertragungsraten und Distanzen als Netzwerkfehler äußert.

Bei einem Ethernet-Anschluss müssen zwei Aderpaare verbunden werden, die eben nicht nebeneinander liegen, wie es in der Abbildung 3.6 zu erkennen ist. Eine Verdrehung der Paarzuordnung hat bei Ethernet u. U. fatale Folgen. Es kommt dann zu langsamen Netzwerkverbindungen oder der Datenstrom reißt ab, was mit Fehlermeldungen einhergeht, die keineswegs auf ein fehlerhaftes Kabel hinweisen.

Beim Einstecken eines RJ45-Steckers ist darauf zu achten, dass der Plastikhebel (Retention Clip) des Steckers an der Buchse einrastet, denn nur so ist eine stabile Verbindung möglich. Für das Herausziehen eines Western-Steckers aus einer Buchse ist demnach der Plastikhebel (mit dem Daumen) herunterzudrücken, damit der Stecker wieder freigegeben wird.

Aus Unkenntnis über die Existenz dieser Stecksicherung am Western-Stecker wird immer wieder versucht, den Stecker mit einem hohen Kraftaufwand aus der Buchse zu ziehen, wobei mechanische Beschädigungen wie das Abbrechen des Plastikhebels die Folge sein können. Anschlusskabel mit abgebrochenem Plastikhebel sollten keinesfalls mehr verwendet werden, weil der Stecker durch geringe mechanische Beanspruchung aus der Buchse herausrutscht, wodurch dann gar keine oder nur eine sporadische elektrische Verbindung gegeben ist.

Der RJ45-Stecker (IEC 60603-7) hat für alle üblichen Ethernet-Realisierungen die gleichen mechanischen Abmessungen, was demnach auch für Gigabit-Ethernet gilt. Für Kabel ab der Kategorie 6 und somit bereits für 10GBaseT wird als RJ45-Verbinder eine geschirmte Ausführung (IEC 60603-7-5) empfohlen, bei der die Verdrillung der Aderpaare so weit wie möglich erhalten bleibt. Äußerlich ist dabei jedoch keine Veränderung gegenüber dem bisherigen RJ45-Stecker erkennbar.

Abbildung 3.7: Die GG45-Buchse ist für Cat7-Kabel spezifiziert.

Für Kabel der Kategorie 7 ist ein neuer Steckverbinder definiert worden: GG45 der Firma Nexan. Er ist rückwärtskompatibel zu Cat6- und Cat5-Verbindungen, und der RJ45-Steckverbinder ist um vier neue Kontakte erweitert worden, die durch einen mechanischen Schaltmechanismus in der Buchse aktiviert werden.

3.2.3 Kabelaufbau und Spezifikationen

Die Einzeladern, wovon maximal acht in einem LAN-TP-Kabel möglich sind, werden jeweils zu einem Paar verdrillt (Abbildung 3.8) und sind als isolierte Kupferleiter ausgeführt. Die Impedanz (Wellenwiderstand) beträgt typischerweise 100 Ohm +/-15%, wobei bei einigen zumeist älteren Kabeltypen (z. B. Cat3) der Wellenwiderstand 120 oder 150 Ohm beträgt.

Abbildung 3.8: In einem Twisted Pair-Kabel sind maximal vier miteinander verdrillte Kabelpaare vorhanden.

Bei Patch-Kabeln sind die Leitungen als Litze mit einem typischen Durchmesser von 0,40,5 mm ausgeführt und bei Kabeln für die feste Verlegung als Draht mit einem Durchmesser von jeweils 0,5-0,65 mm.

Die Stärke des Kupferleiters wird oftmals als American Wire Gauge (AWG) angegeben; dabei ist die Drahtdicke bei einem höheren AWG geringer. Die typischen TP-Verlegeka-bel der Kategorien Cat5-Cat7 werden als AWG24 spezifiziert, während AWG22-AWG27 im LAN-Bereich gebräuchlich sind.

Dämpfung und Inhomogenitäten

Die Dämpfung (in dB) bewirkt eine Reduzierung der Signalamplitude in Abhängigkeit von der jeweiligen Leitungslänge. Die korrekte Erkennung einer Signalamplitude, die im schlimmsten Fall im Rauschen untergehen kann, wird durch ein vorgegebenes SignalRausch-Verhältnis (Signal to Noise Ratio, SNR) spezifiziert. Wie die anderen wichtigen Parameter auch, wird diese Größe in dB (Dezibel) angegeben.

Standard

Kabel

<. Länge

1GBase2

Koax, RG5B

B,5 dB

1B5

m

1GBase5

Koax, Yellow Cable

B,5 dB

5GG

m

1GBaseT

TP, Cat3

13,1 dB

1GG

m

1GGBaseTX

TP, Cat5

1G,l dB

1GG

m

1GGGBaseTX

TP, Cat5

22 dB

1GG

m

Tabelle 3.3: Eckdaten von Kupferkabeln für Netzwerke

Auf Twisted Pair-Kabeln findet eine differentielle Datenübertragung (symmetrisch) statt, es gibt daher mindestens zwei Sendeleitungen (TXD+, TXD-) und auch zwei Empfangsleitungen (RXD+, RXD-). Die Datensignale werden hier nicht wie bei einer Koaxialleitung auf die Masse bezogen, sondern das Nutzsignal liegt zwischen TXD- und TXD+, was dementsprechend auch für das Empfangssignal auf den RXD-Leitungen gilt. Dadurch werden Störsignale weitgehend unterdrückt, denn ein äußeres Störsignal wirkt sich auf die beiden komplementären Signaladern aus und das hieraus resultierende Differenzsignal wird idealerweise wieder zu Null.

Voraussetzung ist hierfür, dass die Leitungen eines Aderpaares exakt gleich lang und zudem absolut homogen miteinander verdrillt sind. Fatal ist es, wenn die Paarzuordnung nicht korrekt ist, wie es im vorherigen Kapitel erörtert ist. Selbst wenn ein TP-Kabel die genannten Bedingungen prinzipiell erfüllt, kann es bei der Verlegung des Kabels und den Anschlüssen (wieder) zu Inhomogenitäten kommen, weil das Kabel zu stark gequetscht wird oder die Anschlussdosen nicht optimal konfektioniert worden sind. Dies kann zur Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften führen, was dann insbesondere bei Gigabit-Ethernet gravierende Auswirkungen hat: keine LAN-Verbindung.

Abbildung 3.9: Diese verlegten TP-Kabel sind zu stark geknickt und beschädigt, als dass man mit ihnen noch zuverlässige Verbindungen erhalten könnte.

Bandbreite

Ein häufiges - eher grobes - Unterscheidungsmerkmal bei den verschiedenen Kategorien für TP-Kabel ist die Bandbreite. Laut den zugrunde gelegten Kabel-Standards wird nicht direkt auf eine bestimmte Netzwerk-Implementierung Bezug genommen, sondern es stellt sich gewissermaßen erst durch die Art der zu übertragenden Daten heraus, welches Medium geeignet ist und welches nicht. Dabei geht man von einem typischen Datenaufbau, -volumen und Transferverhalten aus und schlägt noch eine Sicherheitsreserve dazu, was dann zu den für diese oder jene Netzwerk-Implementierung empfohlenen Kabeltypen mit entsprechender Bandbreite (Tabelle 3.4) führt.

Übersprechen - Crosstalk

Zu den genaueren Spezifizierungsdaten gehört das Übersprechen (Cross Talk), was beim TP-Kabel bedeutet, dass sich die Signale der Adernpaare durch induktive und kapazitive Kopplungen der Leitungen im Kabel gegenseitig stören können.

Das Near End Crosstalk (NEXT, Nahnebensprechen) ist ein derartiger unerwünschter Effekt, der die elektrische Beeinflussung von einem Leitungspaar zum anderen beschreibt und von der Frequenz abhängig ist. Je höher der NEXT-Wert, desto besser sind die Leitungspaare gegeneinander abgeschirmt, so dass sich die Signale möglichst nicht gegenseitig stören können. Insbesondere bei Gigabit-Ethernet mit TP-Kabel, wo die gleichzeitige Verwendung aller vier Leitungspaare im Gleichtakt praktiziert wird, kann dieser Effekt, der sich nur durch ausgeklügelte Kodierungen (Trellis) vermeiden lässt, stark zum Tragen kommen.

Exkurs

Mit dem Cat5-Kabel sind für alle Ethernet-Standards bis hin zu 1000BaseT maximale Segmentlängen von 100 m möglich, wobei man von 90 m fest verlegtem Kabel und 10 m Patch-Kabel (von der Anschlussdose zum Gerät) ausgeht.

In der Tabelle 3.4 sind Werte für die zulässige Dämpfung und für den NEXT-Wert bei den verschiedenen Kabelkategorien nach DIN EN 50173 und nach DIN 44312-5 angegeben, die sich jeweils auf das reine Datenkabel beziehen, also nicht die eigentliche Steckverbindung (Stecker/Buchse) beinhalten. Die Kabel der Kategorien 6 und 7 sind in ISO 11801 spezifiziert.

Kategorie

Frequenz

Dämpfung

NEXT

3

4 MHz

5, 6 dB

32 dB

10 MHz

9,9 dB

26 dB

16 MHz

13 dB

23 dB

4

10 MHz

7,2 dB

41 dB

16 MHz

8,9 dB

38 dB

20 MHz

10,2 dB

36 dB

Kategorie

Frequenz

Dämpfung

NEXT

5

16 MHz

8,2 dB

44 dB

20 MHz

9,2 dB

42 dB

100 MHz

22 dB

32 dB

6

20 MHz

8,9 dB

57 dB

100 MHz

21 dB

48 dB

200 MHz

23 dB

45 dB

7

100 MHz

19 dB

71 dB

200 MHz

25 dB

67 dB

600 MHz

50 dB

60 dB

Tabelle 3.4: Charakteristische Werte bei verschiedenen Kabelkategorien in dB/100 m

Der Parameter für das Nahnebensprechen wird mitunter auch mit NEXT-a umschrieben, wobei das »a« für die Dämpfung steht (Attenuation). Näherungsweise kann man

S/N (dB) = NEXT (dB) - a (dB)

setzen. Das Signal-Rausch-Verhältnis (S/R) entspricht demnach ungefähr dem Wert für das Nahnebensprechen minus der Dämpfung, womit man die wichtigsten Parameter im Zusammenhang hat. NEXT-a wird auch als Attenuation to Crosstalk Ratio (ACR) bezeichnet und beschreibt genau genommen eben nicht nur das Kabel allein, sondern die Beschaffenheit einer gesamten Übertragungsstrecke.

Das Fernnebensprechen ist die ungewollte Übertragung von Energie auf benachbarte Adern am Ende des Leitungswegs, was als Far End Crosstalk (FEXT) spezifiziert wird. Die Leitungslänge hat hierauf einen maßgeblichen Einfluss, und deshalb wird am Leitungsende gemessen, wie stark ein Sendesignal auf dem Aderpaar 1 die anderen drei beeinflusst. Die relative Größe, die das Verhältnis von NEXT zum (gedämpften) Nutzsignal beschreibt, wird als ELFEXT ausgewiesen.

Für die Beeinflussung zwischen den Aderpaaren einer Strecke ist ein Wert definiert worden, der als Powersum der Summe aus NEXT, FEXT und ELFEXT entspricht.

Bei der Datenübertragung über das Netzwerkkabel wird ein kleiner Teil des Nutzsignals als Echo reflektiert, was als Return Loss bezeichnet wird. Der Wert in dB gibt somit einen Wert für den Anteil der reflektierten und somit verlorenen Signalenergie an. Reflexionen treten insbesondere an Störstellen (Knick) und an Steckverbindern auf.

Mit 10GBaseT ist noch ein weiteres Kriterium hinzugekommen, und zwar Alien Crosstalk (AXTLK), was als Fremdnebensprechen verstanden wird. Hiermit wird der Kopplungseffekt ausgewiesen, der sich zwischen Twisted Pair-Kabeln auswirkt, wenn die Kabel gebündelt werden.

3.2.4 Schirmung

Ein Twisted Pair-Kabel besteht - wie erläutert - aus mehreren, miteinander verdrillten Leitungen. Diese Kabel sind in unabgeschirmter (UTP, Unshielded Twisted Pair) und in abgeschirmter (STP, Shielded Twisted Pair) Ausführung erhältlich. UTP-Kabel werden in Deutschland selten verwendet, obwohl weltweit über 90% aller LANs damit arbeiten.

Stattdessen wird hier vorwiegend ein STP-Kabel verwendet, das unempfindlicher gegen Störungen ist, weil ein Metallmantel in das Kabel eingearbeitet ist. Er wirkt einerseits gegen äußere Störungen als Abschirmung, andererseits begrenzt er aber auch das vom Kabel ausgehende elektrische Feld und somit die Abstrahlung des Kabels.

Abbildung 3.10: Der Aufbau der verschiedenen Twisted Pair-Kabel

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die jeweilige Art der Abschirmung. STP-Kabel gibt es mit einer gemeinsamen Abschirmung (S-UTP), die als Mantel (Geflecht, Metallfolie) um alle Leitungen geführt ist, und in einer Auslegung, bei der jedes Aderpaar einzeln (STP) abgeschirmt ist. Außerdem ist noch eine Variante mit der Bezeichnung S-STP erhältlich, bei der die Adern einzeln abgeschirmt sind und zusätzlich eine Gesamtabschirmung um alle Leitungen herum realisiert wird. Dieses gilt als das störungssicherste Netzwerkkabel und wird beispielsweise für 10GBaseT verwendet.

Die Begriffe UTP, STP, S-UTP sowie S-STP sind allerdings nicht genormt, sodass nicht selten auch andere Bezeichnungen für diese vier grundlegenden Kabeltypen verwendet werden. Bei einem FTP-Kabel (Foiled Twisted Pair) handelt es sich beispielsweise um ein STP-Kabel, bei dem die Aderpaare von einer Metallfolie umgeben sind.

Zur deutlichen Unterscheidung wird die Gesamtschirmung üblicherweise mit Screened und die Aderschirmung mit Shielded ausgewiesen, wie es auch der Tabelle 3.5 zu entnehmen ist.

Typ

Gesamtschirmung

Aderschirmung

U-UTP

Unscreened

Unshielded

S-UTP

Screened

Unshielded

U-STP

Unscreened

Shielded

S-STP

Screened

Shielded

FTP

Unscreened

Shielded

Tabelle 3.5: Varianten des Twisted Pair-Kabels mit unterschiedlicher Abschirmung

Ältere Spezifikationen der verschiedenen TP-Kabeltypen sind nicht selten unklar oder sogar widersprüchlich, und dem wird in der Norm ISO/IEC 11801 E aus dem Jahre 2002 mit einem einheitlichen Bezeichnungsschema in der Form xx/yzz begegnet:

■ xx steht für die Gesamtschirmung:

U = ungeschirmt, F = foliengeschirmt, S = Geflechtschirm, SF = Geflecht + Folienschir-mung

■ y steht für die Aderpaarschirmung

U = ungeschirmt, F = foliengeschirmt, S = Geflechtschirm

■ zz steht für Twisted Pair

3.2.5 Kabelverlegung

Generell sind auch die Masseverhältnisse bei einer LAN-Verbindung von Bedeutung. Beim Koaxialkabel wird daher an einem Ende des Segments mit einer Kette eine Erdung vorgenommen. Eine extra Erdungsmöglichkeit gibt es beim TP-Kabel nicht, doch bei Switches und anderen Netzwerkeinheiten, die an das Stromnetz angeschlossen sind, findet möglicherweise eine Erdung statt, was letztendlich vom Geräteaufbau abhängig ist. Bei einem Metallgehäuse mit internem Netzteil kann man in der Regel davon ausgehen, dass dem so ist; bei Geräten im Plastikgehäuse oder mit externem Steckernetzteil ist dies hingegen nicht der Fall.

Obwohl in den Einheiten Übertrager zum Einsatz kommen, die eine galvanische Trennung zwischen der LAN-Elektronik auf der Netzwerkkarte oder auch im Switch zum LAN-Segment hin vornehmen, können sich ungeordnete Masseverhältnisse ergeben, und zwar durch die Verwendung unterschiedlich aufgebauter TP-Kabel, also etwa die Kombination von STP, S-UTP oder auch S-STP.

Abbildung 3.11: Verschiedene TP-Kabel mit gemeinsamer und einzelner Abschirmung

Problemen, die aus einer derartigen Installation resultieren, auf den Grund zu kommen, ist nicht trivial und bleibt letztendlich dem professionellen LAN-Techniker mit seinen speziellen Messgeräten vorbehalten. Daher kann man nur empfehlen, möglichst einheitliche TP-Kabel zu verwenden. Eine Mischung etwa von S-STP mit S-UTP führt zudem zu einer erhöhten Störanfälligkeit. Dann wäre es besser, wenn ausschließlich S-UTP zum Einsatz käme. Weil nachträgliche Änderungen an einer LAN-Verkabelung oftmals nicht mehr ohne Weiteres möglich sind, sollte auf jeden Fall versucht werden, einzelne Segmente mit einheitlichen TP-Kabeln aufzubauen, was mindestens die Strecke vom PC bis hin zum Switch-Port bedeutet, besser natürlich noch den ersten Switch mit den weiteren Ports einbezieht.

Exkurs

Die Selbstanfertigung von Twisted Pair-Verbindungen mit Crimp-Zange und einzelnen RJ45-Steckern ist keine empfehlenswerte Methode für den Aufbau eines aktuellen LANs. Stattdessen sollten Patch-Kabel von Markenherstellern eingesetzt werden. Feste Gebäudeinstallationen überlässt man dem Fachmann, der auch entsprechende Messprotokolle über die verlegten Strecken anfertigen kann.

Nach Möglichkeit ist von einer Selbstanfertigung von TP-Verbindungen abzusehen, denn aus den obigen Erläuterungen sollte ersichtlich sein, dass eine Reihe von Faktoren eine LAN-Verbindung negativ beeinflusst, auch wenn man dem RJ45-Stecker und dem Kabel die jeweilige Bedeutung nicht ansieht.

Abbildung 3.12: Bei TP-Kabel lohnt es sich, Markenware einzusetzen.

Patch-Kabel, die typischerweise die Verbindung zwischen einem PC und einem Switch herstellen, gibt es in handelsüblichen Längen (0,5-30 m) mit entsprechender Kennzeichnung (Cat5e, Cat6a) und auch in unterschiedlichen Farben, die die Orientierung in dem mitunter existierenden Kabelwust erleichtern.

Den als besonders preisgünstig erscheinenden Sonderangeboten für fertig konfektionierte TP-Kabel kann man von außen kaum ansehen, wie es mit der Qualität bestellt ist und ob es hiermit nicht spätestens mit Gigabit-Ethernet Probleme geben wird. Stattdessen sollte ein Produkt von einem Markenhersteller bevorzugt werden, der auch die relevanten Kabelparameter veröffentlicht bzw. explizit die Eignung für die jeweils zu realisierende LAN-Verbindung garantiert.

In der Vergangenheit war man mit Cat5-Kabel (S-UTP) auf der sicheren, d. h. der zukunftssicheren Seite, was für 10GBaseT jedoch nicht mehr gilt, sodass bei Neuverlegungen möglicherweise das gegenüber Cat5e ca. dreimal so teure Cat7-Kabel für die Gebäudeinstallation notwendig wird. Für Rauminstallationen hingegen reicht weiterhin das Cat5-Kabel bis maximal Gigabit-Ethernet aus, denn zum jetzigen Zeitpunkt ist es eher unwahrscheinlich, dass 10GBaseT direkt bis an einzelne PCs geführt werden wird.

Abbildung 3.13: Patch-Kabel der Kategorie 7

Bei kleineren LAN-Installationen ist eine Verlegung von »losen« Patch-Kabeln, die es bis hin zu 30 m Länge gibt, die beste Methode, was man auch leicht selbst ausführen kann. Wo es möglich ist, können bereits vorhandene Kabelschächte und Mauerdurchbrüche für die Netzwerkkabel genutzt werden. Ein Signalübersprechen ist dabei unwahrscheinlich, weil mit einem Kabel jeweils nur eine einzige LAN-Verbindung realisiert und nicht mehrere Verbindungen in einem Kabel geführt werden, wie es bei Kabeln für die feste Verlegung meist der Fall ist. Dennoch sollten LAN-Kabel sicherheitshalber nicht mit anderen Elektrokabeln (per Kabelbinder) gebündelt werden.

Bei Mauerdurchbohrungen für LAN-Kabel ist der RJ45-Stecker (mit dem Plastikhebel) mitunter ein Hindernis, weil das Loch 1,5 bis 2 cm groß sein muss, damit der Stecker hindurchpasst. Ihn abzuschneiden, um dann nach dem Durchstecken des LAN-Kabels den Stecker per Crimp-Zange wieder aufzuquetschen, ist jedoch keine sinnvolle Alternative.

Abbildung 3.14: Slimwire-Kabel sind sehr flach und lassen sich auch an kritischen Stellen recht unauffällig verlegen.

Um LAN-Kabel unauffällig unter Fußleisten, Teppichen und Türen führen zu können, empfehlen sich sogenannte Slimwire-Patch-Kabel, die zwar vier bis fünfmal so teuer wie gewöhnliche Cat5-Kabel, dafür aber sehr flach sind und auch mit Gigabit-Ethernet einwandfrei funktionieren.

Für Power Over Ethernet (PoE) sind diese Kabel allerdings nicht gedacht, und selbst übliche Cat5-Kabel können sich hierfür als nicht geeignet herausstellen, wenn sie einen relativ hohen Strom für die angeschlossenen Geräte übertragen müssen. Sie können dann recht warm werden, was eine geschlossene Verlegung in einem Kabelschacht zusammen mit anderen - gebündelten - Leitungen verbietet.

Exkurs

Für Power Over Ethernet sind zunächst die Vorgaben der Gerätehersteller von Bedeutung. Bei der Verkabelung muss außerdem der maximal zulässige Strom beachtet werden, sodass möglicherweise dickere LAN-Kabel eingesetzt werden müssen.

Gegebenenfalls ist ein Übergang auf dünne LWL-Verbindungen eine Möglichkeit für die Verlegung, zumindest für bestimmte Strecken (im Backbone), was man ebenfalls selbst durchführen kann, wenn man sich an die Standardlängen halten kann oder Polymer Optical Fiber (POF, Kapitel 2.7.2) verwendet, das sich beliebig zuschneiden lässt.

Die feste Verlegung von Twisted Pair-Kabeln für die Gebäudeinstallation ist demgegenüber eine Arbeit für den Fachbetrieb, wobei auch Elektriker und Firmen für die Antenneninstallation entsprechende LAN-Installationsarbeiten anbieten. Dabei sollte als Kunde unbedingt darauf geachtet werden, dass die Firma ein Messprotokoll entsprechend der gültigen Normen (ISO/IEC 11801 oder TIA/EIA 568 B.2) anfertigen kann. Damit ist die Netzwerkverkabelung eindeutig spezifiziert worden, und etwaige spätere Kommunikationsprobleme können nicht im LAN selbst begründet sein, solange die Spezifikationen auch von der Geräteseite her eingehalten werden.

Auch wenn immer wieder der Eindruck erweckt wird, dass die Verlegung von Netzwerkkabeln eine einfache Sache ist, die auch von einem Laien durchgeführt werden kann, ist dies bei festen Gebäudeinstallationen, wo möglicherweise sogar mehrere Gebäudekomplexe vernetzt werden müssen, keineswegs der Fall. Es reicht nicht aus, wenn bei der Elektroinstallation einfach ein paar mehradrige LAN-Kabel mit verlegt oder einige zusätzlich mit in Beton gegossen werden. Entsprechende Planungserfahrung, Kenntnisse über Installations- und auch Brandschutztechnik sowie natürlich über die neusten LAN-Verlegeverfahren sind hierfür absolut notwendig.

Abbildung 3.15: Verkabelte Patchpanels

Das Auflegen der Twisted Pair-Kabel, womit letztendlich der Arbeitsgang der Kabelverbindung in den Patchpanels und den LAN-Anschlussdosen gemeint ist, erfordert für Cat6-und insbesondere für Cat7-Installationen ein hohes Maß an Genauigkeit und Präzision bei der Arbeit.

Mit Patchpanels oder auch Patch-Feldern werden sogenannte Umsteckfelder in einem Metallgehäuse bezeichnet, die in der Regel keine Elektronik beinhalten, sondern nur dafür vorgesehen sind, einerseits (von hinten) die Stränge der meist vieladrigen, gebündelten TP-Kabel aufzunehmen und andererseits (von vorne) mehrere RJ45-Buchsen (typisch 8-48) für den Anschluss der LAN-Kabel zur Verfügung zu stellen.

Intern findet also die Aufsplitterung der einzelnen Kabelstränge in die Einzeladern statt. Jeder Anschlussdose - etwa in einzelnen Büros - ist auf dem Patchfeld eine eigene Steckverbindung zugeordnet. Die eingesetzten Patchpanels müssen dabei den Spezifikationen des jeweiligen Verkabelungsstandards entsprechen, weil sie unmittelbar die Übertragungseigenschaften des LANs beeinflussen.

Exkurs

Patchpanels sind Bestandteil einer festen (Gebäude-)Installation und müssen dem jeweiligen Verkabelungsstandard entsprechen, was gleichermaßen für die Ausführung der intern stattfindenden Verdrahtung gilt.

Das Verlegen, Abschneiden, Abisolieren und das Befestigen der Kabel bzw. der einzelnen Adern beinhaltet eine ganze Reihe von potenziellen Fehlerquellen, wie die mögliche Verletzung von maximal erlaubten Biegeradien (typ. das Achtfache des Kabelaußendurchmessers), die Nichteinhaltung der maximalen ungeschirmten Aderlänge, eine zu geringe Auflagefläche der Abschirmung, ein zu hoher Druck auf das Kabel und einiges mehr.

Abbildung 3.16: Eine LAN-Anschlussdose für Cat7-Kabel verfügt über ein Metallgehäuse.

Im Gegensatz zu früheren LAN-Installationen bleibt bei den aktuellen nur ein recht geringer Spielraum zwischen dem, was die Norm verschreibt und was Verkabelungen zu leisten vermögen, und dem, was notwendig ist, damit die Netzwerkeinheiten auch wie vorgesehen funktionieren. Selbst kleine Nachlässigkeiten bei der Verlegung können später zu hohen Reparaturkosten bzw. Nacharbeiten führen.

3.2.6 Überprüfen von TP-Verbindungen

Bei der Verwendung von Twisted Pair-Kabeln ist ein einfacher Test mit einem Multimeter im Ohm-Messbereich wie beim Koaxialkabel nicht ohne Weiteres möglich. Es ist jedoch relativ leicht, per Software zu ermitteln, wo das Problem liegt, indem die PCs einzeln »angepingt« werden, damit die schadhafte Verbindung oder Kopplungsstelle identifiziert werden kann.

Dabei hängt die Fehlersuche natürlich auch von der jeweiligen Topologie des Netzwerks ab, also davon, an welcher Stelle sich ein Verteiler (Router, Switch) befindet. Daher empfiehlt es sich bei einer größeren Installation, einen Verdrahtungsplan parat zu haben oder zumindest die einzelnen Kabelenden zu beschriften, damit man für den Fehlerfall gewappnet ist und nicht erst lange herumrätseln muss, welches TP-Kabel wohin verläuft.

Die Überprüfung eines TP-Kabels mit einem Ohmmeter, wie es oben für Koaxialkabel erläutert ist, ist zwar möglich, allerdings wird hierfür eine recht dünne Messspitze am Messgerät benötigt, damit man an die Kontakte herankommt. Mit dem Messgerät müsste gleichzeitig an beiden Enden des Kabels auf dem jeweiligen Kontakt angesetzt werden, was dann einen Widerstand von nahezu null Ohm (Kurzschluss) zu ergeben hat. Dies kann bei größeren (verlegten) Längen nicht durchgeführt werden, da man mit dem Messgerät eben nicht an die beiden Enden herankommt.

Abbildung 3.17: Der Blick in den Kabelschacht lässt hier die Probleme im LAN erkennen.

Diese einfache Methode kann daher eher selten näheren Aufschluss bieten. Einem (zuvor funktionsfähigen) TP-Kabel kann man eigentlich von außen ansehen, ob es in Ordnung ist oder nicht. Wenn die Stecker nicht beschädigt wirken und auch keine Knicke im Kabel zu entdecken sind, ist das Kabel meist in Ordnung. Eine Ausnahme ist natürlich dann gegeben, wenn die Kabel nicht in Augenschein genommen werden können, weil sie etwa in einem Kabelschacht verlegt worden sind.

Ein einfacher Kabeltester (Durchgangsprüfer), der lediglich die (Ohm'sche) Verbindung der einzelnen Adern überprüft, kann natürlich keine Parameter betreffs Dämpfung oder Übersprechen ermitteln. Bei tiefer greifenden Problemen mit einer TP- und erst recht mit einer LWL-Verkabelung kommt man deshalb nicht ohne spezielle Messgeräte aus, deren Anschaffung sich für die einmalige Anwendung allerdings nicht lohnt. Firmen wie Agilent (Wire Scope), Fluke (DTX Cable Analyser) oder JDSU (Validator) bieten ein recht breites Spektrum an Messgeräten für LANs und WANs an, was vom einfachen Kabeltester bis hin zum komplexen Protokoll-Analyser reicht.

Abbildung 3.18: Ein LAN-Tester für die Ermittlung der grundlegenden Parameter einer Kabelverbindung

3.2.7 Link-Tester selbst gebaut

Zur schnellen Überprüfung, ob mit einem bestimmten Kabel eine LAN-Verbindung besteht, eignet sich ein kleiner Switch, den man einfach an das jeweilige LAN-Kabel anschließt, woraufhin anhand der vorhandenen Leuchtdioden abzulesen ist, ob ein Link zu dem dahinter befindlichen Switch zustande kommt. Für den Switch ist eine Spannungsversorgung notwendig, die entweder eingebaut ist, was das Gerät dann unhandlicher macht, oder über ein externes Steckernetzteil hergestellt wird, was sich oft als unpraktisch erweist, weil nicht immer dort, wo sich das zu prüfende LAN-Kabel gerade befindet, auch eine 230-V-Steckdose zur Verfügung steht.

Abbildung 3.19: Eine umgebaute Netzwerkkarte als handlicher Link-Tester

Die Lösung bietet ein handlicher Link-Tester, den man sich - mit etwas Lötgeschick -auch ganz einfach selbst bauen kann. Dafür wird eine Netzwerkkarte mit dem dreipoligen WOL-Anschluss (Wake On Lan) benötigt. Fast-Ethernet-Karten sind bereits für ein paar Euro erhältlich, wobei der jeweilige Bus-Anschluss (ISA, PCI, PCI-Express) hier keine Rolle spielt, denn die Karte wird nicht etwa in einem PC eingebaut, sondern über den WOL-Anschluss mit Spannung versorgt. Das reicht aus, um nach dem Einstecken eines LAN-Kabels auf den vorhandenen Leuchtdioden (LEDs) erkennen zu können, ob ein Link vorhanden ist und ob hier 10 MBit/s oder 100 MBit/s möglich sind. Die Karte muss logischerweise über die entsprechenden LEDs verfügen.

Zu Netzwerkkarten mit WOL-Anschluss wird meist auch das passende, recht dünne dreipolige Kabel (oftmals in gelber Farbe) mitgeliefert, das normalerweise auf den passenden Anschluss des Mainboards gehört, hier jedoch über den Pin 1 mit 5 V versorgt wird. Pin 2 wird mit der Masse der Spannungsversorgung verbunden, während Pin 3 nicht benötigt wird und daher auch am Stecker abgekniffen werden kann.

Abbildung 3.20: Die umgebaute Netzwerkkarte von der Vorder- und von der Rückseite

Für die Spannungsversorgung sind mindestens drei 1,5-V-Batterien notwendig, die in ein entsprechendes Batteriefach einzusetzen sind, das man im Elektronikhandel, etwa bei Conrad Elektronik, findet. Üblicher ist allerdings ein Batteriefach für vier 1,5-V-Batte-rien, womit dann 6 V vorhanden sind. Um damit nicht die Zerstörung der Karte zu riskieren, verwendet man in diesem Fall am besten einen 5-V-Spannungsregler (vom Typ 7805 Low Drop), der aus den 6 V konstante 5 V erzeugt. Ein 9-V-Block ist natürlich ebenfalls möglich, wobei dann kein Low-Drop-Typ notwendig ist, weil die Spannungsdifferenz größer ist und auch ein 7805-Standardtyp verwendet kann. Beachtet werden sollte bei der Spannungsversorgung, dass das »Gerät« gut zu handhaben ist.

Ein flaches Batteriefach mit vier AAA-Batterien könnte im Übrigen (mit doppelseitigem Teppichklebeband) auf die Platinenrückseite geklebt werden, wie es in der Abbildung 3.20 zu erkennen ist. Außerdem wurde bei der verwendeten Netzwerkkarte noch ein einfacher Taster in den Weg der Spannungsversorgung (vor den Spannungsregler) gelötet, damit die Schaltung nur beim Drücken auf den Taster mit Spannung versorgt und nur dann Strom verbraucht wird, was eine sehr lange Haltbarkeit der Batterien verspricht.

Abbildung 3.21: Die Zusatzschaltung für die Netzwerkkarte im Detail

Wer den Tester besonders stabil aufbauen will, kann die Karte mit den zusätzlichen Teilen natürlich in ein Gehäuse einbauen. Hier wurden die Teile direkt an den Batteriekasten gelötet, wobei man aufpassen muss, dass der heiße Lötkolben nicht das Plastik aufweicht und dabei die beiden Ösen des Batteriefachs ihren Halt verlieren.

Zuletzt könnte noch das möglicherweise störende Slot-Blech der Karte abgeschraubt werden. Weil hier jedoch meist die Beschriftungen, die den Status der LEDs angeben, aufgebracht sind, ist es sinnvoller, das Blech abzuschneiden und/oder um die Platine herum zu biegen (vgl. Abbildung 3.19), wodurch sie auch besser zu handhaben ist.

3.3 Lichtwellenleiter

Netzwerke auf der Basis von Lichtwellenleitern (LWL) sind verglichen mit solchen mit Kupferverbindungen störunempfindlicher, abhörsicherer und weisen eine niedrigere Fehlerrate auf. Die LWL-Verbindungen können beispielsweise auch im gleichen Kabelschacht wie etwa die Starkstromleitungen verlegt werden, ohne dass die hiervon ausgehenden Störungen einen Einfluss auf die Netzwerkverbindung hätten.

Beschädigungen durch Überspannungen, statische Entladung oder auch durch Blitzschlag sind bei LWL nicht möglich. Außerdem gibt es hier automatisch eine »galvanische« Entkopplung zwischen der Netzwerkhardware (z. B. Netzwerkkarte) und dem Medium, wofür bei den TP- und Koax-Netzwerkkarten spezielle Übertrager (Transformatoren) notwendig sind. Deshalb können bei einer optischen Übertragung keine Masseprobleme auftreten.

3.3.1 Verbindungen

Die Lichtwellenleiterverbindungen - gewissermaßen die LWL-Kabel, auch wenn es keine Kabel im elektrischen Sinne sind - sind entgegen der oft zitierten Befürchtung äußerst robust, dabei relativ dünn und daher sehr flexibel, was sie in der Handhabung sogar unkritischer erscheinen lässt als TP- oder auch Koaxialkabel.

Abbildung 3.22: Die beiden optischen Kopplungselemente für TX und RX mit ST-Anschlüssen auf einer LWL-Netzwerkkarte

Prinzipiell gibt es zwar eine Vielzahl von möglichen LWL-Anschlüssen, aber ab Fast-Ethernet auf Glasfaser (100BaseF) hat sich die SC-Verbindung als Standard hierfür erwiesen. Über entsprechende Adapter lassen sich auch Verbindungen zwischen den älteren ST- und den SC-Steckverbindern problemlos herstellen.

Crossover-Verbinder, wie sie für TP-Verbindungen erhältlich sind, gibt es für LWL nicht, was bei ST-Verbindungen auch unnötig wäre, denn die TX- sowie die RX-Leitungen können sowohl überkreuz als auch 1:1 miteinander verbunden werden, weil man es hier mit einzelnen Steckern zu tun hat.

Abbildung 3.23: SC-Stecker lassen sich über Adapter auch mit ST-Steckern verbinden.

Bei SC sind die beiden Connectoren vielfach fest miteinander verbunden (SC-Duplex), sodass hier keine Verwechslungsgefahr zwischen RX und TX gegeben ist. Allerdings werden jedoch auch gekreuzte LWL-LAN-Verbindungen, etwa zwischen Switches, benötigt. Aus diesem Grunde gibt es auch SC-Verbinder, bei denen die beiden Stecker wahlweise zusammengesteckt werden können, wie es in der Abbildung 3.23 zu erkennen ist.

Abbildung 3.24: LWL-Strecken lassen sich mithilfe von Kupplungsstücken problemlos verlängern.

3.3.2 Funktionsprinzip und Typen

Bei Lichtwellenleitern wird generell zwischen Monomode-, auch als Singlemode bezeichnet, und Multimode-Leitern unterschieden. Bei Multimode-Fasern findet die Signalübertragung anhand mehrerer Moden statt, während eine Monomode-Faser das Licht nur in einer Mode (parallel zur Achse des Mediums, Mode 0) überträgt, was gegenüber Multimode-Fasern zu geringeren Dämpfungswerten und höheren Bandbreiten führt.

Bei 10BaseFX sowie 100BaseFX spielt fast ausschließlich die Dämpfung, die durch Reflexion und Absorption des »Transportlichts« verursacht wird, eine Rolle. Demnach hat man es bei Dämpfungsbetrachtungen auf Glasfaser mit einem völlig anderen Effekt zu tun, als dies bei Kupferverbindungen und den dort zugrunde liegenden elektrischen Eigenschaften der Fall ist.

Dämpfungen bei Lichtwellenleitern entstehen in erster Linie durch die auf einer Glasfaserstrecke befindlichen Übergänge (Dosen, Anschlüsse, Adapter usw.) sowie in zweiter Linie durch Verunreinigungen der Faser selbst, was jedoch bei den aktuellen handelsüblichen Glasfasern zu vernachlässigen ist, da sie sich qualitativ als hochwertig genug darstellen.

Je nach Wellenlänge des verwendeten Lichts stellt sich die Dämpfung über Glasfaser unterschiedlich dar, und da sie bei 850 nm, 1300 nm sowie 1500 nm minimal ist, werden genau diese Wellenlängen für LWL-Netzwerke verwendet. Sie werden von entsprechenden (Laser-)Dioden auf den Netzwerkkarten und den Koppeleinheiten (Hubs, Switches) erzeugt und von den »Gegenstücken«, den dazu passenden Photodioden der Einheiten, wieder empfangen.

Abbildung 3.25: Ein Transmitter und ein dazugehöriger Receiver. Diese Elemente sind für die Umsetzung der elektrischen Impulse in Lichtimpulse (Transmitter) und umgekehrt (Receiver) zuständig.

Leuchtdioden (Light Emitting Diode, LED) strahlen das Licht gleichförmig in mehrere Richtungen ab. Das grundsätzliche Prinzip des Lichttransports über Lichtwellenleiter beruht dabei auf der Totalreflexion an den Grenzschichten der Materialien unterschiedlicher Dichte.

Bei der Verwendung einer LED wird das Licht unterschiedlich oft an der Oberfläche reflektiert, es legt unterschiedliche Wege zurück, was zu den verschiedenen Moden führt. Für das Datensignal bedeutet dies, dass es zu unterschiedlichen Laufzeiten und damit zu Signalverzerrungen kommt, was von der Länge der Lichtwellenleiterstrecke abhängig ist. Diesen Effekt, der zum einen durch den Leiter selbst und zum anderen auch durch die Lichtquelle hervorgerufen wird, bezeichnet man als Dispersion, und er ist insbesondere ab Gigabit-Ethernet ein ausschlaggebendes Kriterium.

Multimode-Faser mit Stufenindex-Profil

Ausgangsimpuls

-TL [ID CEE]

Eingangsimpuls

Multimode-Faser mit Gradientenindex-Erofil

-n- D^^^HS^ A

Eingangsimpuls

A

Eingangsimpuls

Ausgangsimpuls

Monomode-Faser

-TL CD

Ausgangsimpuls

Abbildung 3.26: Die Lichtübertragung differiert bei den verschiedenen Fasern, was in Abhängigkeit von der Übertragungsstrecke zu unterschiedlich »guten« Ausgangsimpulsen führt.

Ab 100BaseFX werden statt LEDs vielfach Laserdioden (LD) verwendet, die ein stärker gebündeltes Signal generieren und bei denen der überwiegende Anteil der Lichtintensität über den direkten, gradlinigen Weg abgestrahlt wird, sodass auch Entfernungen über mehrere Kilometer überbrückbar sind, wobei die Faser selbst eine wichtige Rolle spielt. Generell werden drei grundsätzliche Typen unterschieden:

■ Multimode-Faser mit Stufenindex-Profil (100 MHz x km)

■ Multimode-Faser mit Gradienten-Profil (1 GHz x km)

■ Monomode-Faser (10 GHz x km)

Für die Klassifizierung von Lichtwellenleitern wird ein Produkt von Bandbreite und Länge angegeben, da die Dispersion von der Länge der Glasfaser abhängig ist. Bei einer Angabe wie 100 MHz x km kann daher eine LAN-Verbindung mit 100 MHz über 1 km oder mit 50 MHz über 2 km oder beispielsweise auch mit 200 MHz über 500 m realisiert werden. Die typischen Richtwerte sind oben in Klammern bei den drei Fasertypen angegeben.

Allen drei Fasertypen ist gemein, dass sie von einem Kunststoffmantel (Buffer Coating) umgeben sind, der dem Glasmantel (Cladding) nach außen hin als Schutz dient. Ganz im Innern ist der eigentliche Kern der Faser (Core) untergebracht. Core und Cladding bestehen zwar meist beide aus Quarzglas (SiO_2), allerdings unterscheiden sich dabei die jeweiligen Brechungsindizes. Der Brechungsindex beschreibt generell das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (ca. 300.000 km/s) zur Lichtgeschwindigkeit im Medium.

Der mehr oder weniger gebündelte Strahl wird an der Grenzfläche der beiden Glasmaterialien reflektiert und somit in der Faser gehalten. Neben Glas werden auch unterschiedliche Kunststofffasern (meist bei 650 nm Wellenlänge) verwendet, die preiswerter und einfacher zu fertigen sind, allerdings noch nicht die Qualität der Glasfasern erreichen, höhere Dämpfungen aufweisen und demnach auch nur kürzere Strecken überbrücken können. Außerdem werden auch Glas- und Kunststofffasern miteinander kombiniert, was zu einem besonders günstigen Preis-Leistungs-Verhältnis führen soll. Wenn man also von Glasfaser redet, kann es sich auch um eine Kunststofffaser handeln, sodass Lichtwellenleiter (LWL) vielleicht die treffendere Bezeichnung ist.

Beim Stufenindex-Profil besteht zwischen Kern und Mantel ein abrupter Übergang von einem zum anderen Brechungsindex. Der Brechungsindex (n) ist dabei im Cladding geringer als im Core (ncore > ncladding = totale Reflexion). Da die Lichtstrahlen der Quelle (LED) in unterschiedlichen Winkeln auftreffen, ergibt sich ein Zickzackverlauf des Lichtes, was eine Verbreiterung des Ausgangsimpulses gegenüber dem Eingangsimpuls zur Folge hat und für typische Längen bis hin zu 200 m durch eine Photodiode noch als eindeutiger Impuls (High) zu detektieren ist.

Bei einer Faser mit Gradientenindex-Profil wird eine abgestufte Veränderung der Brechungsindizes realisiert, sodass sich für die Lichtstrahlen gekrümmte Bahnen ergeben und sich das Licht im Mittel eher auf dem optimalen, gradlinigen Weg bewegt. Der Ausgangsimpuls ist dadurch ausgeprägter, wodurch größere Entfernungen als mit Stufenindex-Profil-Faser (bis zu 10 km) überbrückbar sind.

Monomode-Lichtwellenleiter entsprechen im Prinzip dem Aufbau einer Faser mit Stufenindex-Profil, nur ist der Core hier wesentlich dünner als bei den Multimode-Fasern ausgeführt und der Brechungsindex des Mantels ist genau an eine bestimmte Wellenlänge angepasst. Das Licht wird dabei ohne Brechung und Reflexion achsenparallel transportiert, was zu exakten Ausgangsimpulsen über sehr große Längen (50 km) führt. Bei Monomode-Fasern werden generell Laserdioden verwendet.

Multimode-Faser mit Stufenindex-Profil

Kunststoffmantel (Buffer Coating)

Glasmantel (Cladding)

Multimode-Faser mit Gradientenindex-Profil

r\ a

Glasmantel

Kern

50 jm

(Cladding)

(Core)

62,5 jm

L.................i

Kunststoffmantel (Buffer Coating)

125 |jm

Monomode-Faser

Abbildung 3.27: Der Aufbau und die jeweiligen Durchmesser der verschiedenen Fasertypen

Wie es der Abbildung 3.27 zu entnehmen ist, bestehen bei den jeweiligen Durchmessern des Kerns und des Mantels erhebliche Unterschiede. In Deutschland werden bei den meisten LANs Multimode-Gradienten-Index-Fasern mit 62,5/125 pm verwendet, die sich sowohl für Standard- (850 nm), Fast-Ethernet (1300 nm) als auch für Gigabit-Ethernet eignen.

Demnach kann bei einer entsprechenden Umrüstung das LWL-Medium beibehalten werden, sofern man in der Vergangenheit die richtige Entscheidung für die Verlegung des entsprechenden Lichtwellenleitertyps getroffen hat. Monomode-Fasern (9/100 pm) werden vorwiegend für WAN-Verbindungen sowie für Gigabit- und 10 Gigabit-Ethernet eingesetzt.

Standard

Faser

Wellenlänge

Max. Reichweite

Fasertyp

1GBaseF

62,5/125 pm

B5G nm

2 km

Multimode

1GGBaseFX

62,5/125 pm

13GG nm

2 km

Multimode

1GGGBaseSX

62,5/125 pm

B5G nm

22G m

Multimode

1GGGBaseSX

5G/125 pm

B5G nm

55G m

Multimode

1GGGBaseLX

62,5/125 pm

13GG nm

44G m

Multimode

1GGGBaseLX

5G/125 pm

13GG nm

55G m

Multimode

1GGGBaseLX

9/125 pm

13GG nm

5GGG m

Monomode

1GGBaseSX

62,5/125 pm

B5G nm

3GG m

Multimode

1GGBaseLX

9/1GG pm

13GG nm

1G km

Monomode

1GGBaseLX4

62,5/125 pm

B5G nm

3GG m

Multimode

1GGBaseLX4

1G/125 pm

B5G nm

1G km

Monomode

1GGBaseEX

9/1GG pm

15GG nm

4G km

Monomode

SDH

9/1GG pm

15GG nm

4G km

Monomode

SDH

62,5/125 pm

13GG nm

2 km

Multimode

Diverse

Plastic Optical Fiber

5G m

Multimode

SDH

Hard Polymer Clad Fiber

1GG m

Multimode

Tabelle 3.6: Beispiele für die Verwendung der unterschiedlichen Lichtwellenleiter

3.3.3 Verlegung

Das Verlegen von Lichtwellenleitern ist wegen ihrer Flexibilität und Unempfindlichkeit gegenüber Störungen verhältnismäßig einfach und unterscheidet sich in der grundsätzlichen Vorgehensweise nicht von der Verlegung der anderen Medien.

Besondere Beachtung verdient auch hier die Konfektionierung der Übergänge von der festen Verlegung (z. B. im Kabelschacht) zu den Anschlussdosen und auch in den Verteilern (Patchpanels). Hier können natürlich nicht Stecker aufgelötet oder aufgequetscht werden, sondern die Fasern des Leiters bedürfen einer besonderen Behandlung wie Schneiden, Spleißen, Kleben und Polieren.

Für diese Arbeiten gibt es spezielle Werkzeuge, mit deren Hilfe sich die Fasern möglichst optimal verschweißen oder auch in einem LWL-Anschlussstecker verkleben lassen. Ein guter Übergang weist dabei eine Dämpfung von 0,1-0,2 dB auf, ein schlechter hingegen über 1 dB. An diesen Stellen muss also besonders sorgfältig gearbeitet werden, um auch die spezifizierten Längen mit der Faserstrecke überbrücken zu können. Die Ausführungen der LWL-Anschlüsse und die Qualität der Faser selbst spielen eine wichtige Rolle für die Bandbreiten- und Dämpfungsbetrachtungen, wie es im vorherigen Kapitel ausgeführt ist.

Vielfach kommt man jedoch auch mit den Standardlängen von Lichtwellenleitern aus, die typischerweise bis hin zu 50 m reichen, mit fertigen Anschlüssen (TS, SC) versehen sind und sich mit Kupplungsstücken (siehe Abbildungen 3.23 und 3.24) entsprechend verlängern lassen.

Abbildung 3.28: Auch für Lichtwellenleiter gibt es die Möglichkeit, Verbindungen zu crimpen.

Seit einiger Zeit sind außerdem LWL-Connectoren für die - relativ einfache - Selbstmontage verfügbar, wie die LightCrimp-Verbinder der Firma AMP. Im ersten Schritt werden Faser und Ader mit der speziellen Crimp-Zange gefasst, die Faser wird defi-niert gebrochen, und dann wird die Zugentlastung des Kabels mit dem Stecker gecrimpt (gequetscht). Klebstoff kommt dabei nicht zum Einsatz, und es sollen sich durch diese Verbindungsart im Mittel Dämpfungen von unter 1 dB ergeben.

LWL-Verbindungen mit Plastic Optical Fiber (POF, siehe auch Kapitel 2.7.2) lassen sich gleichermaßen einfach konfektionieren und werden ebenfalls mithilfe einer speziellen Zange geschnitten und in einer Schnellspannhülse fixiert. Insbesondere in rauen Industrieumgebungen (Schutzart IP 20, IP 67) wird diese Konfektionierungs-methode häufig angewendet.

Für größere Installationen sind Crimp-Verfahren jedoch aus Kostengründen nicht geeignet, zumal sich nur ganz bestimmte LWL-Fasern und Stecker damit verbinden lassen. Des Weiteren lassen sich hiermit auch keine Verbindungen von mehradrig ausgeführten LWL-Kabeln realisieren, sodass sich dieses Verfahren eher für Reparaturen und kleinere Installationen eignet, zu denen kein LWL-Techniker herangezogen werden soll.

Im Backbone werden vorzugsweise mehradrige LWL-Verbindungen verlegt, weil diese preiswerter sind als etwa zehn einzelne Leitungen, die jeweils über einen eigenen Kunststoffmantel verfügen müssen. Wie es auch mit Twisted Pair-Kabel üblich ist, werden die Adern dann in einem Patchpanel in die einzelnen Verbindungswege aufgeteilt, die beispielsweise in die Büros führen. Dort wird jeweils eine LWL-Anschlussdose montiert, von der aus dann mit einem LWL-Patch-Kabel die Verbindung mit einem Medien-Converter (LWL auf TP) oder einem LWL-Switch, der über TP-Ports verfügt, hergestellt wird.

3.3.4 Überprüfung und Fehlersuche

Für die Überprüfung von LWL-Verbindungen werden sogenannte OTDR-Messgeräte verwendet. Anhand der Optic Time Domain Reflectometry ist es nicht nur möglich, die Dämpfung, sondern auch die Position der einzelnen Komponenten in einer Lichtwellenleiterstrecke zu ermitteln.

Ein derartiges Gerät ist zwar verhältnismäßig teuer; es gehört jedoch zur Standardausrüstung eines LWL-Technikers, damit die Strecken nach der Installation durchgemessen werden können und ein entsprechendes Prüfprotokoll angefertigt werden kann, das dem Kunden als Beleg für die Erfüllung der zugrunde gelegten LWL-Spezifikation dann auszuhändigen ist.

Abbildung 3.30: Das Messprotokoll einer OTDR-Messung mit Anmerkungen

Die Fehlersuche in einem LWL-Netzwerk kann für den Anwender prinzipiell nur nach den Kriterien, wie sie auch bei TP-Kabel (siehe Kapitel 3.2.6) gültig sind, vorgenommen werden, was zunächst die Kontrolle der Kabel auf ihre Unversehrtheit hin und die der Anschlüsse (RX, TX) bedeutet. Anschließend kann dann per Software (z. B. mit Ping) versucht werden, die schadhafte Stelle im Netz zu lokalisieren.

Exkurs

Bei einigen LWL-Geräten sind zusätzliche Dioden für die Übertragungsstrecken integriert, sodass Verbindungen dann mit bloßem Auge zu erkennen sind.

Das Licht der verwendeten Wellenlängen lässt sich nicht mit bloßem Auge erkennen, sondern nur mithilfe von speziellen Detektoren. Allerdings sind in einigen Einheiten zusätzliche LEDs eingebaut, die rotes, sichtbares Licht transportieren und genau diesem Zweck - der Identifizierung von korrekten Übertragungsstrecken - dienen.

Leider lässt sich jedoch anhand der Beschreibungen zu den Einheiten nicht immer feststellen, ob diese nützliche Option gegeben ist oder nicht. Hersteller wie beispielsweise Hewlett-Packard (HP) realisieren diese zusätzliche Funktion allerdings bei vielen Einheiten wie in ihren Switches. Außerdem werden vielfach die elektrooptischen Kopplungselemente (Transmitter, Receiver) von HP auf Netzwerkkarten und anderen LWL-LAN-Ele-menten eingesetzt, und dann ist die Wahrscheinlichkeit recht groß, dass hier ebenfalls eine zusätzliche LED eingebaut ist. Verlassen kann man sich aber nicht darauf, denn bei den Typen in der Abbildung 3.25 ist dies eben nicht der Fall.

Abbildung 3.31: Der Transmitter von HP verfügt neben der LED für die Datenübertragung über eine zweite für die LAN-Verbindungskontrolle, was anhand der vier (statt zwei) Anschlüsse im Gehäuse zu erkennen ist.

Für den Test einer optischen Übertragungsstrecke eignet sich im Übrigen auch ein handelsüblicher Laserpointer, mit dem man in die Faser hineinleuchten könnte. Bei der Inaugenscheinnahme sollte man aber stets vorsichtig sein, wenn man nicht genau weiß, was einen erwartet, denn das (Laser-)Licht kann bekanntlich Sehstörungen und sogar Beschädigungen der Augen zur Folge haben. Allerdings entsprechen zumindest die optischen LAN-Komponenten der Laser Klasse 1, die laut Definition unter den vorhersehbaren Bedingungen sicher ist.

Konfigurationsteil - In 5 Minuten ins Netz

In diesem Teil des Buches wird in komprimierter Form dargestellt, welche Dinge zu tun sind, um verschiedene Geräte funktionstechnisch in einem Netzwerk zu integrieren. Dabei geht es allein um die grundlegende Konfigurierung, damit die Geräte eine Verbindung zum Internet oder auch zu anderen WLAN-Einheiten herstellen können. Optimierungen werden nicht, Sicherheitseinstellungen lediglich rudimentär behandelt, um die Vorgänge so einfach wie nur irgend möglich zu halten. Diese Step-by-Step-Anleitungen eignen sich damit insbesondere für die erste Inbetriebnahme und als Hilfe bei der Fehlersuche.

A ADSL-Router

Im einfachsten Fall wird für die Verbindung zwischen einem PC und dem Internet lediglich ein ADSL-Modem benötigt. Die Abbildungen 7.15 und 7.16 zeigen, wie die Verbindungen hierfür herzustellen sind. In vielen Fällen ist das ADSL-Modem in einem Kombigerät integriert, welches außerdem einen Switch für den Anschluss mehrerer PCs sowie ein WLAN-Interface (WLAN Access Point) und möglicherweise noch weitere Einheiten (Telefonanlage, Firewall) beinhaltet, was oftmals vereinfacht unter ADSL-Router oder auch ADSL-Gateway firmiert.

Notwendig ist nach der Verkabelung eine grundlegende Einstellung, die bei allen Geräten im Prinzip gleich ist. Dazu gehört die Festlegung der Daten des jeweiligen Providers unter WAN-Interface und wie die IP-Adressenvergabe für das LAN erfolgen soll: automatisch per DHCP oder manuell, sodass in diesem Fall auch dem ADSL-Router eine feste IP-Adresse zugeteilt werden muss.

Auch wenn es zunächst umständlicher erscheinen mag, können Fehler im Netzwerk bei festen privaten IP-Adressen leichter gefunden und beseitigt werden, weil eben genau bekannt ist, welche Einheit welche IP-Adresse besitzt, was sich bei stationären Geräten wie PCs, Netzwerkdruckern oder auch konfigurierbaren Switches empfiehlt, während mobile Einheiten wie Smartphones oder Netbooks, die nur zeitweise im (W)LAN präsent sind, vorteilhafter mithilfe von DHCP eingerichtet und verwendet werden.

Der jeweilige DSL-Provider liefert meist ein eigenes Gerät mit, das zumindest für die erste Inbetriebnahme der Internetverbindung unbedingt verwendet werden sollte. Im Fehlerfall besteht der Provider üblicherweise darauf, dass das ursprünglich mitgelieferte Gerät angeschlossen sein muss, wenn etwa die Leitung zu überprüfen ist, weil keine Verbindung zustande kommt.

Abbildung A.1: Dieser ADSL-Router verfügt nur über zwei Anschlüsse, die mit dem

Splitter (ADSL) und einem PC (Ethernet) zu verbinden sind. Durch einen Druck auf den
markierten Reset-Button wird das Gerät in seinen Ausgangszustand versetzt.

1. Mitgeliefertes Kabel zur Verbindung mit dem Splitter anschließen.

2. ADSL-Router und PC mit üblichem Netzwerkkabel (ab CAT-5) verbinden.

3. Netzteil anschließen und/oder Netzspannung anschalten: Power-LED am ADSL-Router leuchtet. Wenn nicht, dann Spannungsversorgung kontrollieren. Netzteil defekt?

4. PC manuell mit einer IP-Adresse einstellen, die im gleichen Netz liegt wie die IP-Adresse des ADSL-Modems. Bei Windows 7 z. B. über Netzwerk- und Freigabecenter - LAN-Verbindung - Eigenschaften - Netzwerk - Internetprotokoll Version 4 - Eigenschaften - Allgemein - Folgende Ip-Adresse verwenden.

5. IP-Adresse des ADSL-Modems im Internet-Browser angeben, Anmeldungsfenster oder Menü sollte sich öffnen, wenn nicht, dann zu 6., sonst zu 7. Wichtig ist, dass tatsächlich die IP-Adresse (z. B. 192.168.1.1) und nicht der möglicherweise vorhandene Name des ADSL-Modems angegeben wird.

6. Ping-Befehl auf die IP-Adresse des ADSL-Modems absetzen, wenn Antwort, ist es so weit o. k. Falls keine Antwort erscheint, LAN-Kabel kontrollieren.

7. Erneuter Versuch, über die IP-Adresse das Menü vom ADSL-Modem zu öffnen. Wenn kein Erfolg, dann ist der Internet-Browser bzw. sind seine Einstellungen nicht in Ordnung. Vorgang mit anderem PC, anderem Betriebssystem oder anderem Browser versuchen.

8. Anmelden am ADSL-Modem mit dem vom Hersteller/Provider angegebenen Namen und Passwort. Wird die Anmeldung verweigert, stimmt der Anmelde-Account nicht. Den richtigen beim Hersteller/Provider erfragen.

9. Es öffnet sich das Menü (Abbildung A2). Zunächst zu den WAN-Einstellungen navigieren (Abbildung A3). Standardmäßig ist hier oftmals der Bridge Mode aktiviert, was für die erste Verbindungsaufnahme auch so belassen oder explizit so eingestellt werden sollte.

Jedes Gerät verfügt über bestimmte Grundeinstellungen, die dokumentiert sein sollten, etwa über welche IP-Adresse der Router von Hause aus verfügt, damit man mit einem daran angeschlossenen PC die Konfigurierung vornehmen kann.

Abbildung A.2: Die Verbindung ist über die IP-Adresse im LAN hergestellt, und statt den Wizard zu verwenden, sollte zunächst die WAN-Seite aufgerufen werden.

Oftmals wird zum Router ein separates Setup-Programm mitgeliefert, oder in der Firmware des Routers ist ein Konfigurationsassistent (Wizard, siehe Abbildung A2) implementiert, der die Einstellung erleichtern soll.

Oftmals bewirken diese Tools genau das Gegenteil und führen eben nicht gleich zu einer funktionierenden Konstellation, sondern machen die ganze Angelegenheit zu einer undurchsichtigen Prozedur, die man sich gleich ersparen sollte, denn die grundlegenden Einstellungen, damit die Einwahl funktioniert, sind schnell erledigt.

Bei einem »verkonfigurierten« ADSL-Router gibt es immer noch die Möglichkeit, einen kompletten Reset auszuführen, was meist durch einen Reset-Button (Abbildung A1) ausgelöst wird, der mit einem spitzen Gegenstand, wie einer aufgebogenen Büroklammer, betätigt wird. Der Button ist für ein paar Sekunden zu drücken, bis die LEDs am ADSL-Router ihre Anzeige verändern.

Bei einem »verkonfiguriertem« Windows 7 ist es hingegen nicht so einfach, wieder einen geordneten Zustand für den Netzwerkzugang herzustellen, denn einige Einstellungen bleiben im System, obwohl sie nicht (mehr) direkt sichtbar sind. Ein Rückgängigmachen ist hier also nur bedingt möglich, sodass auf die verschiedenen Assistenten verzichtet
werden sollte und stattdessen ebenfalls eine manuelle Konfigurierung vorzuziehen ist, wie es im folgenden Abschnitt (B) gezeigt ist.

10. Damit die Einstellung übernommen wird, den Apply-Button (Abbildung A3) betätigen.

Abbildung A.3: Der Bridge Mode verlangt die wenigsten Parameter, sodass dieser (zunächst) festgelegt werden sollte. Die ATM-Parameter spielen keine Rolle, nur die WAN Settings.

11. Zur Kontrolle die LAN-Seite aufrufen (Abbildung A4). An dieser Stelle wird später die endgültige IP-Adresse eingestellt.

giiaHCT ■ ................

ADSL Router Control Panel

Abbildung A.4: Zur Kontrolle wird die LAN-Seite aufgerufen, die die gültige IP-Adresse mit der dazugehörigen Network Mask zeigt.

12. In der Zwischenzeit - seit dem ersten Einschalten - könnte bereits die DSL-Verbindung aktiviert sein, was anhand einer Leuchtdiode am Gerät selbst (ADSL Link/ ACT, Abbildung A6) oder auf der Status-Seite (Abbildung A5) zu kontrollieren ist. Falls kein Link zustande kommen sollte und die Anschlüsse korrekt sind, ist der Provider zu kontaktieren, der die Leitung überprüfen muss.

üfla

3Dlj

RE

M. » _

ADSL Router Control Panel

Home

Advanced

Tools

Status

Help

Device Information

Firmware Version

R100SD1.BB_FW_20D6D406

LAN -Ethernet

MAC Address

00:18:02:4C:11:FE

IP Address

192.158.1.1

Subnet Mask

255.255.255.0

DHCP Server

DisabEed

NfiT

Fnahlert

WAN

Virtual Circuit

|PVC-O TJ

Connection

s-i Connected

IP Address

n/a

Subnet Mask

n/a

Defautt Gateway

N/A

r?

Help

Device Info

Log

Traffic

ADSL

Abbildung A.5: Die DSL-Verbindung ist etabliert, was an der grünen LED (Connected) zu erkennen ist.

13. Damit ist die grundlegende ADSL-Router-Konfigurierung abgeschlossen, und auf dem PC muss jetzt eine neue Verbindung eingerichtet werden, was im Netzwerk-und Freigabecenter ausgelöst wird. Es ist eine Breitbandverbindung festzulegen (Abbildung A7, A8).

Abbildung A.6: Jedes ADSL-Modem (Router) verfügt über verschiedene Leuchtdioden, die den aktuellen Zustand signalisieren.

Abbildung A.7: Für die im ADSL-Router eingestellte Verbindung per Bridge Mode ist eine Breitbandverbindung anzulegen.

Abbildung A.8: Die Verbindung erfolgt über DSL (PPPoE). 152

14. Im nächsten Schritt (Abbildung A9) werden die Angaben für den Benutzernamen und das Kennwort verlangt. Diese Daten muss der Provider (ISP, Internet Service Provider) bekannt gegeben haben, die vom Benutzer (später) über seinen Account beim Provider geändert werden können.

15. Durch die Betätigung der Schaltfläche Verbinden (Abbildung A9) wird versucht, die Verbindung aufzubauen (Abbildung A10). Der Vorgang sollte nicht manuell abgebrochen werden, auch wenn er ein paar Minuten dauern sollte, üblicherweise sind es jedoch nicht mehr als 30 Sekunden.

Abbildung A.9: Eingabe der Benutzerdaten und verbinden

Abbildung A.10: Die angegebenen Daten wurden übernommen, und es wird versucht, eine Verbindung herzustellen.

Abbildung A.11: Die Verbindung ist erfolgreich hergestellt worden. 154

16. Nachdem die Breitbandverbindung hergestellt worden ist (Abbildung A11), kann ohne weitere Konfigurationsmaßnahmen der Internet-Browser aufgerufen werden, sodass ein Zugriff auf das Internet durch die Angabe einer Internet-Seite (z. B. http://www.google.de/) möglich sein sollte. Falls dies nicht funktionieren sollte, ist das Vorhandensein der DSL-Verbindung zu kontrollieren und ab Nr. 12 weiter zu verfahren.

17. Wenn Windows oder ein anderes Betriebssystem die bestehende DSL-Verbindung (Abbildung A4, LED Connected) als Breitbandverbindung akzeptiert hat, wird am ADSL-Router meist eine weitere Leuchtdiode aufleuchten mit einer Bezeichnung wie Link, die funktionstechnisch mitunter auch mit der Ethernet-LED (Abbildung A6) kombiniert ist oder auch einfach mit Internet bezeichnet wird.

Die gezeigte Vorgehensweise funktioniert eigentlich immer ohne große Probleme und empfiehlt sich generell für die erste Inbetriebnahme oder auch die Fehlersuche. Dabei wird der ADSL-Router aber gar nicht als Router verwendet, dessen Aufgabe es schließlich ist, zwischen zwei unterschiedlichen Netzen zu vermitteln, wie eben zwischen einem LAN und dem Internet. Bei dem obigen Beispiel war lediglich ein einziger PC angeschlossen, der per Breitbandverbindung kommuniziert. Der verwendete ADSL-Router fungiert damit nur als ein ADSL-Modem. Gleichwohl können die meisten ADSL-Geräte auch als Router arbeiten, auch wenn sie vielleicht nur über einen einzigen LAN-Anschluss (Ethernet, Abbildung A1) verfügen, denn hier ist ein Switch mit mehreren Ports anschließbar. Bei den beliebten ADSL-Kombigeräten (z. B. FRITZ!Box von AVM) ist ein Switch gleich mit eingebaut, was aber nichts am Prinzip ändert.

Die verschiedenen Computer im LAN verwenden dann (weiterhin) ihre üblichen privaten IP-Adressen. Der ADSL-Router verfügt dabei über eine IP-Adresse, die in diesem Bereich ebenfalls gültig ist, und vermittelt in das Internet, wofür bei den Computern seine IP-Adresse als Gateway einzutragen ist.

Die Einwahldaten (Benutzer, Kennwort) sind auch nicht bei einer Breitbandverbindung anzugeben, diese ist nicht mehr notwendig, sondern auf der Konfigurationsseite des ADSL-Routers. In der Abbildung A12 sind die Einstellungen für den Router-Modus (PPPoE/PPPoA) gezeigt, und auch wenn dort zu lesen ist For most DSL users, wird damit nicht deutlich, was genau damit gemeint ist.

Außerdem treten weitere Parameter, die konfiguriert werden können, zutage, die bei den verschiedenen ADSL-Geräten der Hersteller auch unterschiedlichste Bezeichnungen tragen können. Eine optimale Einstellung ist deshalb oft nur durch Ausprobieren zu erreichen. Im Idealfall hat der Provider für seine mitgelieferten Geräte funktionierende Voreinstellungen getroffen, sodass immerhin eine grundlegende Funktion gegeben ist.

Abbildung A.12: Die WAN-Einstellungen für den Router-Modus

Windows-PC

Die Netzwerkeinstellungen sind bei den verschiedenen Windows-Versionen sehr ähnlich und bei den grundlegenden Optionen, die hier behandelt werden, sogar identisch, auch wenn unterschiedliche Wege dorthin führen und mehr oder weniger Optionen zur Verfügung stehen.

Bei Windows 7 und Vista ist das Netzwerk- und Freigabecenter die zentrale Stelle für die Konfigurierung, während man bei den Vorgängerversionen am einfachsten über die Eigenschaften der Netzwerkumgebung (rechte Maustaste) und Selektierung der LAN-Ver-bindung (Eigenschaften von LAN-Verbindung) zu den wichtigsten Einstellungen gelangt. 1. Netzwerk- und Freigabecenter aufrufen (Abbildung B1).

Startseite der Systemsteuerung

System und Sicherheit Netzwerk und Internet

Hardware und Sound Programme

Benutzerkonten und Jugendschutz Darstellung und Anpassung Zeit, Sprache und Region Erleichterte Bedienung

C? Netzwerk und Internet

Systemsteuerung ■*■ Netzwerk und Internet "

| Netzwerk- und Freigabecenter |

^JL Netzwerkstatus und -aufgaben anzeigen Verbindung mit einem Netzwerk herstellen Netzwerkcomputer und -gerate anzeigen En Drahtiosgerät zum Netzwerk hinzufügen

T* Heimnetzgruppe

^SqI Heimnetzgruppen- und Freigabeoptionen auswählen

Internetoptionen

Bgene Startseite ändern Browser-Add-Qns verwalten Browserverlauf und Cookies löschen

Abbildung B.1: Bei Windows 7 sind die Netzwerkeinstellungen über Netzwerk- und Freigabecenter zu selektieren.

2. Zur Ansicht der bereits angelegten Verbindungen und zur Konfigurierung den Punkt Adaptereinstellungen ändern auswählen (Abbildung B2).

B

-ln|x|

j^jH^jf^" T Systemsteuerung - Netzwerk und Internet *■ Netzwerk-und Freigabecenter

]J 1 Systemst...

Zeigen Sie die grundlegenden Informationen zum Netzwerk an, und richten Sie Verbindungen ein.

(-fc^i äs* . t Gesamtlübersicht anzeigen

T^r X

Internet

KLAUS-PC Nicht identifiziertes Netzwerk

(dieser Computer)

Startseite der Systemsteuerung

Drahtiosnetzwerke verwalten

| Adaptereinstellungen ändern |

Erweiterte Freigabeeinstellungen ändern

Aktive Netzwerke anzeigen-

- Verbindung herstellen oder trennen

Zugriffstypi Kein Internetzugriff

Verbindungen: ¿1 LAN-Verbindung

Nicht identifiziertes Netzwerk

Öffentliches Netzwerk

Netzwerkeinstellungen ändern-

Neue Verbindung oder neues Netzwerk einrichten ** Richtet eine Drahtlos-, Breitband-, Enwähl-, Ad-hoc- oder VPN-Verbindung bzw. einen Router oder Zugriffepunkt ein,

. Verbindung mit einem Netzwerk herstellen

Stellt (erneut) eine Verbindung mit einem Drahtiosnetzwerk, verkabelten Netzwerk, Einwählnetzwerk oder VPN-Netzwerk her.

Heimnetzgruppen- und Freigabeoptionen auswählen

Ermöglicht zugriff auf Dateien und Drucker auf anderen Netzwerkcomputern zu, oder ändert die Freigabeeinstellungen.

j^yj Probleme beheben

Diagnostiziert und behebt Netzwerkprobleme, oder ruft Problembehandlungsinformationen ab.

Abbildung B.2: Der PC befindet sich in einem nicht identifizierten Netzwerk und hat keine Verbindung zum Internet.

Nähere Informationen über die bereits vorhandenen Verbindungen werden über Adaptereinstellungen ändern angezeigt.

3. Unter Netzwerkverbindungen tauchen daraufhin die bereits festgelegten Netzwerkverbindungen (Abbildung B3) auf. Alle, die nicht benötigt werden, sollten an dieser Stelle gelöscht werden, weil sie sich - wie etwa eine nicht mehr notwendige Breitbandverbindung - im laufenden Betrieb hin und wieder melden. Dies wird nicht nur bei der PC-Benutzung als störend empfunden, sondern kann auch die Konfiguration neuer Verbindungen behindern oder sogar ausschließen. Deaktivierte und nicht konfigurierte Netzwerkverbindungen werden an dieser Stelle mit einem roten Kreuz markiert.

Siehe auch

Heimnetzgruppe Internetoptionen Windows-Firewall

Abbildung B.3: In der Darstellung der Netzwerkverbindungen sollten überflüssige gelöscht werden.

4. Nach der Selektierung der zu konfigurierenden LAN-Verbindung wird deren Status angezeigt (Abbildung B4).

Abbildung B.4: Der Status der LAN-Verbindung besagt, dass der Adapter aktiviert ist.

5. Aufruf und anzeigen der Eigenschaften von LAN-Verbindung (Abbildung B5). An dieser Stelle kann eine Vielzahl von Elementen für die Verbindung aktiviert sein, standardmäßig sind es alle (von client für Microsoft-Netzwerke bis Antwort für Ver-bindungsschicht-Topologieerkennung). Für den Aufbau eines LAN mit Internetverbindung sind allerdings nur drei davon notwendig, alles andere ist optional und dient beispielsweise der Darstellung der Netzwerktopologie. Deshalb sollten bis auf den client für Microsoft-Netzwerke, die Datei- und Druckerfreigabe und das Internetprotokoll Version 4 alle anderen deaktiviert werden. Bis auf diese drei Elemente können alle anderen durch Entfernen des dazugehörigen Hakens vor dem jeweiligen Eintrag als deaktiviert geschaltet werden. Falls diese drei aus irgendeinem Grund nicht vorhanden sein sollten, kann dies einfach mithilfe des Installieren-Buttons nachgeholt werden.

Abbildung B.5: Mehr als diese drei Elemente werden nicht benötigt, wobei die Eigenschaften von Internetprotokoll Version 4 von Bedeutung sind.

6. Selektierung des Elementes Internetprotokoll Version 4 und Anklicken von Eigenschaften (Abbildung B5), woraufhin die Eigenschaften der LAN-Verbindung (Abbildung B6) angezeigt werden. Wie bereits erwähnt, empfiehlt es sich, die Adresse manuell zu vergeben, die im gleichen Netz wie der ADSL-Router (vgl. Abbildung A4) liegen muss. Die Adresse des Routers (192.168.1.1) wird hier unter standard-gateway angegeben. Die Adresse für den Domain Name Server (bevorzugter DNSServer) ist optional, wenn der Router selbst den DNS-Server finden kann, wofür es meist eine separate Option beim ADSL-Router gibt (vgl. Abbildung A12, Optain DNS Automatically: Enabled). Nicht selten gibt es damit jedoch Probleme, sodass es sicherheitshalber nicht schadet, unter Bevorzugter DNS-Server einen gültigen (externen) anzugeben, wie hier einen von Hansenet (Alice). Im Kapitel 6.9 ist hierzu Näheres zu lesen.

IP-Einstellungen können automatisch zugewiesen werden, wenn das Netzwerk diese Funktion unterstützt. Wenden Sie sich andernfalls an den Netzwerkadnninistratorr um die geeigneten IP-Einstellungen zu beziehen.

Allgemein

JJi^

C IP-Adresse automatisch beziehen (• Folgende IP-Adresse verwenden: IP-Adresse: | 192 . ISS , 1 .11

Subnetzrnaske: | 255 . 255 , 255 . 0

Standardgateway: | 192 . 168 1 '. 1

C DNS-Serveradresse automatisch beziehen (* Folgende DNS-Serveradressen verwenden: Bevorzugter DNS-Server: | 213 . 191 . 92 . 84

Alternativer DNS-Server: |

V Einstellungen beim Beenden überprüfen

Erweitert.,,

Abbildung B.6: Die IP-Adresse wird manuell vergeben.

7. Die LAN-Einstellungen werden mit OK abgeschlossen, und die Netzwerkverbindung ist jetzt so weit funktionsfähig, dass ein Ping vom PC auf den ADSL-Router die entsprechenden Antworten liefern muss und sich das Bild im Netzwerk- und Freigabecenter (Abbildung B7) entsprechend eines funktionierenden Netzwerkes geändert hat. Falls dies nicht funktionieren sollte, sind die Netzwerkverbindung und die Einstellungen beim ADSL-Router zu überprüfen. Außerdem kann ein Ping an einen anderen PC (mit einer anderen gültigen IP-Adresse) im Netz weiteren Aufschluss über die Fehlerursache bieten.

Auch wenn es sicherheitstechnisch leichtsinnig erscheinen mag, sollte bei Problemen mit der LAN-Verbindung die (Windows-)Firewall vorübergehend deaktiviert (z. B. Windows-Firewall im Netzwerk- und Freigabecenter) und erst nach erfolgreicher Konfigurierung (Schritt 9) wieder eingeschaltet werden. Insbesondere die Firewall bei Windows 7 kann Verbindungen verhindern (siehe Text am Ende dieses Abschnittes).

Abbildung B.7: Das Netzwerk ist funktionsfähig und mit dem Internet verbunden.

Damit alle PCs in der Netzwerkumgebung auftauchen und entsprechende Freigaben sowie Verbindungen von Dateien und Ordnern möglich sind, ist es notwendig, dass neben der Datei- und Druckerfreigabe für Microsoft-Netzwerke (Abbildung B5) alle beteiligten PCs zur gleichen Arbeitsgruppe oder Domäne gehören, wobei die Windows-Home-Versionen sich lediglich einer Arbeitsgruppe, aber keiner Domäne anschließen können.

8. In der Systemsteuerung über system und sicherheit - system - computername und Ändern (Abbildung B8) den Namen der Arbeitsgruppe angeben, zu der der betreffende PC gehören soll.

Abbildung B.8: Alle PCs eines LAN müssen zur gleichen Arbeitsgruppe gehören, die an dieser Stelle anzugeben ist.

9. Gegebenenfalls die Kategorie des Netzwerkes ändern (Abbildung B9) und/oder die Windows-Firewall anpassen. Hierfür ist unter Aktive Netzwerke anzeigen (Abbildung B7) der Punkt unter Netzwerk (z. B. Arbeitsplatznetzwerk) anzuklicken. Auch wenn die auftauchende Seite mit Netzwerkadresse festlegen bezeichnet (Abbildung B9) wird, wird hier keine Adresse, sondern ein Standort bestimmt, der die Einstellung der Firewall festlegt.

Wähler Sie einen Ort für das rietzwerk "Netzwerk" aus.

Der Computer ist mit einem Netzwerk verbunden, Basierend auf dem Standort des Netzwerks werden automatisch die richtigen Netzwerkeinstellungen verwendet.

1 Heimn etzwerk

' a Wenn sich alle Computer dieses Netzwerks bei Ihnen zuhause befinden und Sie sie erkennen,

" | V handelt es sich urn ein vertrauenswürdiges Heinnnetzwerk. Wählen Sie diese Einstellung nicht für öffentliche Plätze aus, z, B. Cafes oder Flughäfen.

Arbeitspia tz n etzwerk

... m Wenn sich alle Computer dieses Netzwerks am Arbeitsplatz befinden und Sie sie erkennen, handelt es sich um ein vertrauenswürdiges Arbeitsplatznetzwerk. Wählen Sie diese Einstellung nicht für öffentliche Plätze aus, z, B. Cafes oder Flughäfen.

Öffentliches Metzwerk

Wenn Sie nicht alle Computer des Netzwerks erkennen [z, B. in einem Cafe oder an einem Flughafen oder wenn Sie ein mobiles Breitband verwenden), handelt es sich um ein öffentliches Netzwerk, das nicht vertrauenswürdig ist,

>

I- Zukünftige Netzwerke als öffentliche Netzwerke behandeln. Nicht erneut fragen. Entscheidung shilfe

Abbrechen

Abbildung B.9: Das Festlegen des Standortes bestimmt den jeweiligen Sicherheitsstandard der Firewall, was unterschiedliche Verbindungen zulässt.

Microsoft hat mit jeder neuen Windows-Version neue Automatiken für die Einstellung von Netzwerken eingeführt, was einerseits für den Anwender zu einer Vereinfachung und andererseits zu einer möglichst sicheren Konfigurierung führen soll. In der Praxis treten dabei oftmals Probleme im Zusammenhang mit der Firewall oder auch den Heimnetzwerken auf, insbesondere dann, wenn PCs mit unterschiedlichen Windows-Versionen oder auch mit Computern, die andere Betriebssysteme verwenden, kommunizieren sollen. Wie es zu sehen war, wurden hier für die Konfigurierung bewusst keinerlei Automatiken von Windows verwendet, sondern alle Einstellungen manuell vorgenommen, was in diesem Zusammenhang nach wie vor die effektivste Methode ist und schnell zu einer funktionierenden Konstellation führt.

^jnjxj

-' . Netzwerkadresse festleger

! i'i Netzwerkadresse festleg er

Mit Windows 7 sind die Firewall-Funktionen erweitert worden. Dabei können die Regeln der Windows-Firewall den drei Profilen Privat, Domäne und Öffentlich zugeordnet werden. Hierfür setzt Windows ab Vista eine Funktion mit der Bezeichnung Network Location Awareness (NLA) ein, die angeschlossene Netzwerke den Kategorien Öffentliches, Domänen-, Arbeitsplatz- und Heimnetzwerk automatisch zuordnet, wie es in den Abbildungen B2 und B7 sowie zusammenfassend in B9 zu erkennen ist.

Mithilfe dieser Zuordnung wird die Firewall automatisch eingestellt, was nicht unproblematisch ist, denn ein Nicht identifiziertes Netzwerk führt dazu, dass die Firewall das Windows abschottet und sich deshalb noch nicht einmal zwei Windows 7-PCs im Netzwerk finden können, obwohl sie beide am selben Switch angeschlossen sind und keine Internetverbindung besteht.

Ein domänenbasiertes Netzwerk wird anhand des Domänen-Controllers - üblicherweise dem Server - erkannt, wofür die Firewall die entsprechenden Profilregeln aktiviert. Die anderen Netzwerke werden hingegen mithilfe einer Gateway-Adresse identifiziert, die in den meisten Fällen von einem ADSL-Router stammt. Fehlt diese Instanz in einem Netzwerk, wird es als Nicht identifiziertes Netzwerk ausgewiesen. Das Gateway muss im Netz tatsächlich existieren, und es funktioniert nicht, wenn stattdessen die eigene IP-Adresse bei den TCP/IP-Einstellungen eingegeben wird.

Das Heimnetzwerk stellt eine Besonderheit dar, da es sich von einem ArbeitsplatzArbeitsgruppe) oder Domänennetzwerk (Domänen-Controller) vom Einsatz her maßgeblich unterscheidet. Es wurde mit Windows 7 eingeführt und stellt quasi eine spezielle Variante eines Arbeitsgruppennetzwerkes dar. Mit dem Heimnetzwerk soll die Konfiguration eines Netzwerkes für den Heimgebrauch erleichtert werden, was insbesondere die Einrichtung von Freigaben betrifft. Die in Heimnetzwerken organisierten PCs können sich automatisch erkennen und verbinden, was den Datenaustausch untereinander prinzipiell vereinfacht. Allerdings werden dabei automatische Freigaben (für die Gruppe HomeUsers) erzeugt, was nicht unmittelbar ersichtlich wird, und ein Rückgängigmachen der Zuordnungen und Einstellungen ist nicht rückstandsfrei möglich. Außerdem ist mit dem Heimnetzwerk keine unmittelbare Koexistenz mit Computern möglich, die Windows XP oder Vista oder auch ein anderes Betriebssystem verwenden. Prinzipiell ist dies zwar mit einigen Tricks zu erreichen, es schafft jedoch recht unübersichtliche Verhältnisse in einem LAN. Verbindungen mit anderen Netzen sind ebenfalls nicht standardmäßig vorgesehen, sodass die manuelle Konfigurierung der Option Heimnetzwerke meist vorzuziehen ist.

C WLAN

Viele ADSL-Router verfügen über einen integrierten WLAN-Adapter, sodass auch Smartphones und Tablet-PCs, die vom Prinzip her über keinen LAN-Anschluss verfügen, einen kostenlosen Internet-Zugang erhalten können. Die grundlegenden ADSL-Einstellungen sind im ersten Teil (A) erläutert.

1. Verbindung mit einem PC zum ADSL-Router herstellen und anmelden.

2. Die Wireless- oder WLAN-Einstellungen aufrufen.

3. Einen Namen für das WLAN (hier 4Home) vergeben und die voreingestellten Parameter für das Frequenzband und die Kanäle zunächst übernehmen (Abbildung C1). Details zu den optimalen Parametern können in Kapitel 4 nachgelesen werden.

link5y5'

A Division ol Cisco Systems, Inc.

Firmware-Version:V1.00.07

Wireless-N ADSL2+ Gateway

WAG160N

Wireless

Einrichtung Wireless

j Anwendungen Sicherheit . . .. , und Verwaltung beschrankungen c . , 3 3 Spiele

Status

Grundlegende Wireless-Einsteilungen

1 Wireless-Sicherheit | Wireless-MAC-Filter I Erweiterte Wireless-Einstellungen

Grundlegende Wireless-

-"N.

Hilfe

Wireless-Konfiguration:

( <• Manuell)C Wi-Fi Protected Setup

Netzwerkmodus:

| Gemischt ^ |

Netzwerkname (S5ID):

^H&mTj

Frequenzband:

140-MHz-Zusatzkanal

Zusatzkanal:

fT3

Standardkanal:

111-2,462 GHz

Wireless-SSID-Übertragung:

@ Aktivieren C Deaktivieren

• 1 | I * I | 1

Einstellungen speichern Änderungen verwerfen

CISCO

Abbildung C.1: Die grundlegenden Einstellungen für das WLAN

Die Einstellungen speichern und Wireless-Sicherheit selektieren.

Für den Sicherheitsmodus und die Verschlüsselung sind die gewünschten Methoden sowie ein vorläufiger gemeinsamer Schlüssel (Abbildung C2) anzugeben. Abschließend die Einstellungen speichern. MAC-Filter und Erweiterte Wireless-Einstellungen sind zunächst nicht notwendig und sollten deshalb auch nicht aktiviert werden.

Linksys

A Division of Cisco Systems. Inc.

Firmware-Version :V1.00.07

Wireless-N ADSL2+ Gateway

WAG160N

Wireless

Einrichtung

Wireless

Sicherheit . Zugangs-
beschran kungen

Anwendungen
und Verwaltung Spiele

Status

Grundlegende Wireless-Einstellungen I Wireless-Sicherheit I Wireless-MAC-Filter | Erweiterte Wireless-Einstellungen

Abbildung C.2: Festlegen der Sicherheitseinstellungen

Bei der Einstellung der WLAN-Sicherheit hängt es davon ab, welche Methoden von den per WLAN zu verbindenden Clients unterstützt werden. Weil dies oftmals nicht von vornherein bekannt ist, sondern erst später bei der Konfigurierung ersichtlich wird, sollte hier zunächst eine Methode gewählt werden, die sicherheitstechnisch nicht zu »hoch greift«. Prinzipiell bestimmt die Einheit mit den ältesten (und unsichersten) Optionen, welche Methode für das WLAN gemeinsam zur Anwendung kommen kann. Es ist deshalb gut zu überlegen, ob für Einheiten, deren Optionen aus heutiger sicherheitstechnischer Sicht nicht mehr ausreichen, entsprechende Updates eingespielt werden können. Nur in Ausnahmefällen - zum ersten Test der WLAN/Verbindung - sollte das WLAN ohne Sicherheitsmodus (Abbildung C3) betrieben werden.

Abbildung C.3: Jeder ADSL/WLAN-Router kennt neben verschiedenen Sicherheitsmodi auch die Funktion ohne Sicherheit.

Für die Überprüfung der WLAN-Funktionalität empfiehlt sich aus Gründen der Flexibilität ein PC, ein Notebook oder ein Netbook mit einer Windows-Version, welches in der Nähe des Routers zu positionieren ist.

6. Auf dem zu verbindenden Windows-PC (Netbook) mit WLAN-Adapter sollte sichergestellt werden, dass Letzterer aktiv und nicht abgeschaltet ist (Abbildung C4). Beispielsweise ist dies am WLAN-Symbol in der Taskleiste zu erkennen. Falls kein Einschalten des WLAN-Adapters möglich sein sollte, ist der Treiber hierfür in der Systemsteuerung zu überprüfen. Oftmals gibt es bei Netbooks auch einen separaten Schalter, der für das Ein- und Ausschalten des WLAN-Adapters zuständig ist.

Drahtlose Netzwerfcverbindung

j 11:10

Abbildung C.4: Das WLAN ist eingeschaltet und betriebsbereit.

Aufruf der Drahtlosen Netzwerkverbindung, beispielsweise durch einen Klick auf das WLAN-Symbol in der Taskleiste, woraufhin der Status der Verbindung (Abbildung C5) mit dem beim Router angegebenen Namen (4Home) angezeigt wird. Die Signalstärke sollte dabei ausreichend sein. Wenn dies nicht der Fall ist oder das Netzwerk überhaupt nicht detektiert wird, stimmt mit dem Router etwas nicht, dessen Einstellungen daraufhin noch einmal (s. o.) zu überprüfen sind.

Abbildung C.5: Das WLAN verfügt über eine hervorragende Signalstärke.

Selektierung der Eigenschaften von Drahtlose Netzwerkverbindungen (Abbildung C5). Hier sind die Windows-typischen Elemente zu finden (vgl. Abbildung B5), und wie im zweiten Abschnitt erläutert, müssen hier lediglich drei davon aktiviert werden. Die IP-Adresse sollte auch hier manuell angegeben werden und muss im gleichen Netz wie der ADSL-Router und die der anderen PCs liegen. Selektierung von Drahtlosnetzwerke (bei Eigenschaften von Drahtlose Netzwerkverbindungen). Hier taucht wahrscheinlich bereits automatisch das eigene WLAN auf, ansonsten ist dies über Drahtlosnetzwerke anzeigen zu initiieren. Möglicherweise sind hier mehrere WLANs (auch das vom Nachbarn) zu finden, woraufhin das eigene (4Home) über Eigenschaften auszuwählen ist.

9.

Abbildung C.6: Selektierung des zu konfigurierenden WLAN

10. Wichtig sind nun die Angaben unter Zuordnung, wie die Netzwerkauthentifizierung, was beim Router als Sicherheitsmodus (Abbildung C2) bezeichnet wird, sowie der Typ der Datenverschlüsselung und der zuvor vergebene Netzwerkschlüssel. Diese Daten müssen mit denen beim Router übereinstimmen, wobei es nicht immer ersichtlich wird, welche Parameter mit den unterschiedlichen Bezeichnungen eigentlich gemeint sind. Falls die Parameterabstimmung (zwischen Router und Client) nicht korrekt zu sein scheint, weil das WLAN zwar gefunden wird, jedoch keine funktionierende Verbindung hergestellt werden kann, sollte die grundsätzliche Funktionsfähigkeit des WLANs überprüft werden, wobei das WLAN (kurzzeitig) ohne Sicherheitsmodus (Netzwerkauthentifizierung: Offen) betrieben werden kann. Dabei ist ebenfalls zu beachten, ob tatsächlich eine manuelle Vergabe der IP-Adresse (Punkt 8) beim Client vorgesehen ist oder ob dies per DHCP erfolgen soll, sodass diese Option beim Router auch aktiviert sein muss.

Abbildung C.7: Festlegen der WLAN-spezifischen Daten

11. Die einfachste Methode zur Funktionsüberprüfung ist die Verbindungsaufnahme des Netbooks mit dem Internet durch den Aufruf des Browsers. Falls dies nicht funktionieren sollte, ist ein Ping-Befehl auf die Adresse des Routers abzusetzen. Führt dies ebenfalls nicht zum Erfolg, können die vorherigen Schritte nicht erfolgreich absolviert worden sein, was demnach zu wiederholen wäre. Ein Ping vom LAN auf die IP-Adresse des Netbooks kann ebenfalls weiteren Aufschluss über die Fehlerursache bieten.

Alle Windows-Clients, die sich im gleichen Netz wie der ADSL/WLAN-Router und in der gleichen Windows-Arbeitsgruppe befinden, wobei es keine Rolle spielt, ob sie per Kabel oder per WLAN integriert werden, tauchen gemeinsam in der Netzwerkumgebung auf, woraufhin Freigaben und Verbindungen zwischen den einzelnen Computern konfiguriert werden können. Probleme ergeben sich dabei meist durch nicht passende Einstellungen der Firewalls (siehe Text im vorherigen Abschnitt).

D Tablet-PC mit Android

Wenn sichergestellt ist, dass der ADSL/WLAN-Router - mithin das WLAN - einwandfrei funktioniert, ist es relativ einfach, auch andere Clients wie Tablet-PCs oder Smartpho-nes damit zu verbinden.

Während Geräte mit dem Betriebssystem iOS (Abschnitt D), die ausschließlich von der Firma Apple hergestellt werden, sowohl in der Menüstruktur als auch in den Konfigurationsmöglichkeiten (fast) identisch sind, ist dies bei den Smartphones und Tablet-PCs, die mit dem »alternativen« System Android arbeiten, nicht der Fall. Dies ist nicht verwunderlich, weil es erstens verschiedene Versionen davon gibt (meist verwendete ab Versionen 2.3.x bis 4.x) und zweitens, weil hier jeder Hersteller seine eigenen Vorstellungen mit einbringen und umsetzen kann. Deshalb können auch die für die Netzwerkkonfigurierung zur Verfügung stehenden Optionen und die Einstellungen unterschiedlich sein. Beispielsweise gibt es Geräte, die eine Option wie wLAN - Erweitert unterstützen, wo eine manuelle IP-Adresseneinstellung möglich ist, sonst wird automatisch DHCP verwendet. Die manuelle IP-Adresseneinstellung ist in Abhängigkeit vom Hersteller und Gerätetyp möglicherweise auf andere Art und Weise einstellbar, mitunter ist diese Option auch gar nicht vorgesehen. Deshalb wird im Folgenden eine einfache Möglichkeit mit einem Android-Tablet (Medion Lifetab mit Android 3.2) gezeigt, das mit DHCP konfiguriert wird, was eigentlich immer funktioniert, wenn der ADSL/WLAN-Router (Abschnitt B) zuvor korrekt eingestellt worden ist.

Wie im vorherigen Abschnitt erläutert, ist es am einfachsten, wenn das WLAN bereits mit einem Windows-Client seine Funktionstüchtigkeit bewiesen hat. Feste IP-Adressen werden für diese Clients nicht festgelegt, sondern sie müssen vom ADSL/WLAN-Router zugeteilt werden. Ob dies eine explizite Einschaltung von DHCP für das WLAN erfordert oder ohne weiteres Zutun automatisch erfolgt, hängt vom jeweiligen Router ab. Beim verwendeten Linksys-Modell reicht es aus, wenn DHCP bei den LAN-Netzwerkeinstel-lungen aktiviert wird (Abbildung D1), was dann sowohl für das WLAN als auch für das kabelgebundene LAN (!) gilt. Eine separate DHCP-Einstellungsmöglichkeit (LAN, WLAN) wäre zu bevorzugen, um eindeutige Zuordnungen herstellen zu können. Eine gewisse Übersicht ist jedoch durch die explizite Festlegung einer Start-IP-Adresse zu schaffen, sodass alle mobilen Clients dann in einem bestimmten Bereich liegen.

Abbildung D.1: DHCP muss für die mobilen Clients (WLAN) beim Router aktiviert sein, was beim Linksys-Router unter LAN geführt wird.

1. Selektieren von Einstellungen und Drahtlos und Netzwerke auf dem Android-Client. Anschließend ist die Option WLAN aktivieren auszulösen. Damit wird der Netzwerkadapter beim Tablet-PC aktiviert, woraufhin die Suche nach verfügbaren WLANs (Scan, Abbildung D3) startet. Falls das gewünschte WLAN nicht gefunden wird, ist der dazugehörige ADSL/WLAN-Router nicht in Betrieb.

V Drahtlos & Netzwerke

Drahtlos & Netzwerke

4H Töne CX3 Dolby Mobil 0 Bildschirm

Ftugmodus j

Alle drahtlosen Verbindungen deaktivieren LJ

WUN 0

WLAN aktivleren 1

|2 Standort & Sicherheit 0 Apps

Konter» & Synchr. ■ Datenschutz

WLAN-Einste Hungen

WLAN-Zugangspunkt« festlegen und verwalten

Bluetooth n

Bluetooth aktivieren

Bluetooth-Einstellungen

Verbindungen, Geratenamen und Erkennbarkeit verwalten

fl Speicher

Tethering & mobiler Hotspot

Mobile Datenverbindung Ihres Tablets über USB, WLAN oder Bluetooth freigeben

Q Sprache & Eingabe £ Eingabehilfen © Datum & Uhrzeit

VPN-Einstellungen

Virtual Private Networks (VPN5) einrichten und verwalten Mobilfunknetze

Optionen für Roaming, Netzwerke, APNs festlegen

® Über das Tablet

Abbildung D.2: Das WLAN wird aktiviert, woraufhin die Suche startet.

2. Die gefundenen WLANs werden angezeigt. Über WLAN-Einstellungen und WLAN-Netzwerk hinzufügen kann explizit nach einem WLAN gesucht werden, dessen SSID hierfür einzugeben ist. Unter WLAN-Netzwerke werden all diejenigen WLANs angezeigt, die jemals mit diesem Tablet verbunden gewesen sind.

Drahtlos & Netwerke WLAN-Einstellungen

Netzwerkhinweis

Benachrichtigen, wenn ein offenes Netzwerk vertagbar Ist

WIAN-Standby-Richtlinie

Festlegen, wann von MAN out mobile Daten umgeschaltet werden soll WUN-NMWHkl 4Home

Nicht In Reichwelte, gesichert mit WPA/WP«-PSK
eduroam

Nicht in Reichweite, gesichert mit 802,ix EAP WLAN-Netzwerk hinzufügen

Abbildung D.3: Ein WLAN soll hinzugefügt werden.

3. Das gewünschte WLAN selektieren oder explizit eingeben, die Daten (Sicherheit, Passwort) hierfür eingeben und den Vorgang mit speichern abschließen (Abbildung D4).

Abbildung D.4: Der WLAN-Zugang wird mit den zum ADSL-Router passenden Daten konfiguriert.

4. Wenn das betreffende WLAN angelegt worden ist, können diese Parameter nachträglich eingesehen und auch verändert werden, was allerdings bei den verschiedenen Android-Clients unterschiedlich gelöst wird, sodass es bei notwendigen Änderungen oftmals einfacher ist, das WLAN zu selektieren, Entfernen auszulösen und es daraufhin mit den passenden Daten wieder neu anzulegen. Beim verwendeten Medion Tablet MD99000 mit Android 3.2 erhält man durch das Drücken auf den jeweiligen Netzwerkeintrag nur die Optionen Entfernen und Abbrechen. Wenn man etwas länger drückt, erscheinen hingegen die Punkte Netzwerk entfernen und Netzwerk ändern, sodass dann die Parameter eines bereits angelegten Netzes verändert werden können, wie die Umschaltung zwischen DHCP und manueller IP-Adresseneinstellung (Abbildung D5).

4Home

Sicherheit Passwort

WPA/WPA2-PSK

Proxy-Einstellungen

DHCP Statisch

IP-Einstellungen

Statisch

4

Speichern

Abbrechen

Abbildung D.5: Optional können die Einstellungen für das WLAN geändert werden.

5. Nach der Eingabe der Daten (Abbildung D4) sollte das WLAN kurze Zeit später mit dem Status Verbunden unter wLAN-Netzwerke (Abbildung D6) auftauchen.

Drahtlos & Netzwerke WLAN-Emsiellungen

m

^Verbunden mii Hörne J

Netzwerkhinweis

m

Benachrichtiger, wenn ein offenes Netzwerk verfügbar ist

WLAN-Standby-Richtlinie

Festlegen, wann von WLAN aui mobile Daten umgeschaltet werden soll

WLAN-Netzwerke

4Home

Verbunden

eduroam

Gesichert mit 802-lx EAP

tö

VPN/WEB

Gespeichert

WLAN-Netzwerk hinzufügen

Abbildung D.6: Das WLAN ist verbunden und die Signalstärke hervorragend.

6. Falls keine Verbindung zustande kommen sollte, ist das Menü vom ADSL/WLAN-Router für eine Überprüfung aufzurufen. Jeder gebräuchliche Router kennt eine Funktion, um seine verbundenen WLAN-Clients anzuzeigen, was - je nach Modell

- in unterschiedlichen Menüs untergebracht sein kann. Bei dem beispielhaft verwendeten Modell der Firma Linksys (WAG160N) ist die besagte Liste über Wireless

- Wireless-MAC-Filter - Liste der Wireless-Clients einsehbar, und an dieser Stelle sollte auch der Tablet-PC (als unknown, Abbildung D6) erscheinen. Falls dies nicht der Fall ist, aber andere Wireless-Clients, wie etwa das zuvor konfigurierte Netbook, angeführt werden, ist der Fehler bei der Konfigurierung des Tablet-PC zu suchen.

Abbildung D.7: Zwei Clients haben sich mit dem ADSL-Router über das WLAN verbunden.

Die gezeigte einfache Möglichkeit, mit einem Tablet-PC - oder auch mit einem Smartphone - eine WLAN-Verbindung aufzubauen, ist in sicheren Umgebungen wie Zuhause oder am Arbeitsplatz üblicherweise mit keinem zusätzlichen Sicherheitsrisiko verbunden. Anders ist die Situation, wenn allgemein zugängliche WLAN-Hotspots zum Verbindungsaufbau genutzt werden sollen. Dabei kann man sich keineswegs sicher sein, dass die Verbindung tatsächlich mit dem angegebenen Hotspot hergestellt worden ist und nicht etwa mit einem Handy, welches sich dafür ausgibt, denn der Android-Client überprüft lediglich den Hotspot-Namen. Das Ausspionieren von Daten ist damit sehr einfach möglich.

Deshalb sollte in unsicheren Umgebungen stattdessen eine VPN-Verbindung (Kapitel 7.10) angelegt werden, weil die Daten dabei verschlüsselt werden. Android bringt hierfür alle aktuellen Möglichkeiten mit. Das Tethering, das Datenverbindungen für andere Geräte freigeben kann, sowie Bluetooth sollten in solchen Umgebungen ebenfalls nicht aktiviert sein.

Computer mit Mac OS X

Die Netzwerkkonfigurierung von Computern der Firma Apple (Macintosh, iMac, MacBook, Powerbook), die mit dem Betriebssystem Mac OS X arbeiten, ist recht einfach durchzuführen. Nennenswerte Unterschiede aufgrund der verschiedenen Versionen (10.2: Jaguar bis 10.7: Lion) gibt es dabei nicht, und standardmäßig wird auch IPv6 unterstützt. Grundsätzlich werden die Netzwerkeinstellungen in sogenannten Netzwerkumgebungen geführt, sodass der Wechsel von Standorten (Arbeitsplatz, Zuhause), die unterschiedliche Netzwerkfestlegungen benötigen, keine Neu- oder Umkonfigurierung der Computer erfordert. Wie bei anderen Betriebssystemen auch wird TCP/IP als Netzwerkprotokoll verwendet. das herstellereigene Apple Talk hingegen seit der Version 10.6 nicht mehr unterstützt.

1. Selektierung des Apfel-Menüs und Systemeinstellungen.

E

2. Auswahl von Netzwerk unter Internet & Drahtlose Kommunikation (Abbildung E1).

Abbildung E.1: Selektierung und Aufruf der Netzwerkeinstellungen

3. Im linken Teil der daraufhin erscheinenden Netzwerk-Seite (Abbildung E2) werden die vorhandenen Netzwerkschnittstellen aufgeführt. Für LAN-Verbindungen ist der Ethernet-Eintrag und für WLAN-Verbindungen AIRPORT zu selektieren. Oben auf der Seite ist eine Bezeichnung für die Umgebung festzulegen.

Abbildung E.2: Manuelles Festlegen der IP-Adressen

4. Nach der Selektierung des Ethernet-Punktes taucht als erste Option auf, welche Methode (DHCP, DHCP mit manueller Adresse, BootP, Manuell) für die Zuteilung der IP-Adresse verwendet werden soll. Die jeweiligen Vor- und Nachteile sind bereits ausführlich (z. B. in Kapitel 6.4 und Kapitel 6.10.7) behandelt worden. Praktikabel ist in den meisten Umgebungen entweder (reines) DHCP oder Manuell (Abbildung E2).

5. Jetzt erfolgt die Festlegung der IP-Adresse, der Teilnetzmaske (Subnet Mask), der Router-IP (Gateway) sowie eines DNS-Servers, wie es auch bei Windows (Abschnitt B) üblich ist. Abweichend davon ist bei Mac OS an dieser Stelle auch noch eine Such-Domain bestimmbar. Die hier angegebene Bezeichnung ist für die schnelle Selektierung von häufig zu benutzenden Internet-Seiten gedacht. Falls an dieser Stelle Apple.com spezifiziert wird, reicht es aus, im Webbrowser Store anzugeben, um somit gleich unter store.apple.com zu landen.

6. Die weiteren Optionen (IPv6, 802.1X, Proxies) können in den meisten Fällen zunächst unberücksichtigt bleiben. Wichtig ist an dieser Stelle nur noch, dass nach dem Abschluss der Einstellungen Anwenden angeklickt wird, woraufhin die Parameter in Kraft treten und sich der Status der Verbindung in Verbunden ändert.

Apple-Computer können wie Windows-Computer gemeinsam in Arbeitsgruppen organisiert werden und Ressourcen untereinander freigeben und verbinden, was bei Apple -wie bei Linux - als mounten bezeichnet wird. Im einfachsten Fall reicht bei Mac OS die Einschaltung der Dateifreigabe über Systemeinstellungen - Freigaben (Sharing) aus. Damit können zunächst die Gastverzeichnisse der lokalen Benutzer freigegeben werden. Empfehlenswert ist das separate Anlegen von freizugebenden Ordnern und von ausgewiesenen Nutzern, die dann auf diese Mac OS-Freigaben zugreifen dürfen, was über Benutzer unter Freigaben festgelegt werden kann.

Abbildung E.3: Hier gibt der Apple-Computer (MacMini) den Ordner Schreibtisch für jeden Benutzer zum Lesen und Schreiben frei.

Eine Anmeldung an einem (Windows-)Server ist ebenfalls möglich, was beispielsweise über Benutzer - Systemsteuerung und die Startobjekte zu konfigurieren ist. Grundsätzlich unterscheidet Mac OS X nicht wie Windows zwischen Mitgliedern von Arbeitsgruppen und Mitgliedern von Domänen. Damit eine Anmeldung eines Mac OS-Clients an einer Windows-Domäne (Active Directory) möglich ist, sind auf beiden Seiten (Client und Server) einige Anpassungen notwendig, die insbesondere beim Einsatz von Roaming Profiles nicht gerade trivial sind. Deshalb ist das Anmelden eines Macs an einer Windows-Arbeitsgruppe bzw. an einer Windows-Domäne, die von Mac OS aber nur als Arbeitsgruppe erkannt und verwendet werden kann, die üblichere Methode.

Die von Windows her bekannten Tools, die insbesondere für die Fehlersuche im Netzwerk hilfreich sind, wie beispielsweise Ping oder Lookup, gibt es auch bei Mac OS, und zwar praktischerweise zusammengefasst unter Netzwerkdienstprogramm, was über Programme -Dienstprogramme zu finden ist.

ft oo Netzwerkdienstprogramrri

' Informationen Netstat AppleTalk Pirig Lookup Trace Whois Finger Portscan

Bitte wählen Sie die Net2werkschnittsteile, über die Sie Informationen erhalten möchten:

Netzwerkschnittstelle (enl)_hT)

Schnittstelleninformationen Übertragungsstatistik

Hardwareadresse: 00:17:f2:fd:Sb:0e Gesendete Pakete: 3083

IP-Adresse(n); 192.168.1.100 Sendefehler: 0

Verbindungsgeschwindigkeit: 54 MBit/s Empfangene Pakete: 3131

Verbindungsstatus: Aktiv Empfangsfehler: 0

Hersteller: Apple Kollisionen: 0

Modell: Wireless Network

Adapter (802.11 a/b/g)

Abbildung E.4: Alle wichtigen Netzwerk-Tools sind bei Mac OS im Netzwerkdienstprogramm untergebracht.

F Geräte mit iOS - iPhone, iPad

Das Betriebssystem iOS wird auf den mobilen Geräten wie dem iPhone, dem iPod Touch und dem iPad der Firma Apple eingesetzt. Auch wenn sie sich von der Funktionalität her voneinander unterscheiden und verschiedene iOS-Versionen installiert sein mögen, ist die Netzwerkkonfigurierung prinzipiell die gleiche, denn es gibt jeweils nur einen WLAN-Adapter in diesen Geräten. Bei Apple firmiert ein WLAN, ungeachtet der jeweiligen Implementierung, unter Wi-Fi.

Abbildung F.1: Bei allen Geräten mit iOS-Betriebssystem gelangt man über Einstellungen zur WLAN-Konfigurierung.

Damit der iOS-Client eine Funkverbindung aufnehmen kann, wird dementsprechend ein WLAN-Access Point bzw. ein ADSL-Router mit WLAN-Interface (vgl. Kapitel C) oder ein Computer (PC, Apple) mit einem WLAN-Interface benötigt. In einer derartigen Compu-ter-zu-Computer-Konstellation wird das WLAN-Interface eines Windows-PC üblicherweise als Drahtloses Ad-hoc-Netzwerk verwendet, was zuvor entsprechend anzulegen ist.

Ausgangspunkt ist bei Windows Eine Verbindung oder ein Netzwerk einrichten. Falls wie in der Abbildung A7 keine drahtlose Ad-hoc-Verbindung zur Konfigurierung angeboten wird, ist der WLAN-Adapter des Computers deaktiviert, der hierfür einzuschalten bzw. zu aktivieren ist.

Abbildung F.2: Das drahtlose Ad-hoc-Netzwerk kann für den Datenaustausch unterschiedlicher Clients verwendet werden.

Die weitere Konfigurierung erfolgt Windows-typisch mit den Angaben für einen Sicherheitstyp (WEP, WPA) und für einen Schlüssel, wie es in Abschnitt C gezeigt ist. Zu beachten ist allerdings, dass für Windows Ad-hoc-Verbindungen im Gegensatz zum Infrastrukturmodus andere Sicherheitstypen in Verbindung mit Clients gelten, sodass zunächst WEP (Abbildung F3) auszuprobieren ist, bevor strengere Maßnahmen festgelegt werden.

Abbildung F.3: Das Computer-zu-Computer-Netzwerk ist unter Windows angelegt.

1. Anlegen eines Ad-hoc-Netzwerkes oder Konfigurieren eines WLAN-Routers (ADSL) als »Gegenstation« für die iOS-Clients.

2. Positionieren des Clients in der Nähe des WLAN-Zugriffspunktes.

3. Selektieren von Einstellungen und wi-Fi auf dem iOS-Client (Abbildung F4).

Abbildung F.4: Aufruf der WLAN-Einstellungen

4. Wi-Fi lässt sich gegebenenfalls erst durch Schieben des Symbols von »O« auf »I« einschalten (Abbildung F5). Dann werden im Bereich Netzwerk wählen die detek-tierten WLANs angezeigt. Hier ist das gewünschte - zuvor konfigurierte - auszuwählen, das hier zum Beispiel mit WAH-Netz bezeichnet wurde (vgl. auch Abbildung F3).

Abbildung F.5: Selektierung des gewünschten WLAN

5. Die gewählte Verschlüsselung wird meist automatisch erkannt, sodass nur noch der Schlüssel - das Kennwort - von WAH-Netz einzugeben und Verbinden zu selektieren ist (Abbildung F6).

Abbildung F.6: Kennwort eingeben und verbinden

6. Der iOS-Client kann jetzt bereits mit dem Computer oder dem Router verbunden sein, was durch einen Haken am Netzwerkeintrag zu erkennen ist.

7. Zur Kontrolle ist der blaue Punkt mit dem weißen Rechtspfeil beim WAH-Netz-Eintrag (Abbildung F5) zu selektieren, woraufhin unter IP-Adresse die Optionen DHCP, BootP und Statisch erscheinen. In Abhängigkeit vom Verbindungstyp empfiehlt es sich, entweder eine feste Adresse (Statisch) mit den weiteren üblichen Optionen (vgl. auch Abschnitt E und Abbildung E2) anzugeben, etwa beim Ad-hoc-Netzwerk, oder aber DHCP einzuschalten, wie es mit einem Router (WLAN Access Point) üblich ist.

Kennwort ••<•••••*•!

Abbildung F.7: Bei Selektierung von DHCP ist nichts weiter einzugeben, bei Statisch sind alle Parameter hingegen manuell festzulegen.

8. Spätestens jetzt sollte die Verbindung zustande kommen, womit die Konfigurierung abgeschlossen wäre. Falls keine Verbindung möglich ist, sind die Einstellungen des WLAN-Kommunikationspartners (Access Point/ADSL-Router bzw. der PC/Notebook mit WLAN-Interface) zu überprüfen, wie es in den Abschnitten B und C gezeigt ist.

IP-Adresse

t I l'-t-'r r> v

I

G Linux-Computer

Es gibt eine ganze Reihe von unterschiedlichen Linux-Distributionen, die sich sowohl im Erscheinungsbild und im Funktionsumfang als auch von den Konfigurationsmöglichkeiten her unterscheiden. Gemein ist allen aktuellen Linux-Versionen allerdings, dass sie nicht nur grafisch orientierte Desktops bieten, die nicht selten an das Windows-Lock&Feel angelehnt sind, sondern dass sich auch die Konfigurierung stark vereinfacht hat und keine (mitunter kryptisch anmutenden) Tools auf der Kommandozeilenebene (im Terminal) mehr für die Konfigurierung eingesetzt werden müssen. In den letzten Jahren hat sich insbesondere Ubuntu sehr stark entwickelt und bewährt, das im Folgenden als Beispiel für die Netzwerkkonfigurierung bei Linux verwendet wird.

1. Aufruf von system - Einstellungen - Netzwerkverbindungen, woraufhin ein Fenster mit allen möglichen Netzwerkverbindungen und den Bezeichnungen Kabelgebunden, Funknetzwerk, Mobiles Breitband, VPN und DSL auftaucht. Mindestens diese fünf Verbindungstypen werden standardmäßig für die Konfigurierung angeboten, auch wenn die hierfür notwendige Hardware (WLAN-Adapter, SIM-Karte) im Computer möglicherweise gar nicht vorhanden ist.

2. Für eine LAN-Verbindung ist Kabelgebunden zu selektieren, für die Verbindung mit einem WLAN die Option Funknetzwerk.

Abbildung G.1: Von den fünf theoretisch möglichen Netzwerkverbindungen wird der Ethernet-Adapter verwendet, dessen Einstellungen zu bearbeiten sind.

Um das LAN zu verwenden, muss unter Name ein Eintrag wie Auto ethü (Abbildung Gl) zu finden sein, womit der erste Ethernet-Adapter des Systems gemeint ist. Falls hier kein Eintrag steht, kann im System über Hinzufügen nach einem LAN-Adapter gesucht werden, der dann durch die Betätigung von Anwenden ... für das LAN benutzt werden kann. Wird hingegen kein eth-Adapter detektiert, ist entweder keiner im Computer vorhanden, oder aber Linux konnte ihn nicht identifizieren, sodass über Kabelgebunden keine LAN-Verbindung aufgebaut werden kann.

Durch die Selektierung des Adapters (Auto ethü) und Anklicken von Bearbeiten werden die Konfigurationsoptionen für den Adapter angezeigt. Wichtig ist zunächst allein IP4-Einstellungen.

Bei den IP4-Einstellungen sind DHCP und Manuell die beiden üblichen Methoden, wobei bei der Selektierung von DHCP dann nichts weiter anzugeben, sondern nur noch Anwenden ... auszulösen ist.

3.

4.

5.

Abbildung G.2: Manuelle Festlegung der Parameter für den ethO-Adapter

6. Bei der manuellen Eingabe (Abbildung G2) ist zu beachten, dass die IP-Adresse, die Netzmaske und die IP-Adresse des Gateways (Router) in einer zusammenhängenden Zeile (hintereinander) anzugeben sind, (optional) gefolgt von der IP-Adresse eines DNS-Servers. Falls man aus Versehen den HiNzuFüGEN-Button mehr als einmal angeklickt hat, werden unter Adressen weitere Zeilen für die drei Adressenangaben aufgemacht, sodass hier auch entsprechende Angaben erwartet werden und der Anwenden ...-Button so lange inaktiv geschaltet bleibt und die Einstellungen nicht erfolgreich gespeichert werden können. In solch einem Fall sind die Leerzeilen per Löschen wieder zu entfernen.

7. Die Einstellungen für das Funknetzwerk lassen sich im Nu durchführen, wenn hierfür DHCP und ein funktionierender WLAN-Access Point (im ADSL-Router) verwendet werden. Grundsätzlich ist die gleichzeitige Verwendung eines WLAN und eines LAN von einem Computer zum gleichen Kommunikationspartner (Access Point/ADSL-Router) nicht zulässig. Zur WLAN-Konfigurierung ist Funknetzwerk anzuklicken, woraufhin die automatisch gefundenen bzw. die bereits einmal verwendeten WLANs (Abbildung G3) angezeigt werden.

Abbildung G.3: Selektierung der Funknetzverbindung 1, die bearbeitet werden soll

8. Die Bearbeitung der Funknetzverbindung 1 umfasst die Angabe des WLAN-Netz-werknamens (SSID), wobei auch hier wieder das in den vorherigen Abschnitten verwendete 4home vom ADSL/WLAN-Router verwendet wird, sodass der Modus Infrastruktur auszuwählen (Abbildung G4) ist und die Angaben mit Anwenden zu übernehmen sind.

Abbildung G.4: Bearbeiten der Angaben zum Funknetzwerk 1

9. Unter Sicherheit des Funknetzwerks sind die Angaben für die Sicherheit (WPA & WPA2 Personal) mit dem dazugehörigen Passwort anzugeben (vgl. Angaben in Abbildung D4) und unter IPv4-Einstellungen nur noch Automatisch (DHCP) beim Punkt Methode, was jeweils mit Anwenden wieder zu übernehmen ist, womit die WLAN-Konfigurierung abgeschlossen ist.

10. Für den Funktionstest empfiehlt sich wieder der Aufruf des Internet-Browsers. Falls damit keine Internet-Verbindung zustande kommen sollte und der ADSL-Router (wie zuvor des Öfteren behandelt) nicht die Fehlerursache sein kann (weil andere Clients damit einwandfrei funktionieren), sollte die Proxy-Einstellung überprüft werden. Beim Standard-Browser Firefox geht dies über Bearbeiten - Einstellungen - Verbindung (Festlegen, wie Firefox sich mit dem Internet verbindet) - Einstellungen und dann Kein Proxy.

Die bekannten Netzwerktools, die sich insbesondere für den Test und die Fehlersuche eignen, wie Ping, Traceroute oder auch Lookup, existieren auch für Linux/Ubuntu, und zwar wie bei Mac OS (Abschnitt E) zusammengefasst in einer Anwendung, bei Ubuntu unter System - Systemverwaltung - Netzwerkdiagnose.

Port-Scan - Netzwerkdiagnose

Ei

Programm Bearbeiten Hilfe

f

Geräte Ping Netzwerk status Traceroute Port-Scan Lookup Finger Whois

Netzwerk a dresse: 192.168.1.11

Anhalten

Port

Status

Dienste

135

offen

loc-srv

139

offen

netbios-ssn

445

offen

microsoft-ds

1025

offen

unbekannt

1026

offen

unbekannt

1027

offen

unbekannt

1028

offen

unbekannt

1029

offen

unbekannt

1030

offen

unbekannt

192,166,1.11 wird auf offene Ports überprüft

Abbildung G.5: Ubuntu bietet für die Netzwerkdiagnose die üblichen Tools, wozu auch ein Port-Scanner gehört, der hier die offenen Ports eines anderen PC mit Windows 7 ermittelt.

Kapitel 4

Wireless LANs

Gegenüber den zuvor behandelten kabelbasierten Netzwerklösungen weisen WLANs von der Stabilität und von der Leistung her einige Nachteile auf, doch sie sind auch nicht dazu gedacht, die üblichen LANs zu ersetzen. Vielmehr stellen WLANs eine Ergänzung oder auch Erweiterung von lokalen Netzen dar. Ein typisches WLAN-Einsatzgebiet ist zunächst überall dort, wo keine Kabel verlegt werden können oder sollen, also auch die Verwendung daheim, wo man nicht die Wände aufstemmen will, nur um ein paar PCs netzwerktechnisch miteinander zu koppeln.

WLANs bieten einen lokalen Funk, typischerweise mit einer Überdeckung von maximal 300 m. Die Nutzung ist für den Nutzer mit keinen oder nur mit geringen Kosten verbunden, etwa wenn kostenpflichtige Hot Spots aufgesucht werden müssen und kein kostenloser Zugang verfügbar ist, wie er dem Kunden bei vielen Coffee Shops (Starbucks), Restaurants und anderen Geschäften als Service angeboten wird. Der Sinn dieser WLAN-Realisierungen ist der Zugang zum Internet und nicht der Austausch von Daten oder die Verwendung bestimmter Peripherie (Drucker), wie es bei privaten und geschäftlichen LANs üblich ist.

WLANs gestatten somit auch von unterwegs einen sehr kostengünstigen Internet-Zugang. Wo sich entsprechende Hot Spots für die Einwahl in ein WLAN befinden, kann beispielsweise über die Wi-Fi-Internet-Seite in Erfahrung gebracht werden. Die Alternative ist die Verwendung eines Adapters - oft in Form eines USB-Sticks -, der die Einwahl in ein Mobilfunknetz gestattet, was im Grunde genommen wie bei einem Handy funktioniert, prinzipiell also weltweit, praktisch aber nur dort, wo ein ausreichend starkes Signal (des jeweiligen) Mobilfunkbetreibers gegeben ist. Die damit zu erzielenden Datenraten sind für die Internet-Nutzung vielfach völlig unzureichend und als Verbindungstechnologie auch zu teuer.

4.1 Einsatz

Bei WLANs gibt es generell mehrere Unwägbarkeiten, die die Nutzdatenrate gegenüber kabelbasierten Lösungen weniger vorhersagbar machen. Dazu gehört in erster Linie die Frage, wie direkt sich die zu überbrückende Luftstrecke darstellt, denn Dinge wie Möbel oder Wände stellen sich als Hindernisse dar. Außerdem ist die Datenrate auch von der Entfernung abhängig; sie wird mit größerem Abstand geringer, und die Geräte schalten automatisch einen oder mehrere »Gänge« herunter. Im günstigsten Fall erreicht man

mit WLANs laut IEEE 802.11b statt der theoretischen 10 MBit/s ungefähr gerade mal die Hälfte, und von 54 MBit/s bei den neueren WLAN-Realisierungen bleiben im Idealfall noch 32 MBit/s übrig.

Exkurs

Allgemein gilt, dass die angegebenen Datenübertragungsraten für WLANs stets als Brutto-Datenraten auf der MAC-Ebene zu verstehen sind, und was davon als Nutzdatenrate - quasi auf IP-Ebene - übrig bleibt, ist von so vielen Faktoren abhängig, dass verlässliche Vorhersagen für die erreichbare Datenrate deshalb nicht möglich sind.

Abbildung 4.1: Eine PCI-WLAN-Karte mit abnehmbarer Antenne

Für die WLAN-Kommunikation werden entsprechende PC-Adapterkarten benötigt. Für übliche Standard-PCs empfiehlt sich eine PCI-Karte (Abbildung 4.1) oder ein externer WLAN-USB-Adapter, während aktuelle Notebooks, einige PCs - auch Tablets und Net-books - sowie Handys und Smartphones bereits meist standardmäßig über einen eingebauten WLAN-Adapter verfügen.

Grundsätzlich können alle der genannten Geräte in einem WLAN miteinander kommunizieren, Voraussetzung ist hierfür, dass sie »alle die gleiche Sprache beherrschen«, d.h., mindestens einen gemeinsamen WLAN-Modus unterstützen. Eine Orientierung hierfür bietet das Wi-Fi-Symbol (siehe Kapitel 4.2.2), mit dem entsprechende kompatible Einheiten gekennzeichnet werden können. Auch wenn ein Gerät nicht explizit mit Wi-Fi gekennzeichnet ist, kann es möglicherweise dennoch mit anderen (Wi-Fi-)Netzwerkein-heiten kommunizieren, was letztendlich im jeweils implementierten WLAN-Standard (siehe Tabelle 4.1) begründet ist.

Abbildung 4.2: Das Wi-Fi-Menü bei einem Smartphone mit Android-Betriebssystem

In einem WLAN ist meist eine Basisstation vorhanden, die dann als Access Point (siehe WLAN-Topologien) bezeichnet wird. Erst ein Access Point bringt eine »richtige« NetzwerkFunktionalität ins WLAN, denn er fungiert auch als Bridge/Router zum LAN und wird hier per TP-Kabel angeschlossen.

Die Funktionalität eines Access Points ist bei einigen Geräten, insbesondere solchen für den Home- und Small Office-Bereich, bereits für den DSL-Zugang integriert. Die bekanntesten Geräte dieser Kategorie werden von der Firma AVM unter der Bezeichnung FRITZ! Box hergestellt.

analoges DSL- undTelefon- Telefon, Drucker, PC, Spiele- Notebook, PC, FRITZ!Fon oder UMT5-/HSRA-Telefon, Fax anschluss Telefon an läge Speicher- konsole, Smartphone, andere DECT- Modem und (analog/ISDN) medien Netzwerk Video/TV-Streaming Telefone USB-Geräte

Abbildung 4.3: Diese FRITZ! Box bietet neben der Funktionalität eines WLAN-Access Points eine ganze Reihe weiterer Optionen.

Je nach Modell sind hier ein ADSL/ADSL2+- sowie ein VDSL-Modem für den Internetanschluss integriert, unterschiedliche WLAN-Unterstützungen (IEEE 802.11) mit mehr oder weniger ausgeprägten Firewall-Mechanismen gegeben sowie ein integrierter DHCPServer eingebaut, der für die automatische Zuteilung von IP-Adressen an die WLAN-und LAN-Clients sorgen kann. Die Funktion eines LAN-Switches mit 100 MBit/s oder auch mit 1 GBit/s in Form von bis zu vier Anschlüssen ist dann ebenfalls vorhanden. Außerdem kann auch gleich eine Telefonanlage (ISDN, VoIP), ein Anrufbeantworter, eine DECT-Basisstation für schnurlose Telefone oder auch ein Mediaserver (Fotos, Musik, Video) mit integriert sein.

4.2 Standards

Im Jahre 1997 wurde der erste Standard für Wireless LANs (WLANs) unter IEEE 802.11 festgeschrieben, aber erst die entsprechenden Geräte laut der leistungsfähigeren Nachfolgernorm (IEEE 802.11b) haben ab dem Jahre 1999 den bis dato nicht gekannten Erfolg der WLANs begründet.

IEEE 802.11 stellt im Grunde genommen die drahtlose Ethernet-Realisierung dar. Es handelt sich daher auch hier - wie beim klassischen Ethernet - um ein System für ein Shared-Medium, allerdings basiert es eben nicht auf Kupfer- oder Lichtwellenleiter, sondern die Luft stellt quasi das Medium dar.

Für die ersten IEEE-WLANs kommt entweder ein Modulationsverfahren mit der Bezeichnung Frequency Hopping (FH) oder Direct Sequence (DS) zum Einsatz. Letzteres ist ab IEEE 802.11b als Standard anzusehen. Die nachfolgenden IEEE-WLAN-Standards sehen maximal 54 MBit/s (802.11a/g/h) vor, was im Wesentlichen durch ein verbessertes Modulationsverfahren (OFDM) erreicht wird. Näheres zu diesen Verfahren ist in Kapitel 4.3 zu lesen.

Standard

Einführung

Frequenzband

Max. Datenrate

Funktechnik

IEEE 802.11

1997

2,4 GHz

2 MBit/s

FHSS, DSSS

IEEE 802.11a

1999

5 GHz

54 MBit/s

OFDM

IEEE 802.11b

1999

2,4 GHz

11 MBit/s

DSSS

IEEE 802.11g

2003

2,4 GHz

54 MBit/s

OFDM

IEEE 802.11h

2003

5 GHz

54 MBit/s

OFDM

IEEE 802.11n

2009

2,4 GHz

600 MBit/s

OFDM-MIMO

Tabelle 4.1: Die wichtigsten Daten der IEEE 802.11-Standards

Systeme nach IEEE 802.11a arbeiten statt im 2,4-GHz- im 5-GHz-Bereich. Weil dieses Band in Europa von Ortungs- und Satellitenfunk sowie Radarsystemen verwendet wird, erfordert IEEE 802.11a eine europäische Anpassung, was im Standard IEEE 802.11h resultiert. Hier werden zusätzlich ein dynamisches Frequenzwahlverfahren (DFS: Dynamic Frequency Selection) und eine Steuerung für die Sendeleitung (TPS: Transmission Power) verlangt. Außerdem ist auf einigen Kanälen kein Betrieb im Freien erlaubt. Es sind unterschiedliche, maximale Sendeleistungen für den Indoor- und für den Outdoor-Betrieb (200 mW, 1000 mW) sowie mit und ohne DFS und TPC vorgeschrieben (30 mW), sodass Geräte dieses Standards relativ teuer und daher weniger verbreitet sind.

Geräte nach dem aktuellen Standard IEEE 802.11n sind für eine maximale Datenrate von bis zu 600 MBit/s vorgesehen. Dieser Standard verwendet ebenfalls OFDM und löst die Versionen IEEE 802.11a und IEEE 802.11g ab. Als wesentliche Neuerung wird bei IEEE 802.11n eine (Antennen-)Schaltungstechnik mit der Bezeichnung Multiple Input Multiple Output (MIMO, siehe folgendes Kapitel) eingesetzt. Aktuelle Einheiten nach diesem Standard werden mit einer Datenrate von 300 MBit/s bei einem Takt von 20 MHz ausgewiesen, und durch eine Verdopplung auf 40 MHz sind dann die 600 MBit/s prinzipiell möglich, was momentan aber noch nicht erreicht wird.

Die mit den neueren WLANs einhergehende Erhöhung der Datenrate ist nicht auf gänzlich neue Techniken zurückzuführen, dann wäre auch keine Rückwärtskompatibilität möglich. Der vielleicht nahe liegende Gedanke, die Sendeleistung zu erhöhen, damit die Signale stärker und besser zu empfangen sind, verbietet sich, denn in den Standards ist eine Maximalleistung festgeschrieben worden, die nicht überschritten werden darf. Stattdessen sind intelligentere Methoden notwendig, die in erster Linie auf verbesserten Kodierungs- und Modulationsverfahren basieren, die sich erst durch rechenstarke Prozessoren in den WLAN-Geräten realisieren lassen. Die notwendige Leistung dieser »Netzwerkprozessoren« ist deshalb, insbesondere unter dem Gesichtspunkt der Kompatibilität zu älteren IEEE 802.11-WLANs, die weiterhin zu berücksichtigen sind, beachtlich.

Ergänzend zu den in der Tabelle 4.1 angegebenen Standards beschäftigen sich einige Arbeitsgruppen mit weiteren IEEE 802.11-Standards, die sich nicht in erster Linie mit einer Erhöhung der Datenrate, sondern mit Optionen für die Datensicherheit, die Authentifizierung oder auch für das Roaming beschäftigen, wovon die wichtigsten in der Tabelle 4.2 angeführt sind.

Gruppe/Standard

Funktion/Beschreibung

IEEE 802.11d

Länderspezifischer Informationsaustausch für internationales Roaming

IEEE 802.11e

Implementierung von Quality of Service (QoS), insbesondere für IP-Telefonie

IEEE 802.11f

Definition des Protokolls für die Kommunikation zwischen Access Points (IAPP)

IEEE 802.11i

MAC-Erweiterungen für Datensicherheit und Authentifizierung

IEEE 802.11p

Verbesserungen für den Datenaustausch bei Fahrzeugen

IEEE 802.11r

Optimierungen für das Roaming (Fast Roaming)

IEEE 802.11s

Definition eines drahtlosen Mesh-Netzwerkes

Tabelle 4.2: Erweiterungen für IEEE 802.11-Standards

4.2.1 MIMO-Technik

Die Kanalbündelung (Channel Bonding, ab IEEE 802.11g) und die MIMO-Technik (ab IEEE 802.11n) sind wirkungsvolle Maßnahmen zur Erhöhung der Übertragungsqualität und damit der Datenrate. MIMO, was wie gesagt für Multiple Input Multiple Output steht, kennzeichnet, dass das Signal auf unterschiedlichen »Wegen« empfangen und auch gesendet werden kann, wofür mehrere Antennen zum Einsatz kommen. Wenn mehrere Antennen zusammengefasst arbeiten, ist ein stärkeres Empfangssignal möglich als mit nur einer Antenne, sodass eine Funkverbindung damit bereits verbessert werden kann.

Wichtiger ist jedoch, dass mit mehreren Antennen eine Richtwirkung erzielt wird, d.h., mithilfe der dazu passenden Elektronik (für jede Antenne) kann die Gegenstelle besser geortet und störende Signale können ausgeblendet werden, was als Spatial Diversity bekannt ist. Durch eine gezielte Ansteuerung der kombinierten Antennen lassen sich die Sende- und Empfangseigenschaften ganz erheblich verbessern.

Grundsätzlich gilt, dass mit längerer Übertragungsstrecke und entsprechend mehr störenden Objekten (Möbel, Wände etc.) der Datendurchsatz absinkt, sodass die MIMO-Technik in ungünstigen Umgebungen gegenüber den vorherigen üblichen IEEE 802.11-Verfahren keine merkliche Steigerung der Datenrate erbringen kann.

Abbildung 4.4: Die Mehrwegeausbreitung kann durch MIMO vorteilhaft ausgenutzt werden.

Dennoch kann eine MIMO-Installation durch ihre »intelligente Antennentechnik« von den normalerweise störenden Reflexionen, die für eine Mehrwegeausbreitung des Signals sorgen, profitieren, denn damit wird das Nutzsignal aus den einzelnen Signalen zusammengesetzt (Spatial Multiplexing).

Exkurs

Bei der MIMO-Technik werden mehrere Kanäle gebildet, die sich nicht in ihrer

Frequenz, sondern nur durch ihre räumliche Signatur voneinander unterscheiden.

Vor der Standardisierung der MIMO-Technik mit IEEE 802.11n gab es bereits verschiedene herstellerspezifische MIMO-Lösungen, die nicht untereinander kompatibel sind und mit Begriffen wie SuperG oder Packet 108 Overdrive beschrieben werden, was keine verlässlichen Aussagen über das zugrunde gelegte Verfahren und die Kompatibilität erlaubt.

Mit dem Begriff MIMO wird zuweilen etwas ungenau umgegangen, und das Vorhandensein von mehr als einer Antenne ist kein eindeutiges Indiz dafür, dass der Datenstrom tatsächlich auf mehreren Kanälen, wie im IEEE 802.11n-Standard für die Datenübertragung gefordert, übertragen wird. Es kann sich stattdessen auch um WLAN-Einheiten handeln, die im Betrieb zwischen zwei Antennen umschalten können, oder die vorhandenen Antennen sind explizit verschiedenen Frequenzbereichen zugeordnet (2,4 GHz und 5 GHz). Bei vielen WLAN-Routern (Access Points) sind überhaupt keine Antennen zu erkennen, weil sie dann im Gerät eingebaut sind. Externe Antennen sind als Vorteil gegenüber integrierten zu werten, weil sie sich manuell ausrichten und möglicherweise auch austauschen lassen.

Abbildung 4.5: WLAN-Router für IEEE 802.11n

Einheiten laut IEEE 802.11n sollten abwärtskompatibel zu IEEE 802.11g- und IEEE 802.11b-Geräten sein, und es gibt bei einigen Einheiten sogar eine Kompatibilität zwischen IEEE 802.11g- und IEEE 802.11a-Geräten (DualBand), was in der Praxis aber nicht immer optimal funktioniert. Dies betrifft nicht nur den Fall, dass eine WLAN-Einheit nicht nach ihrem spezifizierten Standard funken kann, weil sich ein anderes WLAN-Gerät als Hemmnis erweist, sondern auch, weil sich bestimmte Funktionen nicht realisieren lassen. Weitere Funktionen, wie etwa eine 104-Bit- statt nur einer 40-Bit-Verschlüsselung, sind bei den einzelnen Geräte optional, sodass dann nur der kleinste gemeinsame Nenner verwendet werden kann, was z. B. auch für das automatische Herunterschalten der Datenrate bei ungünstigen Übertragungsbedingungen gilt.

4.2.2 Wi-Fi

Die Wireless Ethernet CompatibilityAlliance (WECA) ist eine Non-Profit-Organisation, die sich im Jahre 1999 gegründet hat und deren Mitglieder sich aus (fast) allen bekannten Herstellerfirmen von WLAN-Produkten rekrutieren. Die WECA hat sich im Jahre 2002 in Wi-Fi Alliance umbenannt und zertifiziert WLAN-kompatible Komponenten, was dem Anwender signalisieren soll, dass bei Verwendung von Geräten, die das Wi-Fi-Logo führen, nicht mit Inkompatibilitäten zu rechnen ist.

Das ursprüngliche Logo wurde mittlerweile um die Kürzel der jeweils vom Gerät unterstützten IEEE 802.11-Standards erweitert, was der ursprünglichen Intention der Alliance, d.h., dem Kunden eine einfache Orientierung im unübersichtlichen WLAN-Standard-Wirrwarr zu geben, im Grunde genommen zuwiderläuft. Es ist also auch hier auf das Kleingedruckte zu achten, wie es ohnehin bei den verschiedenen IEEE 802.11-Realisie-rungen notwendig ist.

Abbildung 4.6: Das neue Logo der Wi-Fi Alliance (rechts) führt die jeweils unterstützten IEEE 802.11-Standards mit an.

Die entsprechenden Produkte werden auf der Internet-Site www.wi-fi.org in verschiedenen Kategorien aufgelistet. Momentan sind hier 350 Firmen mit über 9000 Produkten vertreten. Außerdem können hier die weltweit verfügbaren Wi-Fi Locations (Hot Spots) lokalisiert werden.

4.3 Funktechnik

Den Kern der bei drahtlosen Netzwerken zugrunde liegenden Funktechnik bildet die Modulation, mit der die Dateninformation auf ein Trägersignal moduliert wird. Modulation bedeutet, dass hier eine Umsetzung von digitalen Signalen in analoge Schwingungen stattfindet, was von einer Einheit durchgeführt wird, die als Modulator bezeichnet wird.

Der umgekehrte Vorgang - also die Rückübersetzung, d. h. die Wiedergewinnung des Datensignals aus dem modulierten Signal - wird anhand eines Demodulators vorgenommen. Aus diesen beiden Begriffen (Modulator und Demodulator) setzt sich der bekannte Begriff Modem zusammen, das eben beide Vorgänge entsprechend durchzuführen vermag.

4.3.1 Modulationsverfahren

Es gibt nur drei grundlegende Modulationsverfahren: Die Amplituden-, die Frequenz-und die Phasenmodulation, bei denen entweder die Amplitude des Trägersignals in Abhängigkeit vom zu übertragenden Signal variiert (AM) oder die Frequenz des Trägersignals (FM) oder eben die Phase (PM), wie es in der Abbildung 4.7 visualisiert ist.

Exkurs

Grundsätzlich beschreibt der Modulationsvorgang, wie ein zu übertragendes Nutzsignal ein vorhandenes, höherfrequentes Trägersignal verändert.

Abbildung 4.7: Die Modulation eines sinusförmigen Trägersignals kann auf drei verschiedene, grundlegende Verfahren erfolgen.

Zur besseren Ausnutzung der Bandbreite der Trägersignale sind digitale Modulationstechniken entwickelt worden, die mehr als 1 Bit pro Sekunde bzw. mehr als ein Bit pro Symbol übertragen können. Die digitale Modulationstechnik wird als Shift Keying bezeichnet, was einer Umtastung entspricht, weil die digitalen Signale lediglich zu den Abtastzeitpunkten definiert sind. Die kleinsten dabei auftretenden Zeicheneinheiten werden als Symbols oder eben Symbole bezeichnet. Die folgende Aufzählung erläutert kurz die wichtigsten digitalen Modulationsverfahren.

■ ASK: Die digitale Form der Amplitudenmodulation ist das Amplitude Shift Keying (ASK). ASK kann es in verschiedenen Umsetzungen (Stufen) geben, je nach der Tiefe der Modulation (ASK Shaping).

■ OOK: Die einfachste Form der ASK ist das On Off Keying (OOK), wo es lediglich zwei Stufen gibt (Trägersignal an, Trägersignal aus).

■ FSK: Das Frequency Shift Keying erzeugt gegenüber dem ASK weniger Störspektren, dafür benötigt es eine höhere Bandbreite. Unterschiedliche Frequenzen repräsentieren die einzelnen Sendesymbole. Die einfachste FSK ist eine reine An-/Aus-Modulation, was wie OOK als Sonderfall des ASK verstanden werden kann.

Abbildung 4.8: Die digitalen Modulationsverfahren firmieren unter Shift Keying.

■ 2-FSK: Durch Verwendung von zwei phasenverschobenen Trägern (2-FSK) sind zwei Frequenzstufen möglich, was eine bessere Ausnutzung der Bandbreite ermöglicht.

■ GFSK: Eine weitere Verbesserung der FSK ergibt das Gaussian Frequency Shift Keying, bei dem das rechteckförmige Datensignal mit einem gaußförmigen Filter geglättet wird, sodass weniger Störspektren auftreten.

■ PSK, BPSK: Das Phase Shift Keying gibt es in den typischen Ausführungen BPSK (Binary) und QPSK (Quadratur). Bei der BPSK wird zwischen zwei Phasenlagen umgeschaltet (umgetastet). Die Phasenlage 0° Grad entspricht dem digitalen Einssignal und die Phasenlage 180° dem digitalen Nullsignal, sodass hiermit ein Bit (1 oder 0) transportiert werden kann.

■ MSK: Das Minimum Shift Keying ist eine Sonderform des FSK mit Phasenmodulation. Es entspricht im Prinzip dem QPSK.

■ QPSK: Das Quadrature Phase Shift Keying (4-PSK) arbeitet mit vier verschiedenen Phasensprüngen bei 45°, 135°, 225° und bei 315°, womit zwei Bit pro Hz ermöglicht werden.

Q

(0100)

(0101)

(0001)

10000)

•

•

3-

*

•

(Ol 10)

(Olli)

(0011)

(0010)

•

•

1 -

/

•

'"*'• i ■*'

/ J

..-' 1 '-..

1

1

-J

-1

I

3

I

(1110)

(IUI)

(1011) \

(1010)

•

•

•

•

^¡(■■kiii;^ (1100) V

(1101)

(1001)

(1000)

•

•

-3-

•

•

Abbildung 4.9: Die 16-QAM überträgt vier Bit pro einzelnes Symbol.

Die digitalen Modulationsverfahren übertragen grundsätzlich Symbole, die für die Kommunikationspartner eindeutig definiert sind. Die Symbole werden in einer real komplexen Ebene gezeigt und können - je nach verwendetem Verfahren - über Amplituden, Frequenzen oder Phasen dargestellt werden.

Die Quadrature Amplitude Modulation ist eine Kombination aus Phasen- und aus Amplitudenmodulation, dabei werden mindestens zwei um 90° phasenverschobene Trägersignale amplitudenmoduliert. Das Sendesignal ergibt sich durch die Addition der Trägersignale.

Die Anzahl der jeweils verfügbaren Symbole wird als Zahl vorangestellt, wie 16-QAM (4 Bit pro Symbol) oder 64-QAM (6 Bit pro Symbol) oder auch 1024-QAM (10 Bit pro Symbol). In der Abbildung 4.9 ist 16-QAM in der üblichen Darstellung mit der Inphase-Komponente (I) auf der x-Achse und der Quadraturkomponente (Q) auf der y-Achse aufgetragen.

4.3.2 Reichweiten und Antennen

Funkwellen breiten sich im freien Raum grundsätzlich in allen Richtungen aus und können von Gegenständen gedämpft oder auch reflektiert werden. Dies hat zur Folge, dass sich eine Mehrwegeausbreitung der Funkwellen ergibt und das gesendete Signal nicht nur einmal, sondern auf Umwegen gleich mehrmals zum Empfänger gelangt. Deshalb kann es zu großen und schnellen Schwankungen der Empfangsleistung kommen, insbesondere wenn sich ein Teilnehmer bewegt (Mobilfunk). Mit unterschiedlichen Methoden wird versucht, diesem unvorhersehbaren Phänomen zu begegnen (Statistik, Wahrscheinlichkeitsrechnungen) und im Idealfall sogar einen Nutzen daraus ziehen zu können, wie es etwa mithilfe der MIMO-Technik (Kapitel 4.2.1) praktiziert wird.

Die für WLANs notwendige Antenne ist oft am Rand der internen Elektronik oder der Einsteckkarte oder im Gehäuse des Gerätes selbst integriert. Damit bleibt die Reichweite auf den üblichen Bereich eines WLAN von typischerweise ca. 30 m im Radius begrenzt. Leider verfügen viele der integrierten WLAN-Adapter nicht über die Möglichkeit, hier auch eine externe Antenne anschließen zu können, und wer dies vorhat, sollte sich unbedingt vor dem Kauf erkundigen, ob eine entsprechende Buchse (für die es auch passende Stecker gibt) vorgesehen ist.

Exkurs

Je nach WLAN-Gerät ist möglicherweise eine Buchse für den Anschluss einer externen Antenne vorhanden, die die Reichweite gegenüber der internen Antenne beträchtlich steigern kann.

Die WLAN-Reichweiten werden von den Herstellern meist als zu hoch angegeben, und die mitunter versprochenen 300 m lassen sich höchstens dann erreichen, wenn zwischen den Geräten eine gerade und direkte Sichtverbindung (LOS: Line of Sight) gegeben ist. Wände, Möbelstücke und ähnliche »Hindernisse« reduzieren nicht nur die Reichweite, sondern auch die Datenübertragungsrate. Diese negativen Effekte sind außerdem von der Frequenz abhängig, und um sie in den Griff zu bekommen, werden für WLANs die Multiträger-Modulationsverfahren (OFDM, Kapitel 4.3.5) eingesetzt.

Allerdings ist es durchaus möglich, mit WLANs einen Kilometer und mehr zu überbrücken. Die erste Voraussetzung ist hierfür, dass die Übertragungsstrecke einer geraden Linie ohne Hindernisse entspricht. Die zweite ist die Verwendung von externen Antennen, die eine Richtcharakteristik aufweisen, also bevorzugt in einer Richtung abstrahlen, wie es bei den sogenannten Yagi-Antennen (Bild 4.10) der Fall ist, die zumindest jeder Amateurfunker kennt.

Für die Außenmontage - etwa um den eigenen Garten oder auch ein Firmengelände mit WLAN zu versorgen - werden von einigen Herstellern wie etwa Allnet oder Osbridge neben separaten Antennen auch sogenannte Outdoor Access Points angeboten, die vom Prinzip her gewöhnlichen Access Points entsprechen und in wetterfesten Gehäusen untergebracht sind. Die Spannungsversorgung eines Outdoor Access Points sollte über das LAN-Kabel (Power Over Ethernet, siehe Kapitel 2.13) möglich sein, damit keine Steckdose notwendig ist und der AP an der günstigen Stelle montiert werden kann.

Abbildung 4.10: Eine WLAN-Antenne in der Yagi-Bauart

Grundsätzlich gilt, dass die Dämpfung von der Frequenz abhängig ist. Je höher die Frequenz, desto höher ist auch die Dämpfung und desto geringer die erzielbare Reichweite. Dies hat zur Folge, dass die Reichweite eines WLAN bei 5 GHz geringer ist als bei einem WLAN, das mit 2,4 GHz arbeitet, wenn man ansonsten vergleichbare Bedingungen heranzieht.

4.3.3 Frequency Hopping Spread Spectrum

Zur Verbesserung der Redundanz und um die Übertragungssicherheit zu erhöhen, sind verschiedene Spreiz- und Multiplexverfahren entwickelt worden, die in WLANs und auch bei anderen Funktechniken (Bluetooth, DVB-T) zum Einsatz kommen. Auf den durch das jeweilige Verfahren erzeugten Trägern werden für die eigentliche Datenübertragung verschiedene Modulationsverfahren (Kapitel 4.3.1) eingesetzt.

Das Frequency Hopping wird unter den Spreizverfahren (Spread Spectrum) geführt und deshalb mit der genauen Bezeichnung Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) gekennzeichnet. Dabei werden die Daten entlang der Zeitachse in Blöcke aufgespalten und auf verschiedenen Frequenzen des Bandes übertragen.

Das Spektrum des modulierten Signals ist genauso breit wie das ursprüngliche, was im Gegensatz zu DSSS (siehe folgendes Kapitel) von Bedeutung ist. Die Spreizung erfolgt bei FHSS nämlich auf zeitlicher Basis, weil die Trägerfrequenzen immer nur für kurze Zeit präsent sind.

Die Trägerfrequenz ändert sich laufend anhand eines bestimmten, zufällig erzeugten Hopping Pattern. Die Daten werden dabei auf eine bestimmte Art und Weise über die Kanäle »verwürfelt«, und das jeweils zugrunde gelegte Prinzip - die Hop-Zuordnung -kennen nur die zum jeweiligen System gehörenden Sender und Empfänger.

Frequenz

Abbildung 4.11: Beim Frequency Hopping werden die Daten über Funkzellen übertragen, die sich aus verschiedenen zeitversetzten Kanälen zusammensetzen.

Zeit

Laut dem ersten Standard 802.11 »hüpfen« Sender und Empfänger in Form eines bestimmten Hopping Patterns in einer Zeit von 400 ms über 75 Frequenz-Slots. Im Standard sind drei Sets von 22 Hopping Patterns definiert, was sicherstellen soll, dass jeder Slot mindestens alle 30 Sekunden einmal verwendet wird. Die Zeit eines »Hüpf-Paketes« ist vom System vorgeschrieben und für alle Stationen und Frequenzbänder konstant.

Das Prinzip des Frequenz Hoppings (FH) wird auch von Bluetooth verwendet, wo 79 Kanäle mit jeweils einer Bandbreite von 1 MHz Bandbreite eingesetzt und alle 20 ms umgeschaltet werden. Deshalb sind mit FHSS keine hohen Datenraten erreichbar, sodass dieses Verfahren nur bei der ersten WLAN-Implementierung (IEEE 802.11) zum Einsatz kommt. Die darauffolgenden WLAN-Generationen (vgl. Tabelle 4.1) verwenden DSSS und die neuesten OFDM mit MIMO.

4.3.4 Direct Sequence Spread Spectrum

Das Verfahren nach Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) wird auch als Pseudo Noise
bezeichnet und verwendet ein bestimmtes Bitmuster (Chipping Sequence), mit dessen Hilfe die Daten gespreizt werden. Im Standard ist hierfür u. a. der Barker-Code (11-Chip-Code) vorgesehen, der sich dadurch auszeichnet, dass jede Binärsequenz während eines Übertragungszyklus einmalig ist, was die Erkennung im Empfänger erleichtert. Prinzipiell wird die Signalstärke zugunsten einer größeren Bandbreite reduziert, wie es in der Abbildung 4.10 vereinfacht visualisiert ist.

Abbildung 4.12: Das ursprüngliche Signal wird bei DSSS gespreizt, sodass es eine höhere Bandbreite aufweist.

DSSS arbeitet mit einer festen Frequenz, die sich meist (per Software) festlegen lässt, was immer dann von Bedeutung ist, wenn mehrere verschiedene WLANs verwendet werden, die sich gegenseitig nicht stören sollen, sodass die einzelnen Access Points dann auf unterschiedliche Frequenzen einzustellen sind. Für europäische Geräte stehen 13 Kanäle (Tabelle 4.3) im 2,4-GHz-Band mit einer Bandbreite von jeweils 22 MHz zur Auswahl, für Geräte des amerikanischen Marktes nur elf Kanäle, weil die WLAN-Kanäle mit den Nummern 12 und 13 außerhalb des dort freigegebenen Frequenzbereiches liegen. Geräte für den japanischen Markt unterstützen mitunter noch einen 14. Kanal, der in Europa jedoch nicht verwendet werden darf.

Kanal Nr.

Center-Frequenz

Bereich

1

2,412 GHz

2401-2423 MHz

2

2,417 GHz

2406-2428 MHz

3

2,422 GHz

2411-2433 MHz

4

2,427 GHz

2416-2438 MHz

5

2,432 GHz

2421-2443 MHz

6

2,437 GHz

2426-2448 MHz

7

2,442 GHz

2431-2453 MHz

8

2,447 GHz

2436-2458 MHz

9

2,452 GHz

2441-2463 MHz

10

2,457 GHz

2446-2468 MHz

11

2,462 GHz

2451-2473 MHz

12

2,467 GHz

2456-2478 MHz

13

2,472 GHz

2461-2483 MHz

Tabelle 4.3: Die in Europa zulässigen WLAN-Kanäle

Für den Abstand der Center-Frequenzen zwischen benachbarten Kanälen sind 30 MHz gefordert, und mit der Bandbreite von 22 MHz pro Kanal ergibt es sich, dass sich benachbarte Kanäle überlappen. Deshalb können nur bestimmte Kanalgruppen innerhalb eines Empfangsbereiches ohne gegenseitige Beeinflussung betrieben werden. Beim Einsatz von sich überlappenden Kanälen innerhalb eines Empfangsbereiches werden zwangsläufig Kollisionen auftreten, die einen negativen Einfluss auf die Datenrate haben. Deshalb können maximal drei DSSS-Kanäle für einen Empfangsbereich vorgesehen werden, wofür dann die Kanäle 1, 7 und 13 zum Einsatz kommen müssen, damit der geforderte Abstand von 30 MHz zwischen den Center-Frequenzen erfüllt wird.

Nach Möglichkeit sollte einer dieser Kanäle verwendet werden, insbesondere dann, wenn nicht auszuschließen ist, dass weitere WLANs (vom Nachbarn?) ebenfalls im gleichen Bereich aktiv sind, denn dann müssen sich die WLANs bei der Verwendung gleicher oder auch überlappender Kanäle die zur Verfügung stehende Bandbreite teilen, was auf Kosten der erreichbaren Datenrate geht.

Die in der Tabelle 4.2 angegebene Kanalzuordnung gilt für die ursprüngliche sowie für die Versionen IEEE 802.11 b und g. Bei den WLANs, die mit 5 GHz arbeiten (a und h), gibt es hingegen 19 sich nicht überlappende Kanäle. Die Kanalbandbreite beträgt bei der Version IEEE 802.11.n 40 MHz statt wie bisher 22 MHz.

4.3.5 Orthogonal Frequency-Division Multiplex

Den Kern der WLAN-Weiterentwicklungen bildet das Orthogonal Frequency-Division Mul-tiplex-Verfahren (OFDM), das auch unter Multiträger-Modulationsverfahren (MCM, Multi Modulation Carrier) firmiert. Alle neueren Entwicklungen (ADSL, DVB-T, LTE) verwenden ein OFDM-Verfahren, das eine verhältnismäßig komplizierte Logik für die inverse Fourier-Transformation - die Umsetzung vom Frequenz- in den Zeitbereich - benötigt.

Das Prinzip beruht auf einer parallelen Datenübertragung im Frequenzmultiplex. Hierfür werden verschiedene Übertragungskanäle (Träger) gebildet, die die Daten unabhängig voneinander übertragen können. Für jeden Kanal werden Unterfrequenzen (Sub Carriers) gebildet. Beim WLAN gibt es 53 Sub Carriers, die jeweils eine Bandbreite von 20 MHz aufweisen.

Weil sich benachbarte Trägerfrequenzen um eine Phase von jeweils 90° voneinander unterscheiden, nennt man dies orthogonal. Vereinfacht kann man sich das so vorstellen, dass das spektrale Maximum eines Trägers genau dort liegt, wo der benachbarte sein Minimum hat, was zu einer geringstmöglichen gegenseitigen Beeinflussung führt.

E

<

<L>

~o

3

Abbildung 4.13: Das Spektrum eines OFDM-Signals mit drei Sub-Trägern

Q.

Frequenz

Die Trägerfrequenzen sind entsprechend der Dateninformation zu modulieren, sodass der modulierte Träger dann die Dateninformation transportiert. Aktuelle IEEE-WLANs unterstützen mehrere Modulationsarten und Kodierungsmöglichkeiten, die automatisch an die Qualität jedes einzelnen Sub-Trägers angepasst werden können.

Sub-Träger, die eine vergleichsweise höhere Qualität bieten, verwenden auch eine höher-wertigere Modulationsart als diejenigen, die gerade eine schlechtere Qualität zur Verfügung stellen. Das Binary Phase Shift Keying (BPSK) kennt nur zwei Zustände, und das Maximum stellt aktuell die Quadrature Amplitude Modulation (QAM) dar, die zurzeit mit maximal 64 Zuständen arbeitet.

Mithilfe eines Forward Error Correction Code (FEC), der Übertragungsfehler bis zu einem bestimmten Fehlergrad korrigieren kann, wird eine sichere Datenübertragung gewährleistet. Dabei werden verschiedene Ausführungen des FEC verwendet, was zu unterschiedlichen Code-Raten führt, womit das Verhältnis zwischen der Anzahl von Informationsbits und Code-Bits gemeint ist. Falls beispielsweise für jeweils drei Bits ein zusätzliches Redundanzbit eingefügt wird, dann beträgt die Code-Rate 3/4.

Brutto-Datenrate

Modulation

FEC-Coderate

6 MBit/s

BPSK

1/2

9 MBit/s

BPSK

3/4

12 MBit/s

QPSK

1/2

18 MBit/s

QPSK

3/4

24 MBit/s

16-QAM

1/2

36 MBit/s

16-QAM

3/4

48 MBit/s

64-QAM

2/3

54 MBit/s

64-QAM

3/4

Tabelle 4.4: Je nach Übertragungsqualität der Carrier werden unterschiedliche Modulationsverfahren angewendet.

4.4 Zugriffsverfahren - CSMA/CA

Was beim kabelgebundenen Ethernet das CSMA/CD, ist beim Wireless-LAN nicht das Collision Detection (CD), sondern das Collision Avoidance (CSMA/CA). Die Kollisionsvermeidung (Avoidance) beruht auf dem Prinzip, dass eine sendewillige Station vor dem Absetzen der Daten ein kurzes RTS-Signal (Request to Send) in die Luft schickt, das den potenziellen Empfänger über das Ziel und den Umfang der Daten informiert.

Der Empfänger sendet seinerseits als Bestätigung eine Clear to Send-Meldung (CTS), die alle Teilnehmer im Empfangsbereich abhören und somit darüber informiert werden, dass das Medium im Folgenden belegt sein wird. Erst dann beginnt die eigentliche Datenübertragung zwischen einem Sender und einem Empfänger. Der Abschluss der Datenübertragung sowie die Vollständigkeit der Daten wird durch ein kurzes ACK-Paket (Acknowledge) vom Empfänger bestätigt.

Dieses Prinzip ermöglicht die Datenübertragung mit einem zum Standard-Ethernet ähnlichen Verfahren, und es vermeidet auch das Problem der sogenannten Hidden Nodes (versteckte Teilnehmer), was für diese WLANs typisch ist. Dieses Kommunikationsproblem kann prinzipiell immer dann auftreten, wenn eine Station nicht erkennen kann, dass das Medium bereits belegt ist.

Abbildung 4.14: Das Hidden-Nodes-Problem wird durch die abgehörten CTS- und RTS-Signale vermieden.

Wenn etwa drei Stationen (A, B, C) vorhanden sind und C zu B senden will, könnte bereits eine Kommunikation zwischen A und B stattfinden, und da C außerhalb des Empfangsbereiches von A liegt, könnte C dies nicht erkennen und ebenfalls zu B senden wollen. Diese Situation kann jedoch dank des CA-Verfahrens nicht auftreten, denn die CTS-Meldung von B liegt ebenfalls im Empfangsbereich von C. Eine CTS-Meldung von A könnte dennoch nicht von C wahrgenommen werden, sodass auch die korrespondierende RTS-Mel-dung von B abgehört werden muss, wie es beim CSMA/CA-Verfahren praktiziert wird. Die Effizienz dieses Verfahrens ist gegenüber CSMA/CD geringer, und auch hierfür gilt, dass es mit zunehmender Geräteanzahl zu immer merklicheren Verzögerungen kommt.

Alle IEEE 802.11-Standards praktizieren das CSMA/CA-Verfahren, wobei es einige Unterschiede im Zugriffsverhalten (Wartezeiten) gibt, was mit dem Inter Frame Spacing (IFS) ausgewiesen wird. Hierfür gibt es vier typische Werte, die mit unterschiedlichen Zeiten arbeiten und bei den verschiedenen Standards auch unterschiedlich definiert sind. Dabei gilt SIFS < PIFS < DIFS < EIFS.

■ DIFS, Distributed IFS: Zeit, die vor dem Senden eines gewöhnlichen Datenpakets vergangen sein muss.

■ EIFS, Extended IFS: Zeit, die vor dem Senden nach einer erkannten Kollision vergangen sein muss.

■ PIFS, Point IFS: Zeit, die vor dem Senden einer PCF-Information (Point Coordinaton Function) vergangen sein muss.

■ SIFS: Short IFS: Zeit, die vor dem Senden eines ACK-Pakets (Bestätigung) oder einer Polling-Antwort vergangen sein muss.

4.5 WLAN-Topologien

Für den Aufbau von WLANs gibt es mehrere Möglichkeiten, die sich weniger in der jeweiligen Technologie, sondern vielmehr in der Topologie voneinander unterscheiden.

4.5.1 Ad-hoc-WLAN

Die einfachste Art ist es, wenn zwei oder mehrere Clients mit einem WLAN-Adapter (Wi-Fi) ausgestattet sind und damit direkt miteinander gekoppelt werden können, was zu einem Peer-to-Peer-Netz führt. Die mobilen Geräte wie Notebooks, Tablet-PCs oder auch Smartphones verbinden sich zu einem »vermaschten« Netz, das keine feste Infrastruktur aufweist.

Abbildung 4.15: Ein WLAN im Ad-hoc-Modus entspricht einem klassischen Peer-to-

Peer-Netz.

Wie es bei einem reinen Peer-to-Peer-Netz üblich ist, werden dabei Ressourcen freigegeben und entsprechend verbunden, was sich meist auf Verzeichnisse oder auch Peripherie-Einheiten wie etwa einen gemeinsam zu verwendenden Drucker bezieht. Mit dieser Methode hat man im Grunde genommen im Nu - daher rührt auch die Bezeichnung für ein derartiges WLAN: »ad hoc« - ein drahtloses Netzwerk realisiert, wie es sich in kleineren Büros oder auch für daheim anbietet.

4.5.2 Infrastructure-WLANs

Durch die Verwendung eines oder auch mehrerer Access Points lässt sich eine Verbindung von WLAN-Clients (Mobile Units) zu einem üblichen LAN schaffen, und auch die Kopplung von separaten LANs ist über Access Points möglich. In der Abbildung 4.16 sind typische Anwendungen hierfür gezeigt. Diese Topologien werden im sogenannten Infrastructure Mode betrieben, was derartigen WLANs damit auch ihre Bezeichnung verleiht.

Abbildung 4.16: WLAN-Realisierungen mit Access Points firmieren unter Infrastructure-Implementierungen.

Der Access Point (AP) fungiert als Bridge (auf der OSI-Schicht 2) zwischen einem Ethernet-LAN und dem Ethernet-WLAN. Er verfügt zumeist über einen Anschluss laut 100BaseT (RJ45) und wird im Prinzip wie ein Switch im LAN integriert. Demnach sind hierfür im Gegensatz zu einem WLAN-Adapter lokal keinerlei Treiber zu installieren.

Der Bereich, in dem ein AP mit einer bestimmten Anzahl von Mobile Units (MUs) arbeitet, wird als Basic Service Set (BSS) bezeichnet, was als Funkzelle (Cell) zu verstehen ist. Der AP verfügt über eine MAC-Adresse, die die MUs als Basic Service Set Identifier (BSS-ID) interpretieren und die anhand der jeweiligen Gerätezuordnung gegeben ist.

Abbildung 4.17: Jeder AP verfügt über eine eigene BSS-ID, und die Net-ID ist für alle Einheiten eines WLAN identisch. Für die MUs wird in dem Coverage Area das Roaming unterstützt.

Werden mehrere APs verwendet, um einen größeren Funkbereich abzudecken, kommen auch mehrere Funkzellen zum Einsatz, und alle Einheiten, die zu diesem WLAN gehören, verwenden stets die gleiche Net-ID (Extended Service Set, ESS). Ein zusammengehöriges WLAN definiert ein Coverage Area, und die MUs suchen in einem derartigen Netz nach der gültigen Net-ID und synchronisieren sich mit demjenigen AP, der in ihrem Empfangsbereich liegt. Daher spielt es in einem WLAN, das über mehrere APs verfügt, prinzipiell keine Rolle, welcher AP welche MUs bedient. Man kann also mit seinen MUs in diesem WLAN gewissermaßen von einem AP zu einem anderen »herumwandern«, was als Roaming bezeichnet wird.

Wie viele MUs und APs in einem WLAN maximal verwendet werden können, ist leider nicht immer unmittelbar zu erkennen, denn die APs der verschiedenen Hersteller unterliegen hier gewissen Eigenheiten, was selbst durch eine Zertifizierung mit Wi-Fi -Symbol nicht immer eindeutig ist. Deshalb kommt es durchaus vor, dass sich APs verschiedener Hersteller gar nicht oder nur durch mühsame Konfigurationsarbeiten zu einem Coverage Area zusammenfassen lassen.

Ein typisches System spezifiziert beispielsweise, dass sich maximal 127 MUs mit einem AP verwenden lassen und jeder AP die Kommunikation mit jeweils weiteren vier APs ermöglicht. Aus praktischen und leistungstechnischen Gründen (Kollisionen) wird man ein derartig ausgedehntes WLAN zwar nicht unbedingt realisieren wollen, allerdings sollten sich derartige Konstruktionen, falls nun einmal größere Reichweiten und zahlreiche MUs möglich sein sollen, die natürlich auch nicht alle zeitgleich aktiv sein müssen, aufgrund von im System begründeten Einschränkungen nicht von vornherein verbieten.

Beim Roaming durch ein WLAN wird die Funkzelle entsprechend dem zuständigen Access Point automatisch gewechselt. Die Verbindung wird dabei nur auf der Schicht 2 unterbrochen, auf der Schicht 3 bleibt sie bestehen. In einem TCP/IP-Netz verfügt jeder Client über eine eigene IP-Adresse, die fest zugeordnet ist oder auch per DHCP vergeben werden kann, was auch ein AP, wenn er diese Funktionalität bietet, leisten kann. Diese Adresse gilt für ein bestimmtes IP-Subnetz, das ein LAN und auch das hiermit verbundene WLAN umfasst.

System Setup

Unit Name Channel

IntelWLANI

|3

Mobile IP

C Enabled & Disabled

MU-MU Disallowed

f* Enabled ^ Disabled

Abbildung 4.18: Die Verwendung von MobilelPs ist bei diesem AP abgeschaltet.

Soll das Roaming jedoch über mehrere Subnetze möglich sein, ist den MUs auch eine andere, für das jeweilige Subnetz gültige IP-Adresse zuzuordnen. Eine hierfür geeignete »Automatik« bieten die MobilelPs, was ein AP entsprechend unterstützen muss. Jede MU erhält wie üblich eine IP-Adresse, und diese wird dann in eine MobileIP verpackt, was auch unter Tunneling oder IPIP-Encapsulation bekannt ist. Die permanente IP-Adresse identifiziert eindeutig die MU und das dazugehörige Heimnetz, in dem ein laufender Home Agent die für die MU bestimmten Daten in die MobileIP umsetzt und diese dann entsprechend weiterleitet.

4.5.3 Mesh-WLANs

Im Standard IEEE 802.11s ist eine Erweiterung für die Kommunikation zwischen Access Points definiert. Dadurch ist eine großflächige drahtlose Vernetzung möglich, was als Mesh-WLAN bezeichnet werden kann. Die einzelnen APs müssen dabei nicht mit einem LAN per Kabel gekoppelt sein. Ein Mesh-WLAN verwendet zwischen den APs ein spezielles Routing-Protokoll und definiert drei unterschiedliche Stationsformen:

■ Mesh Access Point (MAP): Verhält sich einerseits - gegenüber den WLAN-Clients -wie ein üblicher AP und verbindet sich andererseits mit weiteren MAPs, MPs oder auch MPPs. Ein MAP verfügt über zwei WLAN-Interfaces, die im selben oder auch in unterschiedlichen Frequenzbändern arbeiten können.

■ Mesh Point (MP): Die Mesh Points kommunizieren nicht mit WLAN-Clients, sondern mit anderen MPs, MAPs oder MPPs. Sie dienen der räumlichen Ausdehnung des Mesh-WLANs.

■ Mesh Portal (MPP): Ein Mesh Portal fungiert als Gateway und kann Verbindungen zu LANs und anderen Mesh-WLANs herstellen.

Ein Mesh-WLAN geht nach IEEE 802.11s von maximal 32 Knoten aus. Es soll sich selbstständig aufbauen und verwalten, im Betrieb die günstigste Route für die Daten einschlagen und außerdem redundante Verbindungswege zur Verfügung stellen können, was letztendlich vom Mesh-Routing-Protokoll geleistet werden muss und demnach nicht einfach zu implementieren ist. In der Praxis ist deshalb bisher kaum etwas Offizielles für Mesh-WLANs aufgetaucht.

Es existieren jedoch verschiedene Open-Source-Aktivitäten, etwa die Freifunk Community in Berlin, die mithilfe von üblichen WLAN-Routern und -Adaptern Mesh-Netzwerke aufbaut, die ganze Stadtviertel abdecken und prinzipiell von jedermann genutzt werden können. Die zu verwendenden WLAN-Router müssen für diese Betriebsweise und das notwendige Routing-Protokoll allerdings angepasst werden, was üblicherweise ein Firmware-Update mit neuer Software (Open Source) erfordert, die dann nicht vom Hersteller selbst stammt, sodass Garantieansprüche bei einer Neuprogrammierung meist verloren gehen. Insbesondere für WLAN-Router der Firma Linksys existieren entsprechende Firmware-Updates, damit Mesh-Routing-Protokolle wie etwa Optimized Link State Routing (OLSR) oder Better Approach To Mobile Adhoc Networking (BATMAN) verarbeitet werden können.

4.6 Sicherheitsaspekte

Wenn es um WLANs geht, sollte auch das Thema Datensicherheit besonders beachtet werden. Immer wieder wird von Leuten (Wardriver) berichtet, die mit einem Notebook, einem WLAN-Adapter plus externer Antenne und »Lauschsoftware« per Pkw auf der Suche nach ungesicherten WLANs sind, um hiermit das Internet zu nutzen oder Daten auszuspähen. Die meisten Anwender werden sicher keine Wardriver sein, was allerdings nicht ausschließt, dass man nicht auch selbst (unabsichtlich) auf WLANs trifft, die sich aufgrund ihrer nachlässigen Konfiguration für die Fremdbenutzung als geeignet herausstellen. Dies kann im einfachsten Fall das WLAN des Nachbarn sein, und wer sich mit einem WLAN-tauglichen Smartphone in einer Einkaufsstraße bewegt, wird nicht selten auf eine Vielzahl von »offenen« WLANs treffen. Beim derzeitigen Stand der Rechtsprechung macht man sich zwar nicht strafbar, wenn man fremde, unverschlüsselte WLANs benutzt, gleichwohl sollte man sich der Problematik bewusst sein und keine unlauteren Aktionen tätigen, von denen man auch nicht möchte, dass sie einem selbst widerfahren.

Generell lässt sich feststellen, dass offenbar eine große Zahl von WLANs aktiv ist und eine erschreckend hohe Anzahl davon ohne jegliche Sicherheitsmaßnahmen arbeitet. Dadurch sind die Daten von Unbefugten lesbar, und außerdem steht meist auch noch ein Tor zum dazugehörigen LAN offen. Auch wenn das im Standard 802.11b vorgesehene Verschlüsselungsverfahren Wired Equivalent Privacy (WEP) nicht besonders sicher sein soll, ist es doch verwunderlich, dass noch nicht einmal dieses zum Einsatz kommt.

WEP gibt es in einer WEP64- und in einer sichereren WEP128-Version. Dabei kommt ein 40- bzw. ein 104-Bit-Schlüssel zu Einsatz; selbst der 104-bittige soll von Fachleuten in ca. 40 Minuten zu knacken sein. Deshalb trifft man nicht selten auf die Meinung, dass man, wenn dies so einfach zu knacken sei, auch gar keine Schutzmaßnahmen zu ergreifen brauche, die ja schließlich auch noch entsprechend konfiguriert werden müssten, was mitunter recht aufwendig sei und zusätzliche Zeit kostete. Diese Einstellung ist jedoch glatter Leichtsinn, und es sollten zumindest die zur Verfügung stehenden Sicherheitsmechanismen zur Anwendung kommen. Selbst eher geringe Hürden können letztendlich dafür sorgen, dass sich ein Angreifer stattdessen einem WLAN zuwendet, das einen mühelosen Zugriff erlaubt.

Die Wi-Fi Alliance hat eine eigene, sicherere Verschlüsselungsmethode entwickelt, die als Wi-Fi Protected Access (WPA) bezeichnet wird. Der wesentliche Unterschied zu WEP ist der, dass die statischen Codes durch dynamische Schlüssel ersetzt werden. Ein häufiges Wechseln dieses möglichst langen Schlüssels erhöht dabei die Schutzfunktion.

Die jeweilige Verschlüsselungsmethode wird (zunächst) vom Betriebssystem oder auch der Software, die zum jeweiligen WLAN-Adapter gehört, bestimmt. Ab Windows XP mit Service Pack 2 ist im Betriebssystem selbst eine WLAN-Unterstützung mit Sicherheitsoptionen implementiert. Außerdem bietet Microsoft verschiedene Updates, die die WPA-Verschlüsselung auch separat zur Verfügung stellen, und je neuer das WindowsBetriebssystem, desto bessere Sicherheitsmethoden sind dort implementiert, die sich recht einfach einsetzen lassen.

Die WPA-Verschlüsselung ist mit in IEEE 801.11i standardisiert worden, und weil dies etwas länger dauerte, als es die Praxis erfordert hätte, war WPA zwischenzeitlich der wichtigste standardisierte Sicherheitsstandard für WLANs. Es wurde parallel zu IEEE 801.11i weiterentwickelt und wird dann als WPA2 bezeichnet.

Abbildung 4.19: WLAN-Sicherheitsoptionen bei Windows 7 einstellen

In der Praxis, etwa bei Windows 7, trifft man bei Drahtlosnetzwerke verwalten und über Eigenschaften für Drahtlosnetzwerk auf verschiedene Optionen (Abbildung 4.19), wobei WPA2 mit 802.1x (WPA Enterprise) zurzeit als die beste Sicherungsmethode gilt. Die Schlüssel können hiermit automatisch erzeugt und verändert werden.

WPA verwendet hierfür das Temporal Key Integrity Protocol (TKIP), und IEEE 801.x bringt die RADIUS-Funktionalität (Remote Authentification Dial-In User Service) für die Identifizierung der Benutzer mit. Außerdem erlaubt IEEE 802.1x die Datenverschlüsselung laut dem Advanced Encryption Standard (AES).

Für die Authentifizierung der Clients an einem (sicheren) Access Point wird üblicherweise das Pre-Shared Key-Verfahren (PSK) verwendet, womit gewisse Voreinstellungen verbunden sind, die sichere Schlüssel mit bis zu 63 Zeichen generieren können, was momentan als sehr sicher gilt. In größeren Netzwerken wird stattdessen ein RADIUS-Server für eine zentrale Benutzeridentifizierung verwendet, und der Access Point leitet - bei einer entsprechenden Einstellung - die Authentifizierungsanfrage an den Server weiter, der dann die Zugriffsgenehmigung erteilt.

Exkurs

In einem WLAN ist eine Verschlüsselung notwendig, dabei sind für die verschiedenen Clients (PC, Router, Netbook, Tablet-PC, Smartphone) sehr unterschiedliche Möglichkeiten für die Sicherheitseinstellungen vorhanden. Insbesondere wenn ältere WLAN-Einheiten mit relativ neuen zusammenarbeiten sollen, kann dies dazu führen, dass die gemeinsam zu nutzende Verschlüsselungsmethode vom Sicherheitsstandpunkt aus betrachtet als veraltet und damit als unsicher anzusehen ist.

Ältere Access Points unterstützen WEP und WPA, neuere auch WPA2. Ob eine Aktualisierung möglich ist, hängt vom jeweiligen Gerät ab, denn hierfür muss ein Update der Firmware stattfinden. Ein Update für einen WLAN-Adapter (Einsteckkarte) ist hingegen meist unproblematischer, weil es nur einer Treiberaktualisierung entspricht. Im Folgenden sind Tipps angegeben, die beim Betrieb eines WLAN aus Sicherheitsgründen beachtet werden sollten:

■ Das WLAN am besten nur dann einschalten, wenn es gebraucht wird.

■ Die Sendeleistung reduzieren, damit nur ein gewünschter WLAN-Bereich abgedeckt wird. Möglicherweise den Standort des Access Points für eine optimale Abdeckung ändern.

■ Ändern des vom Hersteller voreingestellten Benutzernamens und des Passworts.

■ Den voreingestellten Netzwerknamen (SSID, ESSID, NET_ID) ändern und am besten das Aussenden (Broadcast) dieses Namens abschalten.

■ Aktivieren des MAC-Filters (ACL List), damit nur bestimmte Geräte zugreifen dürfen.

■ Den Access Point über sichere Wege konfigurieren (Schnittstelle, LAN) und die Option, den AP über das WLAN zu konfigurieren, abschalten.

■ Einstellung einer Verschlüsselung (möglichst WPA2) für die Clients.

Die Hersteller von WLAN-Einheiten sehen üblicherweise eine ganze Reihe von Schutzmechanismen vor, und der Grund dafür, warum sie von den Anwendern nicht (konsequent) eingesetzt werden, ist oftmals der, dass dies zusätzliche Arbeit, Zeit und damit auch Geld kostet. Die Versuche der Hersteller, die Anwender über entsprechende Voreinstellungen zu einer möglichst sicheren WLAN-Konfiguration zu zwingen, werden vielfach von dem Vorwurf begleitet, dass sich der Access Point beispielsweise eben nicht als Plug&Play-Gerät darstelle und die Konfigurierung viel zu kompliziert sei. Das Abwägen von Sicherheit gegenüber einfacher Installation ist in der Praxis ein nicht immer simpler Vorgang. Grundsätzlich ist erhöhte Sicherheit aber immer mit Unbequemlichkeiten bei der Nutzung verbunden.

Durch die zahlreichen Berichte über herumfahrende Zeitgenossen, die es sich aus welchen Gründen auch immer zur Aufgabe gemacht haben, an WLANs zu lauschen, gerät jedoch die andere Seite - der Übergang vom WAN zum LAN - vielfach aus dem Blickwinkel. Hier liegt ein generelles Problem, das im Grunde genommen auch in vielen üblichen LANs nicht ausreichend beachtet wird. Es werden überhaupt keine oder nur sehr kurze, einfache Passwörter verwendet, keine unnötigen Protokolle vom Transport ausgeschlossen, alle möglichen Ports offen gelassen, keine Zugriffsbeschränkungen auf bestimmte MAC-Adressen eingestellt, Dienste installiert, die eigentlich gar nicht notwendig sind, und womöglich Netzwerk-Tools, von denen man nicht genau weiß, was sie im Einzelnen bewerkstelligen, eingesetzt.

Wer vielleicht noch die wichtigen Schutzmaßnahmen gegen den unbefugten Zugriff auf Server und PCs vor Augen hat, lässt bei Switches, Routern und Access Points vielfach nicht mehr die nötige Sorgfalt walten. Die grundlegenden, integrierten Schutzfunktionen in diesen Einheiten sollten nach Möglichkeit allesamt in Anspruch genommen werden, und danach sind darüber hinausgehende Maßnahmen zu überlegen, wie der Einsatz von Firewalls, VPN-Software, IPSec oder auch authentifizierte Zertifikate.

Kapitel 5

Powerline-LANs

Es existieren verschiedene Verfahren für die Datenübertragung über stromführende Leitungen oder andere Kabel, wie etwa von Antennen- oder Telefonleitungen. Gemeinsam ist diesen Lösungen, dass ihnen die Powerline-Technik zugrunde liegt, womit die Daten auf die Leitungen moduliert und dementsprechend auch wieder demoduliert werden. Deshalb kann die Bezeichnung Power Line Communication (PLC) als Synonym für diese Techniken verwendet werden, denn das Funktionsprinzip (Kapitel 5.1) ist das gleiche.

Gemeinsam ist diesen Lösungen außerdem, dass es hierfür keinen verbindlichen Standard (IEEE) gibt und zueinander kompatible Produkte unterschiedlicher Hersteller kaum erkennbar sind. Auch wenn bei einigen Powerline-Adaptern als Standard IEEE 802.3 angegeben ist, bedeutet dies lediglich, dass das Netzwerk-Interface des Powerline-Adapters diesem Standard (maximal Fast-Ethernet) entspricht. Selbst Modelle eines Herstellers, die unterschiedlichen Baujahren bzw. -serien zuzurechnen sind, erweisen sich vielfach als nicht kompatibel.

PLC ist keineswegs eine Alternative zu herkömmlichen LAN-Installationen, sondern als Ergänzung zu sehen, um eine Netzwerkverbindung dorthin führen zu können, wo weder Funk noch Ethernet hinkommen. Benötigt werden für eine PLC-Verbindung zwei Adapter, die jeweils in eine freie Steckdose zu stecken und mit einem PC oder Router per USB- oder Ethernet-Kabel zu verbinden sind. Die bekanntesten PLC-Lösungen stammen von der Firma Develo, bei deren aktuellen Modellen, wie etwa dem Typ dLAN200AV, die Installation und Netzwerkeinrichtung automatisch erfolgen und per Knopfdruck an den Adaptern eine Verschlüsselung (AES-128) für die Strecke oder das Netzwerk aktiviert wird.

Als typisches Einsatzgebiet wird oftmals ein häusliches Multimedianetzwerk für die Übertragung von Audio- und Videostreams genannt, für das keine extra Leitungen verlegt werden sollen. Das Verlängern eines DSL-Anschlusses - quasi hin zu mehreren Steckdosen - oder auch die Vernetzung von Überwachungskameras sind weitere gebräuchliche Anwendungen. Außerdem sind spezielle Adaptertypen erhältlich, um WLAN oder auch Satellitenfernsehen mithilfe passender Adapter zu übertragen.

Abbildung 5.1: Das Internet wird hier mithilfe spezieller Adapter per Stromleitung mit LAN- und WLAN-Geräten verbunden.

5.1 Power Line Communication - PLC

Bereits vor über zehn Jahren haben einige Stromversorgungsunternehmen (EnBW, RWE) verschiedene Pilotprojekte für die Datenübertragung über Stromkabel realisiert. Dabei stellte sich heraus, dass dem Vorteil, dass keine neuen Kabel zu verlegen sind, weil entsprechende Leitungen ohnehin in jedes Haus laufen, einige gravierende Nachteile gegenüberstehen, sodass sich diese Technik keineswegs als kostengünstiger - gegenüber xDSL - darstellt. Mittlerweile haben die Stromversorger deshalb ihre Anstrengungen betreffs Digital Power Line (DPL) oder auch Power Line Communication (PLC) aufgegeben.

Das Prinzip der Powerline-Kommunikation ist das Aufmodulieren des Datensignals auf einen Träger (15-500 kHz), der über das Stromnetz transportiert wird, wofür entsprechende Modems genutzt werden. Dabei ist das dynamische Verhalten des Stromnetzes in Hinsicht auf Schwankungen, Störungen und Übergänge (Umspannwerke, Transformatorstationen, Einspeisungen) jedoch recht unterschiedlich, sodass sich entsprechende Aussagen über die zu erwartende Qualität der Datenübertragung kaum treffen lassen.

Das Stromnetz stellt im Grunde genommen ein sehr dynamisches Gebilde aus sehr vielen unterschiedlichen Teilstrecken dar, die in ihren Eigenschaften stark von den momentan aktiven Geräten und somit auch von der Tageszeit abhängig sind.

Die Powerline-Modems müssen demnach eine Vielzahl von möglichen Beeinflussungsmechanismen auf die Datenübertragung einkalkulieren, was sie relativ teuer macht, und dennoch kann nicht ausgeschlossen werden, dass die negativen Einflüsse nicht (unerwartet) derart ausufern, dass keine nutzbare Datenverbindung mehr zustande kommen kann. Dies ist für flächendeckende Internetanschlüsse nicht akzeptabel und letztlich auch ein wesentlicher Grund für das Scheitern der Powerline-Technik über die Stromnetze der Versorgungsunternehmen.

5.2 HomePlug-Technik

Trotz der nicht erfolgreichen Powerline-Aktivitäten diverser Stromversorgungs-unternehmen kann auf einem begrenzten Gebiet, wie innerhalb einer Wohnung oder eines Hauses, die Datenübertragung über Stromkabel vorteilhaft genutzt werden, was bereits seit den 70er-Jahren von den Babyphones praktiziert wird.

Um eine Abgrenzung zu Powerline herzustellen, werden diese lokalen Lösungen, die typischerweise im Frequenzbereich von 4-30 MHz arbeiten, auch unter HomePlug geführt. Hierfür wird OFDM (Kapitel 4.3.5) mit 84 Übertragungskanälen eingesetzt, wobei gestörte Kanäle für die Datenübertragung ausgeblendet werden.

Als Zugriffsverfahren kommt CSMA/CA zum Einsatz, und je nach Gerätegeneration werden unterschiedliche Fehlerkorrektur- (FEC, CFP) und Modulationsverfahren (PBSK, QAM, vgl. Tabelle 4.4) verwendet. In Deutschland sind insbesondere Powerline-Lösungen der Firma Devolo gebräuchlich, deren Adapter unter der Bezeichnung dLAN (Direct Local Area Networks) firmieren.

Abbildung 5.2: Die bekannten dLAN-Adapter-Sets der Firma Devolo

Wie WLAN arbeitet auch Powerline bzw. HomePlug mit einem Shared Medium, d.h., dass sich die aktivierten Adapter die zur Verfügung stehende Bandbreite teilen müssen, wobei prinzipiell auch die üblichen Verbraucher wie Fön, Mixer oder Staubsauger hinzuzurechnen sind, die auf den Kabeln Störspektren erzeugen und somit das Medium belegen. Die genannten Haushaltsgeräte werden nur zeitweise verwendet, sodass sie die Datenübertragung zwar nicht dauerhaft negativ beeinflussen, gleichwohl für merkliche Einbrüche sorgen können. Außerdem kann in einem HomePlug-LAN immer nur ein Teilnehmer zurzeit senden, der dann nicht empfangsbereit ist; es ist demnach lediglich ein Halbdu-plex-Betrieb möglich.

Im Gegensatz zu einer üblichen WLAN-Installation ist es mit der Powerline-Technologie gut möglich, mehrere Stockwerke versorgen zu können, was insbesondere dann gut funktioniert, wenn der gleiche Stromkreis hierfür die Grundlage bilden kann.

Die Netzwerkversorgung (Internet, VoIP, IPTV) im Mehrparteienhaus, in der Schule, im Krankenhaus oder im Hotel über Bestandskabel - wie die verlegte Strom-, Telefon- oder auch Antennenkabelinstallation genannt wird - sind Beispiele für die professionelle Nutzung der Powerline- bzw. der HomePlug-Technik, bei der sich bis zu 32 Teilnehmer die typischerweise maximale Bandbreite von 200 MBit/s teilen. Hierfür kommen dann spezielle Adapterlösungen wie etwa dLAN AVPro oder DSpro (von Devolo) zum Einsatz, die skalierbar sind und somit auch größere Installationen ermöglichen.

Abbildung 5.3: Die HomePlug-Technik erschließt mit speziellen Lösungen auch den professionellen Bereich der InHouse-Vernetzung.

5.3 Kompatibilität und Chipsets

Außer dem Marktführer Devolo hat mittlerweile eine ganze Reihe von Firmen wie Allnet, Belkin, D-Link, TP-Link oder Netgear eigene HomePlug-Produkte in ihre Lieferprogramme aufgenommen. Von den verschiedensten Herstellern gibt es drei unterschiedliche Gerätegenerationen mit 14 MBit/s, 85 MBit/s und 200 MBit/s. Die Firma Devolo hat mit dLAN 500, das erstmalig mit bis zu 500 MBit/s arbeiten soll, die schnellste Lösung vorgestellt. Andere Hersteller folgen mit vergleichbaren Lösungen, wie etwa Netgear mit dem Produkt Powerline AV500 (Homeplug AV).

Exkurs

Die von den Herstellern angegebenen Datenraten reduzieren sich in der Praxis mindestens auf den halben Wert, der zudem mit wachsender Strecke weiter absinkt.

Das Gros der Adapterhersteller verwendet Chipsets der kanadischen Firma Intellon (HomePlug), die von der Firma Altheros übernommen wurde. Altheros ist für Ethernet-und WLAN-Chips bekannt und gehört zum Qualcomm-Konzern, einem weltweit führenden Unternehmen für die Mobilfunkkommunikation.

Andere Adapterhersteller setzen Chips der spanischen Firma DS2 (UPA) ein, die seit 2010 zur Firma Marvell gehört, ebenfalls ein bekannter Hersteller von Chips für Netzwerkadapter und andere Interfaces. Durch die Kombination von WLAN- und Ethernet-Chips mit Powerline ist eine ganze Reihe neuer Adapter entwickelt worden, wie Geräte mit integriertem WLAN-Access-Point oder auch einem 4-Port Switch.

Wie bereits erwähnt, fehlt es an einem verbindlichen Standard für die InHouse-Vernet-zung mithilfe der Powerline-Technologie. Mittlerweile gibt es nur noch die HomePlug-Allianz (www.homplug.org), die jedoch keine Normungsbefugnis hat und eher als eine lose Interessengemeinschaft verschiedener Firmen für die Vermarktung anzusehen ist. Die Konkurrenzvereinigung, die Universal Powerline Association (UPA), hat seit der Übernahme der Firma DS2 durch Marvell ihre Arbeit eingestellt.

Exkurs

Grundsätzlich gibt es keine Kompatibilität zwischen Powerline-Adaptern, die Chipsets unterschiedlicher Hersteller verwenden. Eine tatsächliche Abwärtskompatibilität neuerer Powerl ine-Chipsets zu älteren (eines Herstellers) ist eher die Ausnahme. Einige Hersteller (Netgear) bescheinigen sämtlichen HomePlug AV-Modellen eine gegebene Kompatibilität.

Laut dem Chiphersteller Intellon/Altheros existiert eine Abwärtskompatibilität zwischen der Version mit 85 MBit/s und der vorherigen Generation mit 14 MBit/s, was jedoch nicht sicherstellt, dass sich der jeweilige Adapterhersteller auch konsequent an das Intellon-Referenzdesign gehalten hat, sodass diese Aussage leider nicht als ein Kompatibilitätsmerkmal gelten kann, welches in der Praxis Bestand hat. Gewissermaßen als Ausnahme weist die Firma Devolo explizit eine Kompatibilität zwischen den HomePlug-Adaptern der ersten Generation mit der darauffolgenden (dLAN High Speed) aus.

Die folgenden HomePlug-Versionen mit Intellon-Chipsets sind gebräuchlich:

■ HomePlug 1.0: 14 MBit/s, Intellon INT 5200, Devolo dLAN Duo

■ HomePlug Turbo: 85 MBit/s, Intellon INT 5500, Devolo dLAN High Speed

■ HomePlug AV: 200 MBit/s, Intellon INT 6000, Devolo dLAN 200/AV

■ HomePlug AV: 500 MBit/s, Intellon INT 6400, Devolo dLAN 500/AV

Durch die Inkompatibilität der unterschiedlichen Powerline-Lösungen verbietet sich aus technischer Sicht der Einsatz verschiedener Adapterpaare. Gleichwohl ist es theoretisch möglich, etwa ein älteres System neben einem neueren in derselben Umgebung einzusetzen. Dadurch wird das Medium jedoch zusätzlich belegt, was im günstigsten Fall von den Adapterpaaren toleriert wird, im ungünstigsten Fall kommen nur noch sporadische oder auch gar keine Verbindungen mehr zustande.

5.4 Betrieb und Praxisaspekte

Der Betrieb eines Powerline-Adapterpaares funktioniert am besten, wenn sich beide Geräte am gleichen Stromkreis befinden. Als Orientierung ist dies dann der Fall, wenn sie beide durch die gleiche Haussicherung abgesichert sind. Grundsätzlich stellen Haussicherungen aber keine Behinderung für den Verbindungsaufbau dar. Gleichwohl gibt es durchaus Umgebungen, wo keine oder nur sehr langsame Verbindungen zustande kommen, weil die Adapter an unterschiedlichen Stromkreisen angeschlossen sein müssen. Abhilfe können dann sogenannte Phasenkoppler schaffen, die jedoch nur vom Elek-trofachmann im Verteilerschrank montiert werden können, was dann vielfach für den Heimgebrauch aus Kostengründen ausscheidet.

J

4 A A

Abbildung 5.4: dLAN-Adapter im Einsatz

Powerline-Adapter sind vorzugsweise in separate Wandsteckdosen einzusetzen (Abbildung 5.5). Neuere Adaptermodelle verfügen über integrierte Steckdosen, sodass prinzipiell keine Steckplätze verloren gehen. Netzstörungen durch Elektromotoren, Dimmer, Halogenlampen, Sensorschalter sowie Geräte mit Schaltnetzteilen wie PCs und Fernsehgeräte können die Datenübertragung maßgeblich beeinflussen, weshalb die Adapter möglichst nicht von der gleichen Steckdose aus gespeist werden sollten.

Exkurs

Powerline-Adapter sollten nach Möglichkeit in separaten Wandsteckdosen und nicht in Mehrfachsteckdosen oder -leisten betrieben werden.

Auf keinen Fall sollten Powerline-Adapter in Filtersteckdosenleisten (Netzfilter, Überspannungsschutz) betrieben werden, weil dadurch auch das Datensignal stark gedämpft wird.

Das Powerline-Signal kommt üblicherweise nicht weit über den Hausanschluss - den Stromzähler - hinaus. Verlassen kann man sich darauf aber nicht, und es ist durchaus möglich, dass sich das Signal auch auf der Leitung des Wohnungsnachbarn befindet. Wenn dieser ebenfalls ein Powerline-LAN betreibt, kann dies wiederum einen negativen Einfluss auf die Datenraten des eigenen LANs haben, weil sich die Spannungsleitungen nun einmal als ein Shared Medium darstellen.

Die Powerline-Adapter reagieren nicht nur auf Störungen auf der Stromleitung, sondern sie erzeugen auch selbst welche, und zwar in den Kurzwellenbändern, die insbesondere von Amateurfunkern verwendet werden. Für die leitungsgeführte Störaussendung gibt es eine Norm (EN 55022), die zwar von den gebräuchlichen Adaptern eingehalten wird, was jedoch nicht ausschließt, dass sich in bestimmten Konstellationen dennoch Störungen bemerkbar machen können.

Kapitel 6

Das wichtigste Protokoll für die Netzwerkkommunikation ist das Transmission Control Protocol/Internet Protocol. TCP/IP ist das am weitesten verbreitete Protokoll überhaupt. Spätestens seit der starken Verbreitung des Internet stellt TCP/IP das Standardprotokoll - oder genauer die Protokollfamilie - in der Netzwerktechnik dar, die rund 500 einzelne Protokolle definiert, wovon in diesem Kapitel nur die wichtigsten besprochen werden können. Andere Protokolle wie DECnet (DEC), AppleTalk (Apple), IPX/SPX (Novell) oder NetBEUI (Microsoft) sind durch TCI/IP im Grunde genommen bedeutungslos geworden.

TCP/IP gibt es bereits seit Anfang der Siebzigerjahre, wenn auch damals noch nicht mit dem heutigen Funktionsumfang. Es wurde vor dem OSI-Modell (Kapitel 1.3) definiert, das sich durchaus an TCP/IP orientiert hat. TCP/IP definiert bzw. verwendet jedoch nicht sieben, sondern nur vier Schichten, die dann mehrere Funktionen übernehmen.

TCP/IP-Schicht

OSI-Schicht

TCP/IP-Bezeichnung

Funktionen

Dienste/ Anwendungen

4

6 und 7

Anwendungsschicht

WinSock, NetBIOS

FTP, Telnet, E-Mail, http, X-Window

3

4

Transportschicht

TCP, UDP

Kommunikation

2

3

Internetschicht

IP, ARP, ICMP, IGMP, RIP, PPP

Ping, Multicast

1

2 und 1

Netzwerkschicht

LAN, WAN

Bitübertragung

Tabelle 6.1: Die einzelnen Schichten und Funktionen bei TCP/IP

In der Netzwerkschicht findet die Bitübertragung statt, wobei hier Ethernet die gebräuchlichste Realisierung ist. In der darüber liegenden Schicht ist das IP (Internet Protocol) für die Adressierung und Versendung der Datenpakete verantwortlich. Es arbeitet im Gegensatz zum TCP in der Schicht 3 (bzw. OSI-Schicht 4) als verbindungsloses Protokoll.

Dem Internet Protocol (IP) kommen bei der Adressierung, der Vermittlung und dem Verbindungsaufbau zwischen den Kommunikationspartnern weitere Protokolle zu Hilfe, wie das Address Resolution Protocol (ARP) für die Umsetzung der logischen IP-Adressen in die MAC-Adressen (siehe Kapitel 6.5).

Des Weiteren finden sich in der Internetschicht das Internet Control Message Protocol (ICMP) sowie das Internet Group Management Protocol (IGMP). ICMP wird für die Übertragung von kurzen Nachrichten verwendet, wobei es sich in erster Linie um Status- und Fehlerinformationen handelt. Der Befehl Ping, der sich stets als nützlich für die Detek-tierung von Netzwerkeinheiten erweist, nutzt beispielsweise dieses Protokoll.

Um Daten gleich an eine Gruppe von Computern zu übertragen, was auch unter Multicast Messages firmiert, wird IGMP verwendet, das z. B. für Videokonferenzen im Internet einsetzbar ist.

TCP ist auf der vierten OSI-Schicht lokalisiert und gilt als verbindungsorientiertes Protokoll, d.h., während der Datenübertragung wird eine Kontrollfunktion zwischen den Partnern ausgeführt, wodurch es sehr zuverlässig ist, weil keine Daten verloren gehen können.

Dies fordert seinen Tribut in Form eines gewissen Daten-Overhead für die Kontroll- und Fehlererkennungsmechanismen, sodass bei einigen Anwendungen stattdessen das User Datagram Protocol (UDP) zum Einsatz kommt, wie etwa für relativ kurze Netzwerkmeldungen. Beispiele hierfür sind das Simple Network Management Protocol (SNMP) und das Routing Information Protocol (RIP).

UDP wird auch für größere Datenmengen eingesetzt, bei denen es in erster Linie auf Geschwindigkeit und weniger auf eine garantierte »Datenechtheit« ankommt. Den Geschwindigkeitsvorteil gewinnt es durch den Umstand, dass es ein verbindungsloses Protokoll ist, und daher wird es bevorzugt für die Übertragung von Audio- und Videodaten (Real Audio/Video) im Internet verwendet.

TCP/IP betrifft darüber hinaus die OSI-Schichten 6-7, die solche Dienste wie die Übertragung von Dateien zwischen unterschiedlichen Computersystemen (FTP, File Transfer Protocol) für eine einfache Terminal-zu-Terminal-Verbindung (TP, Telnet Protocol) und für die Nachrichtenübermittlung (SMTP, Simple Mail Transfer Protocol) zur Verfügung stellen.

Für die oberste Schicht von TCP/IP gibt es verschiedene Programmierschnittstellen (APIs: Application Programming Interfaces), wie beispielsweise die Windows Sockets (WinSock), auf die die Anwendungen wie das File Transfer Protocol (FTP), E-Mail oder auch das Hypertext Transfer Protocol (HTTP) aufsetzen. Des Weiteren ist hier NetBIOS angesiedelt, das als NetBIOS over TCP/IP die Verbindung zur darunter liegenden Transportschicht übernimmt.

In der Abbildung 6.1 ist gezeigt, wie man sich den Datentransport über die Schichten vorstellen kann, wobei die verschiedenen Protokolle den eigentlichen Dateninhalt nicht verändern, sondern die Daten in definierte kleinere Datenteile zerlegen sowie Prüf- und Fehlerkorrekturmechanismen anwenden und die jeweiligen Datenpakete dann mit entsprechenden Headers versehen. Was dabei im Einzelnen vor sich geht, wird in den folgenden Unterkapiteln noch genau erläutert.

TCPHeader

TCP-Data

IP-

Header

IP-Data

Ethernet-Header

Ethernet-Data

FCS

<- Ethernet-Packet -►

Abbildung 6.1: Die Daten auf dem Weg durch die Schichten

6.1 Transmission Control Protocol - TCP

TCP ist auf der vierten OSI-Schicht (Transportschicht) lokalisiert und baut die Verbindungen zwischen den Stationen auf und wieder ab, es ist also für den eigentlichen Datentransport zuständig und nimmt hierfür die Dienste von IP in Anspruch.

Die Kommunikation findet dabei über Ports statt, die nichts mit Ports im Sinne von Registern bei Hardware-Einheiten zu tun haben, sondern als Kommunikationsendpunkte verstanden werden können. Der Source Port definiert den Absender eines Dienstes oder Prozesses und der Destination Port dementsprechend den Empfänger.

Der Source Port spezifiziert genau, von welchem Dienst eines höheren Protokolls die Daten übergeben werden. Er ist nicht Bestandteil der Sender-IP-Adresse, sondern erst durch die Kombination von IP-Adresse und Port-Nummer wird ein Prozess eindeutig beschrieben, was als Socket bezeichnet wird. Das gezielte Ansprechen bestimmter Protokolle auf den höheren Schichten wird durch diese Sockets ermöglicht. Diese werden oftmals auch als »well known Ports« ausgewiesen und sind in Kapitel 6.3 näher erläutert. TCP überträgt gleichzeitig in beide Richtungen ohne eine Interpretation oder Veränderung des Dateninhalts.

Auf der Empfängerseite ist der Destination Port relevant, der das Gegenstück zu der »virtuellen Verbindung« über die Sockets darstellt. Eine TCP-Verbindung wird stets über die Sockets auf der Sende- und der Empfangsseite, die für die Dauer einer Verbindung immer gleich bleiben, eindeutig gekennzeichnet.

0

4

10

16

24 31

Source Port

Destination Port

Sequence Number

Acknowledge Number

Offset

Reserviert

Flags

Receive Window

Checksum

Urgent Pointer

Options

Padding

TCP Data

Abbildung 6.2: Der TCP-Header

Die Sequence Number und die Acknowledge Number sind für die Synchronisation der Datenpakete und deren Position innerhalb des Datenstromes zuständig. Dieser Mechanismus beruht auf einer fortlaufenden Nummerierung der zu übertragenden Datenbytes durch den Sender. Der Empfänger bestätigt durch die Acknowledge Number den Empfang der Daten-Bytes und zeigt daraufhin an, welche Sequenznummer als nächste an der Reihe ist. Dieser Mechanismus der Empfangsbestätigung macht TCP zu einem übertragungssicheren Protokoll, was sich allerdings negativ auf die Nettodatenrate auswirken kann. Eine Rolle spielt hierfür auch das Receive Window (siehe folgende Seite).

Der Datenanfang wird indirekt durch den Wert Offset bestimmt, der die Anzahl der 32-Bit-Worte im TCP-Header angibt, weil dieser eine veränderliche Länge aufgrund des Optionsfeldes aufweist. Er ist aber stets ein Vierfaches von 32 Bit lang. Ausgehend von dem Offset-Wert wird dann der Datenteil berechnet.

Dem Feld, das als Reserviert (für zukünftige Anwendungen) bezeichnet wird und sechs Bit lang ist, folgt Flags. Dabei handelt es sich um sechs verschiedene 1-Bit-Informatio-nen, die für den Aufbau, für das Beenden und auch die Aufrechterhaltung der Verbindungen herangezogen werden können. Sie haben die in der Tabelle 6.2 angegebenen Bedeutungen.

Funktion

URG

Urgent Pointer

Dient zur Signalisierung von bevorzugt zu behandelnden Daten mit URG = 1.

ACK

Acknowledgement

Mit ACK = 1 werden empfangene Daten bestätigt.

PSH

Push

Mit PSH = 1 wird dem empfangenden TCP signalisiert, dass die Daten unverzüglich an das höhere Protokoll zu übermitteln sind. Wird z. B. bei Telnet eingesetzt.

RST

Reset

Der Sender zeigt mit RST = 1 an, dass die Verbindung beendet wird. Wird auch als Antwort bei ungültigen Daten gesetzt.

Funktion

SYN

Synchronisation

Dem Empfänger wird mit SYN = 1 bekannt gegeben, dass eine Verbindung aufgebaut wird. Der Sender erwartet hierfür eine Bestätigung.

FIN

Final

Der Sender kennzeichnet mit FIN = 1, dass die Verbindung endgültig beendet wird. Der Empfänger muss dieses Signal bestätigen.

Tabelle 6.2: Die Bedeutung der TCP-Header-Flags

Dem Sender wird anhand des Inhaltes vom Receive Window die maximale Anzahl von Bytes signalisiert, die der Empfänger für die aktuelle Verbindung noch in seinem Datenpuffer aufnehmen kann. Das Senden einer Bestätigung (Acknowledge) muss dabei nicht nach jedem TCP-Datenpaket ausgelöst werden, was zusätzliche Übermittlungszeit zur Folge hätte. Die Bestätigung wird erst dann gesendet, wenn der Empfangspuffer aufgefüllt ist, was anhand des Receive Window detektiert wird und somit ein Überlaufen des Empfangspuffers verhindert. Ein Wert von null stoppt die Übertragung.

Die Checksumme (Checksum) ist für die Fehlererkennung im TCP-Header zuständig, und der Urgent Pointer dient in Zusammenarbeit mit dem URG-Flag (Tabelle 6.2) für die Verarbeitung von Daten, die mit hoher Priorität zu behandeln sind. Der Urgent Pointer zeigt dabei immer auf das Ende dieser vorrangigen Daten, die stets als erste Information nach dem TCP-Header übertragen werden.

Das Option-Feld ist das einzige im TCP-Header mit einer variablen Länge. Sie hängt von der Optionsart und den Optionsdaten ab. In der Regel werden diese Options jedoch selten bis überhaupt nicht verwendet. Sie stellen lediglich eine optionale Möglichkeit für TCP-Erweiterungen und -Ergänzungen dar. Die Padding-Bits sind nur Füllinformationen, damit der TCP-Header stets an einer 32-Bit-Grenze endet.

6.2 User Data Protocol - UDP

Das User Data Protocol (UDP) ist wie TCP auf der Transportschicht untergebracht. Es arbeitet demgegenüber jedoch als verbindungsloses Protokoll, d.h., es wird hier nicht sichergestellt, dass die Daten auch in korrekter Form beim jeweiligen Empfänger angelangen. Falls dies nicht der Fall sein sollte, findet bei UDP kein erneutes Senden statt, und die Daten sind verloren.

Notwendige Kontrollmechanismen und Anforderungen für ein erneutes Senden - von zuvor fehlerhaft empfangenen Daten - haben die darüber liegenden Schichten zu erfüllen. Der UDP-Header ist demnach recht einfach aufgebaut, und die Kommunikation erfolgt wie bei TCP über Ports (Source, Destination).

0

16

31

Source Port

Destination Port

Length

Checksum

UDP Data

Abbildung 6.3: Der UDP-Header

Das Feld Length enthält die Angabe über die Länge des gesamten UDP-Datagramms (Header plus Daten), und die Checksumme (Checksum) wird ebenfalls über das gesamte UDP-Datagramm gebildet. Checksum ist optional und muss nicht zwangsläufig verwendet werden. Wird Checksum = 0 übertragen, bedeutet dies, dass keine Berechnung durchgeführt wird.

6.3 TCP- und UDP-Ports

Das gezielte Ansprechen bestimmter Protokolle auf den höheren Schichten über TCP und UDP wird durch die bereits erwähnten Ports (Sockets oder auch Well Known Ports) ermöglicht. Die Bedeutungen der möglichen Funktionen und Dienste unterscheiden sich dabei bei TCP und UDP. Die wichtigsten sind in der folgenden Tabelle angegeben.

Bezeichnung

Bedeutung/Funktion

7

TCP, UDP

echo

Test

11

TCP

sysstat

Aktive User

13

TCP, UDP

daytime

Tagesquoten

20

TCP

ftp-data

Daten des File-Transfer-Protokolls

21

TCP

ftp

File Transfer Protocol

22

TCP

ssh

SSH Remote Login Protocol

23

TCP

telnet

Terminaldienst

25

TCP

Mail, SMTP

Simple Mail Transfer Protocol

42

TCP, UDP

nameserver

Host Name Server

43

TCP

nickname

Whois, Anfrage für Clients, Domänen

53

TCP, UDP

domain

Domain Name Server

69

UDP

tftp

Trivial File Transfer Protocol

70

TCP

gopher

Älterer Informationsdienst

79

TCP

finger

Nutzer eingeloggt?

80

TCP

http

World Wide Web

Bezeichnung

Bedeutung/Funktion

88

TCP, UDP

kerberos sec

Sicherheitsdienst

110

TCP

pop3

Post Office Protocol Version 3

137

TCP/UDP

netbios

NetBIOS-Namensdienst

138

TCP/UDP

netbios

NetBIOS-Datagrammdienst

139

TCP/UDP

netbios

NetBIOS-Sitzungsdienst

143

TCP

imap4

Internet Message Access Protocol

162

UDP

snmp

Simple Network Management Protocol

389

TCP

ldap

Lightweight Directory Access Protocol

445

TCP/UDP

microsoft-ds

Windows 2000/XP/Vista SMB

Tabelle 6.3: Die Ports werden für unterschiedliche Dienste verwendet.

Insgesamt stehen jeweils 65535 verschiedene Ports für TCP und UDP zur Verfügung. Neben den reservierten und standardisierten Well Known Ports, die den Bereich von 1 bis 1023 abdecken, werden außerdem sogenannte Registered Ports (1024-49151) und Dynamically Allocated Ports (49152-65535) definiert.

Die Registered Ports werden üblicherweise für bestimmte Dienste als »Nebenstellen« zusätzlich zu den bekannten Ports verwendet, etwa der Port 3128 für Proxy-Server als Alternative zu http (Port 80) oder die Ports 1433 und 1434 für Microsofts SQL-Server. Die Dynamically Allocated Ports (Ephernal Ports) sind ebenfalls als »Nebenstellen« zu betrachten, werden jedoch stets dynamisch verwendet und erlauben demnach keine Zuordnung zu bestimmten Diensten.

Exkurs

Informationen zu den Protokollnummern (Ports) sind bei Windows in der Datei protocol und über die Ports in der Datei services im Verzeichnis \windows\sys-tem32\drivers\etc zu finden. Ausführlichere Informationen hierüber gibt es bei Linux beispielsweise unter /etc in den Dateien services und protocols und ganz aktuelle im Internet unter http://www.iana.org/assignments/service-names-port-numbers/service-names-port-numbers.xml.

Weil Ports quasi offene Tore darstellen können, bilden sie auch ein potenzielles Sicherheitsrisiko für Angreifer und Schadsoftware, denn mithilfe eines Port-Scanners (Netstat, PortScan) kann sehr leicht festgestellt werden, welche Ports eines PC offen sind. Deshalb sind mit Windows 2000 von Microsoft erstmals zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen wie beispielsweise die TCP/IP-Filter eingeführt worden, um Ports explizit blockieren zu können, was mit jeder weiteren Windows-Version weiter verbessert worden ist und bei Windows 7 in der Windows Firewall resultiert, die unterschiedlich »strenge« Profile (privat, Domäne, öffentlich) führt, die automatisch aktiviert und auch individuell eingestellt werden können.

6.4 Internet Protocol - IP

Das Internet-Protokoll (IP) ist für die Adressierung und die Versendung der Datenpakete verantwortlich. Der Vorgang beginnt damit, dass ein Protokoll der höheren Schicht (TCP oder auch UDP, siehe dort) Daten zur Übermittlung an das IP übergibt.

Das Internet-Protokoll verpackt die von der oberen Schicht gesendeten Daten in ein Internet-Paket und reicht dieses an die Bitübertragungsschicht zum Transport weiter. Der IP-Header hat den in der folgenden Abbildung gezeigten Aufbau.

0

4

8

16 19

31

Version

Header Length

Service Typ

Total Length

Identification

Flags

Fragment Offset

Time to Live

Protocol

IP Header Checksum

IP Source Address (IP Sender Adresse)

IP Destination Address (IP Empfanger Adresse )

Options

Padding

IP Data

Abbildung 6.4: Der Aufbau des IP-Headers, dem die IP-Daten folgen

Im Versionsfeld wird die jeweilige Version des IP-Headers übertragen, wobei die Version 4 heute Standard (IPv4) ist und die vorherigen (1-3) nicht mehr verwendet werden. Erst mit IPv6 (siehe Kapitel 6.4.2) ändert sich auch der Inhalt des Versionsfeldes.

Header Length definiert die gesamte Länge des IP-Headers in 32-Bit-Einheiten. Der Service Typ definiert die Dienste eines IP-Pakets und die Priorität (z. B. normale Verzögerung, geringe Verzögerung) und wird vielfach nicht mehr implementiert. Total Length gibt die Gesamtlänge des Paketes einschließlich des IP-Headers und des Datenteils - der höheren »Protokolle« - an.

Falls ein Datenpaket nicht in seiner gesamten Länge übertragen werden kann, wird es fragmentiert, d. h. in kleinere Dateneinheiten zerlegt, mit einem IP-Header versehen und dann mithilfe einzelner Pakete transportiert. Die Bytes Identification, die durch eine höhere Schicht (TCP) generiert werden, kennzeichnen im Header die Zugehörigkeit zu einem bestimmten (fragmentierten) Paket.

Außerdem enthält Flags die Information über den Fragmentierungsvorgang (Don't Fragment, More Fragment), und der folgende Fragment Offset gibt die Lage der Fragmentdaten in Relation zum Anfang des Datenblocks an, damit der Empfänger das Originalpaket wieder in der korrekten Reihenfolge zusammensetzen kann.

Die Lebensdauer eines Datenpaketes im Netz wird mit Time to Live (TTL) spezifiziert. Als maximaler Wert ist hierfür der »Übergang über 255 Router« definiert. Da es in den Netzen vielfach keine synchrone Uhrzeit gibt, wird Time to Live bei jedem Router-Durchlauf (Hop) erniedrigt, und falls der Wert zu null wird, muss das Paket verworfen werden.

TTL wird normalerweise bei jedem Hop um eins erniedrigt, wobei es im Internet aber auch üblich ist, dass TTL bei einem Hop gleich um drei reduziert wird. Die Anzahl der Hops ist demnach durch TTL begrenzt, und falls das Datenpaket zu verwerfen ist, wird eine entsprechende Nachricht mit ICMP (siehe Kapitel 6.6) an den Computer, von dem das Paket ausging, gesendet.

Exkurs

Welchen Weg ein Paket zu einer bestimmten Netzwerkeinheit über welche Router durchläuft, lässt sich mit dem Programm Tracert (Trace Route) ermitteln. Dem Befehl Tracert ist hierfür die jeweilige IP-Adresse oder der Hostname nachzustellen (Abbildung 6.5).

^Administrator: Eingabeaufforderung

Microsoft Hindous [Version 6.1.7600]

Copyright <c> 2009 Microsoft Corporation. Aile Rechte uorbehalten. C:\Users\Klaus>tracert sfoogle.de

Routenuerfolgung zu google.de [74.125.43.1041 ilber maximal 30 Abschnitte:

1

<1

ms

<1

ms

<1

ms

192.168.0.110

2

29

ms

33

ms

32

ms

loi.br04.ueham.de.hansenet.net [213.191.84.1991

3

29

ms

28

ms

29

ms

ge-7-l-2-0.xd01.ueham.de.hansenet.net [62.109.11

.701

4

29

ms

30

ms

29

ms

ae0-0.pr01.ueham.de.hansenet.net [213.191.66.169

5

54

ms

29

ms

29

ms

uorkix.net.google.com [80.81.203.341

6

30

ms

30

ms

29

ms

209.85.249.132

7

30

ms

31

ms

29

ms

72.14.233.31

G

37

ms

37

ms

37

ms

209.85.240.88

9

36

ms

37

ms

36

ms

216.239.48.53

10

38

ms

*

*

209.85.255.249

11

36

ms

36

ms

37

ms

bu-in-fl04.lel00.net [74.125.43.1041

AblaufVerfolgung beendet. C:\Users\Klaus>

Abbildung 6.5: Auf dem Weg zu Google mit »tracert«

Welches höhere Protokoll als nächstes dem Datenteil vorangestellt ist, wird durch das Byte Protocol gekennzeichnet. Die wichtigsten hier lokalisierten Protokolle sind in der Tabelle 6.4 angegeben.

Protokoll Nr.

Protokolltyp

Bedeutung

0

IP

Internet Protocol

1

ICMP

Internet Control Message Protocol

2

IGMP

Internet Group Management Protocol

3

GGP

Gateway Gateway Protocol

6

TCP

Transmission Control Protocol

ll

UDP

User Datagram Protocol

22

XNS-IDP

Xerox Internet Datagram Protocol

Tabelle 6.4: Kennzeichnung der höheren Protokolle unter »Protocol« im IP-Header

Für die Fehlerüberprüfung des IP-Headers (nicht des Datenteils) dient IP Header Checksum. Diese Prüfsumme muss bei der Kommunikation über Router stets neu berechnet werden, weil sich beispielsweise der Wert für Time to Live dabei ändert.

Als Nächstes folgen im IP-Header die Adresse des Computers (IP Source Address), der das Paket erzeugt hat, sowie die Adresse des Computers (IP Destination Address), für den es bestimmt ist. Das Optionsfeld kann für recht unterschiedliche Zwecke verwendet werden, wie etwa für Sicherheitsfunktionen und das Aufzeichnen von »Router-Wegen« mit zahlreichen Informationen (z. B. IP-Router-Adressen, Zeitpunkte der Durchläufe). Diese Optionen werden heutzutage aber kaum mehr unterstützt oder sind auch nicht vollständig implementiert, sodass hierauf nicht weiter eingegangen wird. Auch der IP-Header wird (wie der TCP-Header) durch Padding-Bits abgeschlossen, die als Füllzeichen ohne Dateninhalt (00) fungieren, damit der IP-Header stets im 32-Bit-Format endet.

6.4.1 IPv6

Eine übliche IP-Adresse stammt aus einem Adressraum von 32 Bit, was somit zu 4,3 Milliarden (2^32) verschiedenen Adressen führt, einerseits eine ganz beachtliche Anzahl, andererseits reicht es aber nicht mehr aus, um jedem Menschen auf der Erde mindestens eine IP-Adresse zuteilen zu können, zumal alle möglichen Geräte per Internet erreichbar sein sollen.

Die zurzeit gängige IP-Version wird als IPv4 bezeichnet. Der bereits seit 1994 vorgesehene Nachfolger IPv6 verwendet einen Adressraum von 128 Bit, was somit zu einer geradezu unvorstellbaren Anzahl (340,28 Sextillionen) von möglichen IP-Adressen führt. IPv6 oder IPnG (IP Next Generation), wie dieser Standard auch bezeichnet wird, muss zu IPv4 kompatibel sein, was dadurch erreicht wird, dass die bisherigen IPv4-Adressen mit in den unteren Bereich von IPv6 aufgenommen werden können.

Die ersten 64 Bit entsprechen dem sogenannten Netzwerk-Präfix und die restlichen 64 Bit dem Host-Teil (Interface Identifier), wobei die Zahlen nicht mehr als Dezimal-, sondern standardmäßig als Hexadezimal-Werte angegeben werden, die durch Doppelpunkte in acht Gruppen zu 16 Bit aufgeteilt werden. Die Adresse des Host-Teils wird automatisch aus der Hardware-Adresse (MAC, 48 Bit) der Netzwerkeinheit gebildet.

Für die Angabe von IPv6-Adressen wird die CIDR-Notation (siehe Kapitel 6.10.6) verwendet, wo nach der Angabe der Adresse die Länge des Präfix durch eine Zahl angegeben werden kann, beide sind durch einen Schrägstrich voneinander getrennt. IPv6-Adressen lassen sich außerdem in verkürzter Schreibweise angeben. Zwei aufeinanderfolgende Doppelpunkte stehen für eine Folge von Nullen, und führende Nullen innerhalb einer Gruppe dürfen weggelassen werden. Bei den letzten vier Bytes einer IPv6-Adresse darf die Adresse auch in dezimaler Notation angegeben werden, was die Kompatibilität zu IPv4 herstellt.

Im Gegensatz zur IPv4-Adresseneinstellung (Kapitel 6.10) führen IPv6-Einheiten bereits automatisch eine Adresse, auch wenn noch gar keine Einstellung erfolgt ist. Mechanismen wie DHCP oder APIPA (Zero Config) für die automatische Vergabe von IP-Adressen in Netzwerken sind aufgrund des mehrstufigen, automatisch ablaufenden IPv6-Konfi-gurationsprozesses überflüssig geworden. Das IPv6-Protokoll darf dafür unter den Netzwerkeinstellungen bei Windows nur nicht deaktiviert sein. Zur Kontrolle dieser Adresse kann das Kommando ipconfig unter Windows an der Eingabeaufforderung (Abbildung 6.6) eingegeben werden.

Abbildung 6.6: Wenn IPv6 eingeschaltet ist, wird dem Adapter automatisch eine Adresse zugewiesen.

Eine besondere Rolle spielen die sogenannten Link-lokalen Adressen (verbindungslokale Adressen), die stets das Präfix fe80::/64 führen und automatisch vom Betriebssystem erzeugt werden. Daneben gibt es einige weitere reservierte Präfixe, die Adressen mit Sonderfunktionen kennzeichnen (00 = IPv4-Kompatibilitätsadresse, fec0-feff = private Adressen, ffxx = Multicast-Adressen), was hier jedoch nicht weiter betrachtet wird.

Link-lokale Adressen sind nur in einem lokalen Netz gültig und werden nicht über Router transportiert, gelten also nicht im Internet. Um dies zu ermöglichen, ist ein geeigneter Router notwendig, der die Link-lokale Adresse in eine Globale IPv6-Adresse umsetzt, was an einem veränderten Präfix (meist mit 2 beginnend) erkennbar ist. Die weiteren Adresseneinträge gelten dann für die lokale Route, das eigene Netzwerk und den jeweiligen Computer. Ausschlaggebend sind die Umsetzung durch den Router sowie der jeweilige DSL-Provider, die den Netzwerkteil (Präfix) der Adresse bestimmen, gefolgt vom HostTeil (Interface Identifier), der den lokalen Teil repräsentiert.

Beispielsweise führt die Telekom als IPv6-Internet-Provider das Präfix 2003:0::/19, womit die ersten 19 Bit festliegen, gefolgt von 37 Bit, die dem Benutzer bei der Einwahl zugewiesen werden, und weiteren 8 Bit, die der Kunde beliebig vergeben kann, um sein lokales Netz weiter unterteilen zu können. Weil prinzipiell vom darauffolgenden HostTeil eine eindeutige Identifizierung von Clients möglich ist, wurde aufgrund von Datenschutzbedenken ein Mechanismus mit der Bezeichnung Privacy Extension (RFC 4941) eingeführt.

Der Client erzeugt bei aktivierter Privacy Extension einen zufälligen Interface Identifier, prüft, ob dieser noch nicht anderweitig benutzt wird, und setzt diesen dann eine bestimmte Zeit für das jeweilige Interface ein. Windows 7 verwendet eine solche Adresse standardmäßig nur einen Tag lang, kann jedoch noch bis zu sieben Tage mit den älteren zuvor zugewiesenen IPv6-Adressen arbeiten. Deshalb gibt es nicht nur eine einzige Cli-ent-IP-Adresse - Interface Identifier -, sondern gleich mehrere, was eine Identifizierung einzelner Clients unmöglich machen soll. Zumindest Windows 7 schaltet den Privacy Extension-Mechanismus standardmäßig ein, andere Betriebssysteme nicht unbedingt, sodass dies sicherheitshalber kontrolliert werden sollte.

Exkurs

Einem eingeschalteten IPv6-Interface wird ohne Zutun des Anwenders automatisch eine Adresse zugewiesen. Um eine Identifizierung von bestimmten Netzen, einzelnen Clients und Usern zu verhindern, sollte - nach Möglichkeit - die Option Privacy Extension eingeschaltet werden.

Sicherheitstechnisch durchaus problematisch ist die Tatsache, dass es Systeme mit IPv6-Unterstützung gibt, beispielsweise iPad und iPhone ab iOS-Version 4 sowie Smartphones und Tablets mit Android, bei denen IPv6 automatisch arbeitet und es keine Möglichkeit gibt, diese Funktion abzuschalten oder den Privacy Extension-Mechanismus einzuschalten. Vom aus der MAC-Adresse abgeleiteten Interface Identifier können der Hersteller, der Gerätetyp und letztendlich auch der Benutzer identifiziert werden, weil es sich meist um persönliche Geräte handelt. Die Möglichkeit, daraus Anwenderprofile anfertigen zu können, erweckt zumindest bei Datenschützern schlimme Befürchtungen.

Neben den 128-Bit-Adressen bietet IPv6 zusätzliche Sicherheitsfunktionen (Authentifi-cation & Privacy), neue Routing-Mechanismen, eine flexiblere Klassenteilung und einen Quality of Service. Vom QoS, was man sich vereinfacht als eine garantierte Bandbreiten-

Zuteilung für eine Übertragung vorstellen kann, sollen insbesondere Real-Time-Applika-tionen wie für Audio und Video profitieren.

Diese neuen Funktionen bedürfen eines neuen IP-Header-Formates, wobei bei dieser Gelegenheit gewissermaßen gleich das IPv4-Header-Format etwas »aufgeräumt« wurde. Im Laufe der Zeit hat sich nämlich herausgestellt, dass einige Header-Felder (vgl. Abbildung 6.4) gar nicht oder nur sehr selten zur Anwendung kommen. Dieses Vorgehen hat zur Folge, dass sich trotz des viermal längeren Adressfeldes von IPv6 der neue Header (Abbildung 6.7) nur als doppelt so lang darstellt wie der »alte« IPv4-Header.

0

4

12

16

24 31

Version

Priorität (Traffic Class)

Flow Label

Payload Length

Next Header

Hop Limit

IP Source Address (128 Bit)

IP Destination Address (128 Bit)

Abbildung 6.7: Der Aufbau des IPv6-Headers

Das Versionsfeld spezifiziert mit einer Sechs als Inhalt das Protokoll IPv6 und mit einer Vier den Vorgänger IPv4, wodurch eine entsprechende Kompatibilität gegeben ist und sich somit beide Versionen parallel verwenden lassen.

Das Feld Prio (Priorität) kennzeichnet bevorzugt zu behandelnde Pakete, wie etwa ein FTP mit der Nr. 4 oder ein Telnet-Paket mit der Nr.6. Flow Label (24 Bit Länge) ist für die Kennzeichnung von Paketen zuständig, die einer gesonderten Verarbeitung bedürfen, wie etwa eines mit Ton- und Video-Inhalten (Realtime, QoS).

Mit Payload Length wird die Länge des folgenden Datenpaketes definiert, und Next Header identifiziert, welches höhere Protokoll als nächstes dem IPv6-Hader folgt, wie etwa ICMP (1), TCP (6) oder auch UDP (17 dezimal).

Die verbleibende Lebensdauer (TTL) eines Paketes wird mit Hop Limit gekennzeichnet, und wenn dieser Wert zu null wird, wird das Paket verworfen, weil es über zu viele Netze (Router) »hüpfen« musste. Wie beim IPv4 folgen die Adressen der Einheit, die das Paket erzeugt hat (IP Source Address), und derjenigen, für die das Paket bestimmt ist (IP Destination Address), allerdings sind dies 128- statt 32-Bit-Adressen.

Bisher hat sich IPv6 allerdings noch nicht so, wie ursprünglich vorgesehen, durchgesetzt, obwohl alle aktuellen Betriebssysteme über einen Dual IP Stack verfügen und beide Versionen damit gleichermaßen unterstützt werden. In lokalen Netzen ist der Einsatz von IPv6 im Prinzip schon seit Längerem möglich, während IPv6-taugliche Router erst jetzt verstärkt auf den deutschen Markt kommen und bisher auch nur relativ wenige Provider ihre DSL-Zugänge mit IPv6 betreiben. Die Telekom hat erst im Jahr 2011 damit begonnen, die Internetzugänge auf IPv6 auszubauen.

6.5 Address Resolution Protocol - ARP

Das Address Resolution Protocol (ARP) arbeitet wie das IP auf der Internetschicht, was auch für die noch folgenden Protokolle wie ICMP, IGMP und RIP gilt. Obwohl diese auf der gleichen Schicht wie das Internet Protocol (IP) lokalisiert sind, bauen sie auf IP auf; sie werden von IP nur so behandelt, als ob sie Protokolle einer höheren Schicht wären.

Für den Zuordnungsvorgang einer Hardware-Adresse (MAC: 48 Bit) zu einer IP-Adresse (32 Bit) wird das Address Resolution Protocol verwendet. Es gibt auch den umgekehrten Fall, dass also eine IP-Adresse einer bekannten MAC-Adresse zuzuordnen ist, was mithilfe des Reverse Address Resolution Protocol durchgeführt wird. RARP wird beispielsweise bei Arbeitsstationen (Thin Clients) eingesetzt, die keine eigenen Laufwerke besitzen und sich beim Boot eine IP-Adresse von einem im Netzwerk befindlichen RARP-Server anfordern müssen. Prinzipiell kann ARP für viele verschiedene Adressenumsetzungen zum Einsatz kommen, wobei im Folgenden die Umsetzung von IP- in Ethernet-Adressen etwas näher betrachtet wird.

0

8

16 31

Hardware-Typ

Protokoll-Typ

HW-Länge

Protokoll-Länge

Operation

S ender-Hardware-Adresse, Bytes 0-3

S ender-Hardware-Adresse, Bytes 4-5

Sender-Protokoll-Adresse, Bytes 0-1

Sender-Protokoll-Adresse, Bytes 2-3

Empfànger-Hardware-Adresse, Bytes 0-1

Empfanger-Hardware-Adresse, Bytes 2-5

Empfänger-Protokoll-Adresse, Bytes 0-3

Abbildung 6.8: Der ARP-Protokoll-Header

Der ARP-Header folgt dem Ethernet-Header, der die Empfänger- und Sender-HardwareAdressen (48 Bit) überträgt. Der Protokolltyp wird zur Unterscheidung des verwendeten höheren Kommunikationsprotokolls verwendet, das bei Ethernet den Wert 0x0800 aufweist.

Es sind zahlreiche Hardware-Typen definiert, die die jeweilige Datenstruktur, das Übertragungsmedium und die Übertragungsgeschwindigkeit kennzeichnen, wie etwa Typ 1: 10 MBit/s-Ethernet, Typ 7: ARCNET, Typ 11: LocalTalk, Typ 15: Frame Relay oder auch Typ 21: ATM.

Die Bits HW-Länge (Hardware) sowie Protokoll-Länge definieren die Länge der jeweiligen Hardware-Adressen, wobei HW-Länge bei Ethernet stets den Wert 06 aufweist und Protokoll-Länge bei IP den Wert 04.

Die Operation-Bytes bestimmen den Typ des ARP-Pakets. Typ 1 bedeutet ARP Request (Anfrage) und Typ 2 ARP Reply (Antwort). Für die umgekehrte Funktion (RARP) werden Typ 3 RARP Request und Typ 4 RARP Reply eingesetzt.

Der eigentliche ARP-Header liefert zunächst die Hardware-Adresse des Senders, die mit der Ethernet-Adresse identisch ist, und es folgt daraufhin die Protokolladresse (IP-Adresse) des Senders.

Die letzten Bytes sind demnach die Hardware-Adresse des Empfängers und seine IP-Adresse. Bei einem ARP-Request ist die Empfänger-Hardware-Adresse jedoch noch nicht bekannt, sodass dieses Feld mit einer zufälligen Zahl beschrieben wird (Garbage Number). Erst bei der Antwort (ARP Reply) wird hier die korrekte Hardware-Adresse eingesetzt.

Der Prozess für die Adressauflösung läuft zusammengefasst wie folgt ab:

1. ARP überprüft zunächst den ARP-Cache. Dies ist ein lokaler Zwischenspeicher, der IP-Adressen enthält, die bereits in MAC-Adressen aufgelöst worden sind.

2. Es wird eine Rundsendung (Broadcast) nach dem Schema »Wie lautet die MACAdresse des PC mit der IP-Adresse x.y.z ?« im Netz verschickt.

3. Die Rundsendung wird von allen eingeschalteten Geräten empfangen, und diese vergleichen die gesuchte Adresse mit der eigenen.

4. Bei Übereinstimmung der IP-Adresse antwortet das entsprechende Gerät mit der jeweiligen MAC-Adresse.

5. Die MAC-Adresse des gesuchten Gerätes wird im ARP-Cache des anfragenden PC eingetragen, woraufhin die Netzwerkkommunikation beginnen kann.

Der Sinn und Zweck des ARP-Cache liegt darin, die Anzahl der Rundsendungen zu reduzieren, da diese einen nicht unerheblichen »Netzwerkverkehr« verursachen können.

Informationen über den lokalen ARP-Cache-Speicher erhält man durch die Ausführung des Befehls arp -a vom Command-Prompt (Eingabeaufforderung) aus, während arp /? sämtliche hier möglichen Optionen anzeigt.

1^1 Eingabeaufforderung

-|n|x|

C:\>arp —a Keine ARP—Einträge

gefunden.

3

C:\>ping 169.254.81

.160

Fing wird ausgeführt für 169.254.81.160 nit 32 Bytes Daten:

J

Antwort uon 169.254 Antuort uon 169.254 Antuort uon 169.254 Antuort uon 169.254

.81.160: Bytes =32 Zeit<10ms TTL=128 .81.160: Blutes =32 Zeit<10ms TTL=128 .81.160: Bytes =32 Zeit<10ns TTL=128 .81.160: Bültes =32 Zeit<10ms TTL=128

Ping-Statistik für 169.254.81.160:

Pakete: Gesendet = 4, Empfangen = 4, Uerloren = 0 (By. Uerlust), Ca. Zeitangaben in Millisek.:

Minimum = 0ns, Maximum = 0ms. Mitteluert = 0ms

C:\>arp —a

Schnittstelle: 169. Internetadresse 169.254.81.160

254.83.131 on Interface 0x1000004 Physikal. Adresse Typ 00—60—97—6e-01—49 dynamisch

C:\>_

d

Abbildung 6.9: Der Inhalt des ARP-Cache-Speichers wurde nach dem Ping mit der dazugehörigen MAC-Adresse aufgefüllt.

Damit der ARP-Cache auch tatsächlich (für den Test) gefüllt wird, sind möglicherweise zuvor ein paar Ping-Befehle mit den entsprechenden IP-Adressen abzusetzen. Die Einträge im ARP-Cache »leben« nur für zwei Minuten und werden dann automatisch gelöscht. Bei einer erneuten Anforderung bleiben sie für zehn Minuten gespeichert. Nach einem Neustart des PC ist der ARP-Cache aufjeden Fall gelöscht, und es sind daraufhin erneute Rundrufe notwendig.

Mit dem ARP-Kommando arp -s IP-Adresse »MAC-Adresse« lassen sich neben den dynamischen Cache-Einträgen, die z. B. durch das »Anpingen« generiert werden, auch statische Cache-Einträge erzeugen, die erst dann wieder aus dem Cache verschwinden, wenn der PC abgeschaltet wird.

6.6 Internet Control Message Protocol - ICMP

In der Internetschicht arbeitet ebenfalls das Internet Control Message Protocol (ICMP), dessen primäre Aufgabe es ist, Status- und Fehlerinformationen im Netz zu transportieren. Die ICMP-Nachrichten werden als Prozesse vom IP, TCP und vom UDP initiiert und empfangen.

Eine der bekanntesten ICMP-Anwendungen ist der Ping-Befehl (Packet Internet Gro-per), der bereits des Öfteren erwähnt und angewendet (vgl. Abbildung 6.9) wurde. Ping hat eine Echo Request-Meldung zur Folge, die vom Ziel-Computer mit einem Echo Reply beantwortet wird, wenn er unter der jeweiligen IP-Nummer detektiert wurde.

Der Aufbau des ICMP-Headers ist recht einfach gehalten; er kann jedoch unterschiedlich aufgebaut sein, was vom jeweiligen Nachrichtentyp abhängt. Der allgemeine Aufbau des ICMP-Headers ist in der Abbildung 6.10 gezeigt.

0

8

16

31

Type

Code

Checksum

Identifier

Sequenznummer

Optionale Daten (miscellaneous)

IP Header oder Testdaten (z. B. fur Ping)

Abbildung 6.10: Der Aufbau des ICMP-Headers

Der wichtigste Unterschied im Aufbau von ICMP-Headers ergibt sich durch die Festlegung, ob es sich um den Typ Echo Request bzw. Echo Reply (Typ 8, Typ 0) handelt oder ob Nachrichtentypen mit Codes für Destination Unreachable transportiert werden, die ausweisen, warum ein Ziel nicht erreichbar ist (Tabelle 6.5). In diesem Fall gibt es keinen Identifier und auch keine Sequenznummer. Beide kennzeichnen zusammengehörende Requests (Anfragen) und Replies (Antworten).

Bedeutung/Funktion

0

Echo Reply

Antwort auf Echo Request, Bestätigung der Empfangsbereitschaft.

3

Destination Unreachable

Das Ziel ist nicht erreichbar. Die Ursache wird im Code-Feld
transportiert. Beispiele hierfür sind:

0: Network unreachable

1: Host unreachable

2: Protocol unreachable

3: Port unreachable

4: Fragmentation needed

5: Source Route failed

6: Destination Network unknown

12: Host unreachable für Type of Service

4

Source Quench

Der Empfänger kann die Pakete nicht in der aktuellen Geschwindigkeit verarbeiten, sodass die Quelle das Senden einstellen muss.

5

Redirect Message

Ist ein Vorschlag zur Wegverkürzung, d. h., es kann ein alternativer Weg (über andere Router) eingeschlagen werden.

8

Echo Request

Es wird die Empfangsbereitschaft eines Netzknotens ermittelt, die Antwort erfolgt mit Echo Reply (Typ 0).

11

Time Exceeded

Die Lebenszeit (TTL) des Pakets ist abgelaufen, es hat den Wert 0 erreicht.

12

Parameter Problem

Das Paket muss aufgrund fehlerhafter Header-Daten verworfen werden.

13

Timestamp Request

Es wird ein Zeitstempel angefordert.

14

Timestamp Reply

Antwort auf Timestamp Request mit der Lieferung des Zeitstempels.

17

Address Mark Request

Der Host erfragt die Subnetzmaske.

18

Address Mark Reply

Die Antwort auf Address Mark Request mit dem Senden der Subnetzmaske.

Tabelle 6.5: ICMP-Nachrichtentypen

Type kennzeichnet den jeweiligen Nachrichtentyp einer ICMP-Meldung (vgl. Tabelle 6.5), und Code bietet näheren Aufschluss über den jeweiligen Typ oder die Ursache, wenn ein Ziel nicht erreichbar ist. Über die gesamte ICMP-Nachricht wird eine Prüfsumme ermittelt, die in Checksum transportiert wird.

Das optionale Mehrzweckfeld (miscellaneous) kann unterschiedliche Informationen enthalten, wie die Daten, die in einem Echo Requestvom Sender zum Empfänger übertragen werden, oder - bei Echo Reply- diejenigen Daten, die unverändert an den Sender zurückgeschickt werden. Weiterhin kann hier - beim Typ Destination Unreachable - der IP-Header, dem dann die ersten 8 Bytes der ursprünglichen Nachricht folgen, enthalten sein.

6.7 Internet Group Management Protocol - IGMP

Um Daten von einem Sender gleich an eine Gruppe von Computern zu übertragen, was auch unter Multicast Messages firmiert, wird das Internet Group Management Protocol (IGMP) verwendet, etwa für Internet-Radio, Videokonferenzen und generell für Anwendungen, bei denen es eine Vielzahl von möglichen Teilnehmern gibt.

Der Sender muss sich dabei nicht um die Versendung an einzelne Empfänger kümmern, sondern die Daten gehen automatisch an alle Empfänger, die zu der entsprechenden Multi-cast-Gruppe gehören. Per IGMP kann einem Router mitgeteilt werden, dass ein PC Mitglied einer entsprechenden Gruppe werden möchte, und wenn dieser dann eine entsprechende Multicast-Nachricht erhält, sendet er diese an alle registrierten Mitglieder der Gruppe.

Obwohl sowohl IGMP als auch ICMP auf derselben Schicht (3) wie das Internet Protocol (IP) lokalisiert sind, bauen sie auf IP auf. Diese Protokolle werden von IP so behandelt, als wenn sie Protokolle einer höheren Schicht wären.

0

8

16

31

Version

Type

Antwortzeit

Checksum

Group Address

Abbildung 6.11: Der Aufbau des IGMP-Headers

Version kennzeichnet die jeweilige Version des IGMP-Headers, wovon es mittlerweile drei gibt. Der wesentliche Unterschied ist der, dass ein Host bei Verwendung der Version 1 (IGMPv1, RFC1112) einer Multicast-Gruppe beitreten und erst nach einem Timeout aus der Gruppe wieder entfernt werden kann, während er sich bei der Version 2 (IGMPv2, RFC2236) wieder selbst abmelden kann. Bei der Version 3 (IGMPv3, RFC3376) sind genaue Vorgaben über das Verhalten konfigurierbar, was als ein wichtiger Sicherheitsaspekt gewertet werden kann.

Type definiert den Typ des IGMP-Paketes, und es wird hier zwischen Reports (Typ 2) und Queries (Typ 1) unterschieden, was Antworten bzw. Anfragen per IGMP entspricht.

Optional ist das Feld Antwortzeit, welches dazu dient, die Netzbelastung durch IGMP möglichst gering zu halten. Bei der Router-Abfrage der Gruppenzugehörigkeit verzögert jeder Host seine Antwort um eine Zeitspanne, die einem zufälligen Bruchteil der Antwortzeit entspricht. Die Antwortzeit wird von jedem Host der Gruppe abgehört, und alle verzichten darauf, ihre Gruppenzugehörigkeit zu melden, wenn dies bereits von einem anderen Gruppenmitglied durchgeführt wurde. Auch bei IGMP wird eine Checksumme für die Fehlererkennung unter Checksum transportiert.

Die Group Address enthält die Gruppenadresse, an die die folgenden Nachrichten gehen sollen. Für das Multicasting werden stets Adressen der Klasse D (siehe auch Kapitel 6.10) verwendet, die keinen Hosts zugewiesen werden, sondern lediglich für die Router-Konfiguration bei Multicast-Anwendungen vorgesehen sind.

6.8 Routing Information Protocol - RIP

Das Routing ist zunächst nichts anderes als ein Prozess, der Datenpakete von einem Netzwerk in ein anderes leitet. In einem (abgeschotteten) LAN ist kein Routing, sondern nur die Anwendung des ARP (Kapitel 6.5) notwendig. Falls jedoch Daten in ein anderes LAN oder ins Internet übertragen werden sollen, ist Routing für die Wegfindung erforderlich. Ein Router führt entsprechende Routing-Listen, die er zunächst erst einmal lernen muss, bevor die Daten ihren richtigen Weg finden können.

Man unterscheidet dabei zwischen statischem und dynamischem Routing. Das statische Routing wird standardmäßig vom IP durchgeführt, und es lassen sich entsprechende Routing-Tabellen etwa mit dem Befehl route anzeigen und auch manuell anpassen, wofür es einige Optionen (Abbildung 6.12) gibt. Beispielsweise wird durch die Angabe von route print die aktuelle Routing-Tabelle ausgegeben. Meist werden gleich mehrere Tabellen in Abhängigkeit von der Anzahl der vorhandenen Netzwerkadapter (LAN, WLAN) und der eingesetzten Protokolle (IPv4, IPv6) generiert.

Abbildung 6.12: Die Anzeige der Route-Optionen

Die manuelle Bearbeitung von Routing-Tabellen erscheint nicht praktikabel, sodass das dynamische Routing verwendet wird. Hierfür existieren zwei bekannte Protokolle, die dies durchführen, und zwar das Open Shortest Path First Protocol (OSPF) und das Routing Information Protocol (RIP), wovon es auch noch unterschiedliche Implementierungen gibt, da RIP schon eine etwas längere Geschichte hat und vom Vorläufer XNS - einer ursprünglichen Xerox-Realisierung - abstammt.

Bei der RIP-Version 1 werden alle 30 Sekunden per Broadcast die Tabellen zur Bekanntgabe der Wege in das Netz gesendet, was einen nicht unerheblichen Datenverkehr verursacht. Eine Reduzierung der Netzlast verspricht demgegenüber die RIP-Version 2, die dies per Multicasting vollzieht. Außerdem bietet RIP V2 den Vorteil, dass hier eine Authentifizierung möglich ist und Subnetze (anhand der Subnet-Maske) vollständig unterstützt werden. RIP V2 ist dennoch zu RIP Vi abwärtskompatibel, sodass die ältere Version eigentlich nicht mehr benötigt wird.

Als Router - als »Vermittler« zwischen Netzwerken - kann ein eigenständiges Gerät fungieren, was bei Windows auch als Gateway bezeichnet wird. Außerdem kann diese Aufgabe auch ein Server übernehmen. Er benötigt hierfür jedoch mindestens zwei Netzwerkkarten. Die eine wird beispielsweise mit dem LAN verbunden, und ihr wird eine TCP/ IP-Adresse zugeordnet, die in diesem LAN gültig ist. Die zweite Netzwerkkarte findet Anschluss in einem anderen LAN-Segment. Stattdessen kann auch ein xDSL-Adapter zum Internet hin zum Einsatz kommen, der dann als Router zwischen einem LAN und dem Internet fungiert.

Die Abbildung 6.13 zeigt das Prinzip einer Kopplung von zwei LANs über einen Router, der außerdem die Verbindung zum Internet herstellt und demnach (mindestens) drei Einträge in seiner Routing-Tabelle führt, um sowohl eine LAN-LAN- als auch eine LAN-WAN-Kopplung beider lokalen Netze zu ermöglichen.

LAN 1

Netzwerk: 150.60.28.0

Internet

IP: 100.0.0.0

LAN 2

Netzwerk: 168.30.70.0 IP: 168.30.70.15

IP: 150.60.28.10

IP: 150.60.28.11

IP: 100.0.0.56

Router

IP: 168.30.70.16

IP: 150.60.28.12

If

IP:

168.30.70.1

Routing Tabelle: 150.60.28.0 150.60.28.1 168.30.70.0 168.60.70.1 100.0.0.0 100.0.0.56

IP: 168.30.70.17

PC-Routing Tabelle: 150.60.28.0 150.60.28.12 Gateway: 150.60.28.1

PC-Routing Tabelle: 168.30.70.0 168.30.70.17 Gateway: 168.30.70.1

Abbildung 6.13: Eine beispielhafte LAN-LAN-WAN-Kopplung mit den passenden Routing-Tabellen

RIP ist ein sogenanntes Distance Vector Protocol, was bedeutet, dass RIP unter der Berücksichtigung der Hops (Weg von einem Netzwerkknoten zum anderen) versucht, möglichst kurze Wege (Routen) zu finden. Damit in den Routing-Tabellen immer die kürzesten Wege angegeben sind, findet ein ständiger Vergleich dahingehend statt, ob ein neuer Eintrag einen günstigeren Weg aufweist als der in der Routing-Tabelle vorhandene, und nur dann wird der Eintrag entsprechend aktualisiert.

Das Open Shortest Path First Protocol (OSPF) ist ebenfalls ein Protokoll (Link State Protocol) für das dynamische Routing. Es wird standardmäßig ab Windows 2000-Server mitgeliefert. OSPF arbeitet jedoch nicht mit dem Austausch von Routing-Tabellen, sondern die Daten werden in einer Verbindungsdatenbank (Link State Database) gesammelt und gespeichert. Ein spezieller Algorithmus berechnet daraus die kürzeste Route (Open Shortest Path First). Es ist im Gegensatz zu RIP auch für größere Netze geeignet, weil es Bereichsaufteilungen vornehmen kann und die hierfür erzeugten Bereichsverbindungsdatenbanken miteinander synchronisiert werden können.

Den Aufbau eines Headers für RIP V2 zeigt die Abbildung 6.14. Command definiert den RIP-Kommandotyp. Der Typ 1 entspricht einer Anfrage (Command Request) an alle RIP-Systeme, die daraufhin ihre Routing-Tabellen übermitteln sollen, und dementsprechend stellt Command Response (Typ 2) dann die Antwort auf diese Anfrage dar.

Abbildung 6.14: Der Aufbau des RIP V2-Headers

Version spezifiziert die jeweils zur Anwendung kommende RIP-Protokollversion. Pakete mit der Nummer Null werden stets ignoriert, die mit der Versionsnummer 1 stellen gültige Paket dar, und Version 2 bedeutet, dass die RIP-Nachricht spezielle Authentifizie-rungsinformationen enthält. Falls dies der Fall ist, führt der Address Family Identifier den Wert FFFFh, andernfalls ist er bei TCP/IP immer auf den Wert zwei gesetzt. Eine Unterscheidung zwischen internen und externen Routen findet anhand des Route Tags statt.

IP Address enthält die Adresse der Zieleinheit, gefolgt von einer Subnet Mask, die den netzspezifischen Teil der IP-Adresse kennzeichnet. Next Hop definiert die nächste Adresse, die das Paket auf dem Weg zum Ziel übermitteln soll. Der Wert unter Metric Count entspricht der Anzahl der Hops (Wege über Router), die das Paket absolviert hat, und beim 16. wird das Netzwerk nicht mehr erreicht.

6.9 Domain Name System - DNS

Üblicherweise wird man nicht direkt über IP-Adressen (Kapitel 6.10) kommunizieren, sondern über Namen. Hierfür gibt es das System der Domänennamen (Domain Name System, DNS) und mindestens einen dazugehörigen Server, der eine entsprechende Umsetzung vornimmt - den DNS-Server.

Zu Beginn des Internet-Zeitalters wurden die Namen mit den dazugehörigen IP-Adres-sen zentral in Hostfiles gespeichert, später in verteilten Datenbanken. Jede Organisation oder Firma, denen IP-Adressen gehören - zugeordnet worden sind -, muss einen weltweit verfügbaren Nameserver betreiben, was in einem hierarchisch organisierten System mit entsprechenden Verknüpfungen resultiert. Den weltweit verteilten Aufbau kennen nur relativ wenige DNS-Server, es sind 13 Stück, die an 130 verschiedenen Standorten
arbeiten und die Wurzel des Systems bilden. Prinzipiell werden die 13 Server durch entsprechende Mechanismen (Anycast) auf 130 Stück kopiert, was die Ausfallsicherheit und die Reaktionsgeschwindigkeit auf Anfragen maßgeblich erhöht. Der Root Server kennt die Top Level Domains und diese wiederum die Sub Domains, die die DNS-Serverarchitektur nach weiteren Name Servern untergliedern und so weiter und so fort.

Abbildung 6.15: Die Organisation der Domain Name Server

Die Auflösung von Domänennamen verläuft prinzipiell von unten nach oben. Wenn ein DNS-Server eine Anfrage erhält, überprüft er zunächst, ob der Name in seiner eigenen Domain liegt, und wenn dies der Fall ist, kann er ihn direkt auflösen. Falls nicht, kontaktiert der betreffende DNS-Server einen anderen, der dies kann, und gibt die Antwort an den anfragenden Client.

Bei Windows und auch den anderen Betriebssystemen (Linux, MacOS) gibt es den nützlichen Befehl nslookup (Abbildung 6.16), mit dessen Hilfe der zuständige DNS-Server leicht zu ermitteln ist. Außerdem kann mit nslookup (über den jeweiligen DNS-Server) eine Host-Adresse in die dazugehörige IP-Adresse und auch umgekehrt aufgelöst werden.

™ Administrator Eingabeaufforderung

Microsoft Uindous [Uersion 6.1.76001

Copyright <c> 2009 Microsoft Corporation. Alle Rechte vorbehalten.

C:\Users\Klaus >nslookup Standardserver: dnsp02.hansenet.de Address: 213.191.92.84

> exit

C:\Users\Klaus >nslookup google.de Server: dnsp02.hansenet.de Address: 213.191.92.84

Nicht autorisierende Antuort: Nane: google.de Addresses: 74.125.43.147

74.125.43.103 74.125.43.106 74.125.43.105

74.125.43.104 74.125.43.99

C:\Users\Klaus>nslookup 134.28.38.127 Server: dnsp02.hansenet.de Address: 213.191.92.84

Nane: pc27.etl.tu-harburg.de Address: 134.28.38.127

C:\Users\Klaus>_

Abbildung 6.16: Nach dem Aufruf von nslookup ohne Parameter wird lediglich der zuständige DNS-Server angezeigt. Für google.de werden mehrere IP-Adressen geliefert, und nach der Eingabe einer IP-Adresse wird ein Rechner (pc27) der TU Harburg identifiziert.

In Ausnahmefällen, wenn kein DNS-Server existiert, ist die Zuordnung von IP-Adressen zu Host-Namen unter Windows lokal mithilfe einer anzulegenden HOSTS-Datei möglich, wodurch die konfigurierten Host-Namen dann zur Verfügung stehen. Neben DNS gibt es für die Auflösung von Computernamen in IP-Adressen außerdem noch den Windows Internet Name Service. WINS ist jedoch im Gegensatz zu DNS allein für WindowsSysteme vorgesehen, die NetBIOS-Computernamen in IP-Adressen umsetzen. DNS setzt stattdessen die Host-Namen in IP-Adressen um, die damit zu einem Bestandteil der Gesamtbezeichnung (plus Domänenname) werden. Auch bei der Verwendung von NetBIOS-Computernamen ist es, falls kein WINS-Server verfügbar ist, möglich, diese Funktion mithilfe einer Zuordnungsdatei - LMHOSTS - ausführen zu lassen. Das Prinzip ist das gleiche wie beim DNS. Beide Verfahren mit den separaten Dateien sind nur als Notbehelf zu verstehen, und bei aktuellen Implementierungen wird im LAN ein PC oder auch ein Router die DNS-Funktion übernehmen können.

In einer name address können grundsätzlich unterschiedlich viele Domänen enthalten sein. Die einzelnen Domänen (frz. = Gebiet, Bereich) werden durch einen Punkt voneinander getrennt, wobei die Anzahl von links nach rechts zunimmt. Bei einer Adresse wie beispielsweise schulz.mst.tu-harburg.de entspricht schulz dem Computer mit der gültigen IP-Adresse, mst der Abteilung (Subnetz), tu-harburg der Einrichtung und de steht für Deutschland. Somit ist eine vollständige Umsetzung der IP-Adresse in einen eindeutigen Namen gegeben. Neben der einfacheren Handhabung von Namen gegenüber den

IP-Adressen ergibt sich ein weiterer Vorteil, denn die IP-Adresse kann sich durchaus einmal ändern (Umstellung, Umzug in ein anderes Gebäude u. Ä.), wobei der Name jedoch erhalten bleiben kann und sich damit »nach außen hin« nichts verändern muss.

Jede Anfrage eines Clients beinhaltet einen Domänennamen, für den der Client die dazugehörige IP-Adresse sucht, sowie eine Anfrageklasse (Internet) und einen Objekttyp (z. B. Adresse). Der DNS-Server liefert daraufhin eine Antwort an den Client zurück. Falls er nicht alle gewünschten Antworten parat hat, werden stattdessen Informationen mitgesendet, die angeben, welche DNS-Server diese liefern können. Das Nachrichtenformat für diese Anfragen und Antworten ist in der Abbildung 6.17 angegeben. Der Header setzt sich aus den Words Identification und Parameter zusammen, was der Client nutzt, um die Antworten mit den gesendeten Anfragen zu verknüpfen. Im Parameter-Feld ist der Antwortcode (Typ: 0 = Standard, 1 = invers) mit der dazugehörigen Operation enthalten (0 = Anfrage, 1 = Antwort).

0

16 31

Identification

Parameter

Counter: Queries

Counter: Responses

Counter: Authorities

Counter: Infos

Queries (Domain Name, Type, Class)

Responses (Resource Domain Name. Type. Class. TTL. Length. Data)

Authorities

Infos

Abbildung 6.17: Aufbau des DNS-Nachrichtenformates

Die folgenden Abschnitte des DNS-Nachrichtenfeldes enthalten die vom Client gestellten Anfragen (Queries) und die daraufhin vom Server zurückgelieferten Antworten (Responses), wobei entsprechende Zähler (Counter) die jeweilige Anzahl und Reihenfolge bestimmen. Die vom Server gelieferten Antworten umfassen die Felder Responses, Authorities sowie Infos, die jeweils ein Reihe von Einträgen umfassen, wie den Namen, den Typ, die Klasse (Class), eine Angabe für Time-to-Live (TTL) sowie die Länge (Length) der Daten.

6.9.1 DynDNS-Dienst

Die meisten Anwender verfügen nicht über eine feste externe IP-Adresse, sondern über eine dynamische, die vom jeweiligen DSL-Anbieter während des Verbindungsaufbaus zugeteilt wird und bei jeder neuen Verbindung mit dem Provider eine andere ist.

Falls man eigene Dienste (Webserver, VPN-Einwahl) anbieten möchte, die vom Internet zu erreichen sind, oder eine Firewall von außerhalb administrierbar sein soll, ist ein Dienst notwendig, der einen stets gleichen Hostnamen in unterschiedliche IP-Adressen umsetzen kann. Hierfür gibt es den DynDNS-Dienst.

Abbildung 6.18: Der DynDNS-Dienst von Securepoint ist einfach zu benutzen. Unter My Acount können das Profil, die konfigurierten Hostnamen sowie Login-Daten verifiziert werden.

Bei dessen Einsatz sendet ein Client während der Einwahl dem jeweiligen DynDNS-Anbieter die aktuelle IP-Adresse zu, die er hinterlegt. Somit wird sichergestellt, dass dem DynDNS-Anbieter zum Hostnamen immer die aktuelle IP-Adresse bekannt ist. Es gibt eine ganze Reihe von DDNS-Providern, wobei dieser Service oftmals kostenlos zu haben ist. Der Anbieter DynDNS ist dabei sehr verbreitet oder auch der der Firma Securepoint (SPDNS). Dieser kann kostenlos genutzt werden, es ist nur ein Account für die Nutzung des dynamischen DNS bei Securepoint einzurichten. Wurde dieser akzeptiert, wird dies von Securepoint per E-Mail mit einem aufzurufenden Link bestätigt, woraufhin die aktuell verwendete IP-Adresse angezeigt wird und ein Hostname (z. B. xyundz) festgelegt werden kann. Dieser steht dann als xyundz.spdns.de im Internet zur Verfügung.

6.10 Netzwerkadressen

Jede netzwerkfähige Einheit (Computer, Drucker, managed Switch, Router) benötigt eine eindeutige IP-Adresse, mit der er im LAN und auch im Internet zweifelsfrei identifiziert werden kann. Diese Adressen sind ursprünglich in den USA einmal festgelegt und zur Vergabe an länderspezifische Institutionen übertragen worden.

Die zentrale Vergabestelle für IP-Adressen ist das Network Information Center (NIC) in den USA, das in die Internet Assigned Numbers Authority (IANA) und später in die Internet Corporation for Assigned Names and Numbers (ICANN) überführt wurde, die die oberste Adressenvergabestelle weltweit darstellt.

Es ist jedoch nicht möglich, bei der ICANN eine oder mehrere IP-Adressen direkt zu kaufen, denn im Grunde genommen sind schon alle 4,3 Milliarden IPv4-Adressen reserviert bzw. an länderspezifische Organisationen und Provider weitergegeben worden, die sie dann wieder weiterverteilen. Demnach kommt man nur in den Besitz von weltweit gültigen IP-Adressen, wenn diese bei einem Provider beantragt werden. In Deutschland ist für die Registrierung unterhalb der Top Level Domains mit der Endung ».de« die DENIC in Frankfürt zuständig. Zahlreiche Provider bieten einen entsprechenden Service für die Domain-Registrierung an, die als reservierte Adresse bei der DENIC oder für internationale Domains (.com, .org, .edu) bei der ICANN eingetragen und verwaltet wird, was kostenpflichtig ist. Für die Benutzung in einem internen Netz (zu Hause, Firma) kann man stattdessen auf interne IP-Adressen zurückgreifen, die nichts kosten. In Kapitel 6.10.3 wird hierauf noch näher eingegangen.

6.10.1 Die MAC-Adresse

Eine IP-Adresse wird stets auf einer MAC-Adresse abgebildet. Dies bedeutet, dass bei einem Datenaustausch in einem Netzwerk erst die zu einer bestimmten IP-Adresse gehörende MAC-Adresse gesucht wird, was durch das Address Resolution Protocol (ARP, siehe Kapitel 6.5) erfolgt, bevor die Übertragung beginnen kann.

Die Media Access Control Address (MAC) stellt eine nicht veränderbare Adresse dar, die beispielsweise bei einer Netzwerkkarte vom jeweiligen Hersteller im Netzwerkcontroller festgelegt ist.

Die MAC-Adressen, die auch als physische Adressen oder physikalische Adressen bezeichnet werden, werden zentral verwaltet und vergeben, sodass sie sich weltweit stets als einmalig darstellen (sollten). Sie bestehen aus zwölf hexadezimalen Ziffern zu sechs Blöcken.

Allerdings ist die MAC-Adresse nicht mehr wie in früheren Zeiten fest in den Chip einer Netzwerkkarte »gebrannt« - was laut den Herstellern viel zu teuer wäre -, sondern sie wird neben anderen Daten in einen Speicher (EEPROM) programmiert, was sich zwar relativ leicht manipulieren lässt, aber immerhin noch gewisse Bastlerkenntnisse erfordert. Noch einfacher kann eine MAC-Adresse von einem OnBoard-LAN-Adapter auf einem

Mainboard verändert werden, etwa bei bestimmten Boards mit SiS-Chipset. Hier ist die MAC-Adresse im BIOS-Chip gespeichert, was sich mit handelsüblicher BIOS-UpdateSoftware, die sogar der Hersteller zur Verfügung stellt, durchführen lässt. Demnach weist eine MAC-Adresse heutzutage nicht mehr die in früheren Zeiten übliche Einmaligkeit auf.

Abbildung 6.19: Die Anzeige der MAC-Adressen für den WLAN- und den LAN-Adapter

Unter Windows kann man sich die MAC-Adressen der eingebauten Netzwerkadapter und weitere nützliche Angaben zur Netzwerkkonfiguration mit ipconfig /all näher ansehen.

6.10.2 Aufbau und Einstellung der IP-Adresse

In Kapitel 6.4.1 sind die wichtigen Zusammenhänge für das neue IP-Adressenschema der Version 6 (IPv6) erläutert, das manuelle IP-Adressenfestlegungen in größerem Umfang meist unnötig macht. Am gebräuchlichsten ist nach wie vor IPv4, sodass in diesem Kapitel explizit auf die hier gültigen Adressenzuordnungen eingegangen wird, was als Grundlagenwissen zu verstehen ist.

Eine IPv4-Adresse besteht aus einem 32 Bit langen Feld, wobei jede Zahl kleiner als 256 ist und jeweils durch Punkte getrennt wird (Dotted Decimal Notation, DDN). Die IP-Adresse setzt sich aus zwei Teilen zusammen: der Netzwerk- und der Hostadresse, die mitunter auch als Rechneradresse bezeichnet wird. Eine IP-Adresse wird dabei stets in Dezimalzahlen zu vier Böcken, durch einen Punkt voneinander getrennt, angegeben. Ein Block wird auch als Oktett bezeichnet.

Die Netzwerkadresse bildet den vorderen (linken) Teil, während der hintere Teil (rechts) von der Hostadresse gebildet wird. Anhand der Netzwerkadresse wird das gesamte Netz bzw. ein Teilnetz (Subnet) angesprochen, nicht aber ein einzelner Host. Der zweite Teil ist die Hostadresse, die innerhalb der jeweiligen Institution (lokal) etwa für einen PC vergeben wird.

Durch diese Aufteilung ist es möglich, beispielsweise einer Firma eine Netzwerkadresse zuweisen zu können, die dann - je nach Klasse - eine bestimmte Anzahl von Host-Adressen zur Verfügung hat. Ein Beispiel:

Netz- Host-Adresse 134.28. 12.10

Der PC mit dieser IP-Adresse (134.28.12.10) befindet sich demnach im gleichen Netzwerk wie einer mit der Adresse 134.28.12.56. Ein PC mit der Adresse 134.29.60.10 befindet sich hingegen in einem anderen Netz, was einen Routing-Vorgang - eine Wegfindung - zur Folge hat, der per Router bzw. Gateway erfolgt (vgl. Kapitel 6.8).

Prinzipiell existieren fünfverschiedene Klassen von IP-Adressen, wobei in der Praxis jedoch nur drei - die Klassen A bis C - für die manuelle Vergabe eingesetzt werden. Die Klasse D ist für Multicast-Anwendungen (z. B. RIP) und die Klasse E für Testzwecke vorgesehen.

Anhand der Wertigkeit der ersten Bits (Tabelle 6.6) kann man erkennen, welcher Klasse eine bestimmte IP-Adresse entspricht, während die Abtrennung durch die Punkte keinen unmittelbaren Rückschluss darüber erlaubt, welcher Teil der Netz- und welcher der Hostadresse entspricht, wobei die Adressen oftmals auch als IDs (Identifiers) bezeichnet werden.

Netzwerk-ID

Host-ID

A

0xxx xxxx

W

X.Y.Z

B

10xx xxx

W.X

Y.Z

C

110x xxx

W.X.Y

Z

Tabelle 6.6: Die Auflösung der Adressklassen

Bei Adressen der Klasse A wird das erste Oktett (die ersten 8 Bit) für die Netzwerk-ID verwendet, bei Adressen der Klasse B das erste und das zweite Oktett (16 Bit) und bei Adressen der Klasse C die ersten drei (24 Bit), woran sich dementsprechend die Host-IDs anschließen, wie es auch in der Tabelle 6.7 gezeigt ist.

Klasse

Bereich

Netzadressen

Host-Adressen in einem Netz

A

0-127

126

16.777.214

B

128-191

16.384

65.534

C

192-223

2.097.152

254

D

224-249

-

E

240-255

-

Tabelle 6.7: Die Internet-Adressklassen und die sich daraus ergebende maximale Anzahl von Netz- und Host-Adressen

Die Adressen der Klasse A lassen einen großen Freiraum für die Adressenvergabe innerhalb eines Unternehmens oder Verbundes zu, da hiermit relativ große Netze aufgebaut werden können. Üblich sind heute Adressen der Klasse B und C, wobei einige für spezielle Aufgaben (Broadcast, Loopback) reserviert sind.

Ende

A

0.0.0.0

126.255.255.255

B

128.0.0.0

191.255.255.255

C

192.0.0.0

223.255.255.255

D

224.0.0.0

239.255.255.255

E

240.0.0.0

255.255.255.255

Tabelle 6.8: Die Adressintervalle der verschiedenen Klassen

Adressen der Klasse A sind alle vergeben, beispielsweise an Firmen wie IBM, Hewlett-Packard und Apple, was auch für Adressen der Klasse B gilt, die insbesondere von Firmen wie Exxon und Microsoft belegt sind. Demnach ist nur noch eine begrenzte Anzahl von Adressen der Klasse C verfügbar, die, wie oben erwähnt, vielleicht noch nicht restlos belegt, aber bereits für Institutionen oder Provider reserviert sind.

Exkurs

Eine Host-ID darf weder den Wert 0 noch den Wert 255 aufweisen, sodass es stets zwei Adressen weniger als theoretisch möglich gibt.

Bei der Klasse C umfasst die Netzwerk-ID 24 Bits, und da die ersten drei Bits stets den Wert 110 aufweisen, bleiben noch 21 Bits verfügbar, was ca. 2,1 Millionen unterschiedliche Netzwerkadressen (2^21) bedeutet. Innerhalb eines Netzes sind dann jeweils 8 Bit (das letzte Oktett) für die Selektierung der Hosts möglich, was somit theoretisch 256 (2^8) davon erlaubt. Per Definition darf eine Host-ID jedoch weder komplett 0 (00000000) noch komplett 1 (11111111) sein, was daher 254 erlaubte Hosts innerhalb eines Netzes bedeutet.

Das Prinzip der erläuterten Netzklassen ist im Grunde genommen ein starres Konzept und nur in Verbindung mit einer Netzmaske (Subnet Mask, Kapitel 6.10.5) eindeutig. Stattdessen kommt häufig eine Kurznotation zum Einsatz, die als Classless Inter-Domain-Routing (CIDR) bezeichnet wird und womit für die Netze innerhalb des gesamten Adressraumes flexible Größen festlegbar sind, sodass eine Ableitung einer Netzgröße aus der IP-Adresse nicht mehr möglich ist.

6.10.3 Reservierte IP-Adressen

Es existieren einige spezielle IP-Adressen, die für bestimmte Funktionen reserviert sind und nicht für Hosts vergeben werden dürfen:

■ 0.0.0.0: Bezeichnet den eigenen Host im betreffenden Netzwerk. Eine Adresse von 134.28.0.0 bezieht sich auf den Host selbst im Netzwerk 134.28.

■ 127.0.0.1: Loopback-Adresse

Diese IP-Adresse entspricht grundsätzlich der eigenen Host-Adresse, also kann hiermit die TCP/IP-Funktion einer Netzwerkkarte z. B. mit Ping getestet werden. Mit der Eingabe von ping 127.0.0.1 wird ein Testpaket initiiert, das die Schichten in beiden Richtungen durchläuft.

■ 224.0.0.1: Entspricht einer Multicast-Funktion für alle Hosts innerhalb eines Subnetzes.

■ 224.0.0.2: Entspricht einer Multicast-Funktion für alle Router innerhalb eines Subnetzes.

■ 224.0.0.5: Sendet Daten an alle OSPF-Router (Open Shortest Path First Protocol).

■ 224.0.0.6: Sendet Routing-Informationen an alle OSPF-Router.

■ 224.0.0.9: Wird von RIP für das Senden von Routing-Informationen verwendet.

■ 224.0.1.24: Wird für die Suche nach WINS-Servern verwendet.

■ 255.255.255.255: Entspricht einem Broadcast an alle Hosts im Netzwerk. In einem LAN mit der Adresse 134.28 können alle Hosts mit 134.28.255.255 angesprochen werden.

Exkurs

Broadcast und Multicast

Eine Broadcast-Übertragung entspricht einem Rundruf oder auch einer anderen Anwendung von einem Host an alle Geräte in einem Netzwerk, während Multicast dies auch über Router hinweg ermöglicht.

IP-Multicast (siehe auch Kapitel 6.7) ist ein zentraler Verteilungsmechanismus, wobei der Multicast-Verkehr nur an eine einzige IP-Adresse gesendet wird, diese jedoch von mehreren Hosts empfangen wird. Das hierfür geeignete Protokoll nennt sich Reliable Multicast Protocol und kann bei Windows optional über Installieren - Protokoll nachinstalliert werden.

6.10.4 Private IP-Adressen

Die IP-Adressen müssen weltweit einmalig sein, wenn man sich im Internet bewegt. Falls es ausgeschlossen werden kann, dass ein lokales Netzwerk jemals mit der Außenwelt in Kontakt tritt, kann man hierfür im Prinzip IP-Adressen nach Lust und Laune vergeben.

Mitunter wird dabei ein im Netzwerk befindliches Modem, welches etwa über einen Provider den Kontakt zum Internet herstellt, nicht beachtet. Für diese Verbindung werden selbstverständlich ebenfalls IP-Adressen verwendet. In der Regel erfolgt die Kontaktaufnahme dynamisch, d.h., beim Einwählen erhält man für die aktuelle Verbindung eine IP-Adresse vom Provider, die beim nächsten Mal wieder eine ganz andere sein wird.

Wenn im lokalen Netzwerk eine oder mehrere IP-Adressen mit den Provider-Adressen kollidieren oder mit den irgendwo auf der Welt vorhandenen, gibt es prinzipiell ein Problem. Obwohl es eher unwahrscheinlich ist, dass ein derartiges Fehlerszenario mit den schließlich auf der ganzen Welt verteilten IP-Adressen auftritt, kann dies durchaus passieren und dann der Grund dafür sein, warum das eigene lokale Netz plötzlich nicht mehr funktioniert.

Bei der Planung eines internen Netzes mit Internet-Funktionalität, was als Intranet bezeichnet wird, ist es oftmals noch nicht ganz klar, wie viele IP-Adressen letztendlich benötigt werden und ob später nicht doch noch eine Verbindung zum Internet notwendig wird. Aus diesen Gründen sollte bei der Vergabe von IP-Adressen nicht beliebig vorgegangen werden, zumal in diesem Fall eine Orientierung schwerfiele und nicht mehr nachzuvollziehen wäre, welches Schema der Administrator bei der Zuordnung angewendet hat.

Am besten werden die sogenannten privaten IP-Adressen eingesetzt, die genau für solche Zwecke vorgesehen sind und nicht im Internet zur Anwendung kommen. Die Vorgehensweise bei der Vergabe ist - unter Beachtung der entsprechenden Regeln - dabei dieselbe, als wenn es sich um offizielle IP-Adressen handeln würde.

Ist dann später eine Verbindung zum Internet notwendig, könnte ein Router/Gateway eine Umsetzung der privaten Adressen des LANs auf eine oder mehrere offiziell zugeteilte vornehmen.

Adressbereiche

Klasse

Subnet Mask

10.0.0.0 bis 10.255.255.255

A

255.0.0.0

B

255.255.0.0

C

255.255.255.0

172.16.0.0 bis 172.31.255.255

B

255.255.0.0

C

255.255.255.0

192.168.0.0 bis 192.168.255.255

C

255.255.255.0

Tabelle 6.9: Die privaten Internetadressen

Wie es der Tabelle 6.9 zu entnehmen ist, erhält man in Abhängigkeit von einer Sub-net-Maske den Klassen entsprechend eine unterschiedliche Anzahl von Netz- und HostAdressen. Im folgenden Kapitel wird auf die Subnet-Maske noch genau eingegangen.

Für ein LAN in einer Firma oder auch daheim macht es sicher keinen Sinn - und fördert auch nicht gerade die Übersichtlichkeit -, wenn mehr als eine einzige Netzadresse verwendet wird. Demnach sollte man sich eine aussuchen und dann eine Unterteilung auf einzelne Hosts mit der Subnet-Maske vornehmen, etwa durch 255.255.255.0, was zu einem Netz mit 254 möglichen Hosts führt.

6.10.5 Die Subnet-Mask

Neben der IP-Adresse ist bei der TCP/IP-Konfiguration meist eine Subnet Mask festzulegen, die innerhalb eines Unternehmens oder einer Organisation der Selektierung von Subnetzen dient. Alternativ kann die Angabe auch mithilfe der CIDR-Notation (6.10.6) erfolgen, sofern dies bei den Netzwerkeinstellungen des jeweiligen Betriebssystems vorgesehen ist. Bei Windows ist aber nach wie vor die Angabe einer Subnetzmaske gebräuchlich.

Allgemein wird die Subnet-Mask dazu verwendet, um festzustellen, ob sich die Clients im gleichen Netzwerk befinden oder in unterschiedlichen, wobei die Kommunikation dann über Router hinweg erfolgt.

In Abhängigkeit von der jeweiligen Adressklasse existieren zunächst Standard-Subnet-Mas-ken, die in der folgenden Tabelle in dezimaler und binärer Schreibweise angegeben sind.

Klasse

Dezimal

Binär

A

255.0.0.0

11111111.00000000.00000000.00000000

B

255.255.0.0

11111111.11111111.00000000.00000000

C

255.255.255.0

11111111.11111111.11111111.00000000

Tabelle 6.10: Die Standard-Subnet-Masken

Mit diesen benutzerdefinierten Subnet-Masken lässt sich festlegen, welche Bits der Netz-werk-ID und welche der Host-ID entsprechen. Sie stellen somit ein probates Mittel dar, bei immer knapper werdenden IP-Adressen eine flexible Aufteilung zwischen Netzen und Hosts vornehmen zu können, ohne dass dabei unnötigerweise Adressen verschwendet werden.

Bei der Klasse C sind standardmäßig 2.097.152 Netze mit jeweils 254 Hosts möglich. Je mehr Bits nun für die Unterteilung in Subnetze herangezogen werden, desto weniger Hosts sind dann in einem Subnet möglich, wie es die Tabelle 6.11 an einem Beispiel veranschaulicht.

Netzwerk

Hosts (254)

11111111

11111111

11111111

00000000

255

255

255

0

Netzwerk

Subnet Hosts (64)

11111111

11111111

11111111

11 000000

255

255

255

192

Tabelle 6.11: Durch die Subnet-Maske wird die Anzahl der möglichen Hosts reduziert, dafür werden Teilnetze geschaffen.

In der Tabelle 6.11 ist gezeigt, dass durch die Festlegung einer Subnet-Maske von 255.255.255.192 zwei Teilnetze entstehen, die jeweils maximal 62 Hosts (64 - 2, da weder 0 noch 255 erlaubt sind) enthalten können. Ein PC beispielsweise mit der IP-Adresse 200.50.30.35 liegt im ersten Teilnetz und einer mit der IP-Adresse 200.50.30.78 im zweiten.

Von außen her - aus der Sicht des Internet - spielt die interne Aufteilung in Subnetze und Hosts keine Rolle, und jeder Host lässt sich eindeutig selektieren. Innerhalb eines LANs, das keine Internet-Verbindung besitzt, ist es im Grunde nicht nötig, sich weitere Gedanken über die Subnet-Maske zu machen, gleichwohl kann sie eben der logischen Aufteilung dienlich sein und überschaubarere Gruppen schaffen. Falls nur ein einziges Netzwerk verwendet wird, kann meist die standardmäßige Subnet-Mask zum Einsatz kommen.

Abbildung 6.20: Die IP-Angaben und die dazugehörige Subnet Mask bei Windows 7

134 .28 .56 .10

10000110.00011100.00111000.00001010

255 .255 .255 .192

11111111.11111111.11111111.11000000

Abbildung 6.21: Beispiel für die Konfigurierung von zwei Teilnetzen mithilfe der Subnet-Mask

Demnach können in diesem Subnetz maximal 62 Computer mit einer IP-Adresse versehen werden. Die folgende Tabelle zeigt weitere Beispiele für das letzte Oktett bei Sub-net-Masken.

CIDR

Berechnung

Host-Adressen

255

11111111

32

2^0 - 2

0, ungültig

254

11111110

31

2^1 - 2

0, ungültig

252

11111100

30

2[1] - 2

2

248

11111000

29

2^3 - 2

6

240

11110000

28

2^4 - 2

14

224

11100000

27

2^5 - 2

30

192

11000000

26

2^6 - 2

62

128

10000000

25

2^7 - 2

126

0

00000000

24

2^8 - 2

254

Tabelle 6.12: Werte für die Subnet-Maske (Adressklasse C) und die Anzahl der dabei maximal zu verwendenden Hosts

Wird eine Adresse in einem LAN aus Versehen zweimal vergeben, tritt so lange kein Problem auf, bis diese beiden PCs gleichzeitig aktiv sind. Der Fehler kann sich dabei in vielfältiger Art und Weise äußern, und oftmals lässt sich nicht direkt auf diese Ursache schließen, außer es wird eine direkte Fehlermeldung wie Duplicate IP ADDRESS angezeigt.

IP-Adresse:

dezimal binär

Subnet-Mask:

dezimal binär

Exkurs

Bei falschen IP-Adressen- und Subnet-Mask-Angaben können sich dadurch auftretende Fehler auf unterschiedliche Art und Weise äußern, die nicht unmittelbar auf die Ursache schließen lassen.

Falls eine Subnet-Maske nicht korrekt festgelegt worden ist, kann sich dies ebenfalls auf unterschiedliche Art und Weise auswirken, etwa dass im LAN oder Intranet eine einwandfreie Funktion gegeben und bei Internet-Verbindungen nur bestimmte Server oder Seiten zu erreichen sind, bei anderen hingegen keine Verbindung zustande kommt. Typischerweise ist oftmals im Host-Teil der Subnet-Maske statt der Zahl 255 aus Versehen eine Null angegeben worden.

6.10.6 Supernetting und CIDR-Notation

Organisationen und Firmen bevorzugen eine IP-Adresse der Klasse B (vgl. Tabelle 6.7), die intern entsprechend auf maximal 16384 Netzadressen und 65534 Host-Adressen aufgeteilt werden kann. Weil es sich abzeichnete, dass diese Adressen zu schnell erschöpft sein würden und weil Adressen der Klasse C lediglich 254 Host-Adressen abbilden können, wurde die »klassenlose Adressierung« (Classless Addressing) eingeführt, was auch als Supernetting bezeichnet wird.

Statt einer einzigen IP-Adresse der Klasse B wird an die Firma oder Organisation ein Adressblock der Klasse C vergeben, der so groß sein muss, dass er die für die einzelnen Netzwerke benötigten Adressen bereitstellen kann, beispielsweise 256 davon. Dies hat dann zur Folge, dass statt einer Route nunmehr 256 Routen innerhalb eines Netzwerkes abgebildet werden müssen. Deshalb wurde das Classless InterDomain Routing (CIDR) eingeführt, das einen Block zusammenhängender Adressen der Klasse C zu einem einzelnen Eintrag zusammenfasst. Um etwa drei Netzwerkadressen wie 193.0.50.0, 193.0.51.0 und 193.0.52.0 darstellen zu können, ist eine Angabe wie 193.0.50.0, 3 notwendig, wobei die kleinste Adresse des Blocks, gefolgt von der Angabe der Anzahl, (3) angegeben wird.

<0' Schnittstellen i
ethü externa!, vpn-ipsec, vpn-...

ethl internal, firewall-internal
eth2 dmzlj firewall-drnzl
tunü vpn-openvpn

156.28.254.83/29 o 156.28.56.44/24

O

192.168.250.1/24 ^

Abbildung 6.22: Konfigurieren einer Firewall, bei der die Maske in der CIDR-Notation anzugeben ist.

Die CIDR-Notation ist nicht auf bestimmte Klassen oder Netzwerknummern beschränkt, sondern kann allgemein für IP-Adressen und die dazugehörigen Masken eingesetzt werden. Gleichwohl ist CIDR eben nicht nur eine spezielle Notation, sondern erfordert für seine Umsetzung wesentliche Änderungen an der IP-Software für Hosts und Router.

Voraussetzung für die Anwendung der CIDR-Notation ist nur, dass die Größe eines Adressblocks als Zweierpotenz darstellbar ist. Dabei wird die Maske in Form einer Längenangabe ausgewiesen - abgetrennt durch einen Slash »/« -, die die Anzahl der Bits angibt, die den binären Wert 1 aufweisen. Mitunter wird der CIDR-Wert auch mit der Bezeichnung Bitcount versehen. In der Tabelle 6.13 sind die CIDR-Werte mit den dazugehörigen Dezimalwerten dargestellt. Dabei entsprechen die traditionellen Klassen den Präfixen /8 (A), /16 (B) und /24 (C).

CIDR

Dezimal

CIDR

Dezimal

/1

128.0.0.0

/17

255.255.128.0

/2

192.0.0.0

/18

255.255.192.0

/3

224.0.0.0

/19

255.255.224.0

/4

240.0.0.0

/20

255.255.240.0

/5

248.0.0.0

/21

255.255.248.0

/6

252.0.0.0

/22

255.255.252.0

/7

254.0.0.0

/23

255.255.254.0

/8

255.0.0.0

/24

255.255.255.0

/9

255.128.0.0

/25

255.255.255.128

/10

255.192.0.0

/26

255.255.255.192

/11

255.224.0.0

/27

255.255.255.224

/12

255.240.0.0

/28

255.255.255.240

/13

255.248.0.0

/29

255.255.255.248

/14

255.252.0.0

/30

255.255.255.252

/15

255.254.0.0

/31

255.255.255.254

/16

255.255.0.0

/32

255.255.255.255

Tabelle 6.13: Die Darstellung der Masken in der CIDR-Notation

Unabhängig davon, ob eine Adresse der Klasse B oder ein Adressblock der Klasse C zur Verfügung steht, bestimmt letztendlich das jeweilige Netzwerkgerät (Client, Router, Firewall) oder auch das Betriebssystem (Windows, Linux), welche Darstellungsform der IP-Adressen und der Netzmasken möglich ist.

Exkurs

Durch die CIDR-Notation können für Netze innerhalb des gesamten Adressraumes flexible Größen festgelegt werden, sodass eine Ableitung der Netzgröße aus der IP-Adresse nicht mehr möglich ist.

6.10.7 Automatische Adressenzuweisung - DHCP

IP-Adressen können mithilfe des Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) automatisch - statt manuell - zugeteilt werden, wenn ein entsprechend konfigurierter Server im LAN zum Einsatz kommt. Statt eine TCP/IP-Adresse für einen Client explizit festzulegen, wird dann bei den Windows-Clients die Option IP-Adresse automatisch beziehen selektiert. Gedanken über die Subnet-Maske muss man sich dabei nicht machen, denn bei der Verwendung von DHCP ist dies nicht notwendig.

Abbildung 6.23: Die automatische IP-Adresseneinstellung ist bei Windows automatisch aktiviert, wobei sich verschiedene Mechanismen dahinter verbergen.

Es ist sinnvoll, einigen Netzwerkeinheiten wie dem Server, Switches, Routern und auch Druckern die IP-Adressen jeweils fest zuzuordnen und anderen, wie etwa Notebooks, die nur zeitweilig im Netz verfügbar sind, die Adressen per DHCP zukommen zu lassen.

Die IP-Adresse, die der xDSL-Provider dem Privatkunden zur Verfügung stellt, wird üblicherweise automatisch zugeteilt - es ist bei jeder Einwahl eine andere -, sodass bei einer direkten Ankopplung eines ADSL-Modems der betreffende Netzwerk-Port ebenfalls auf die Automatik zu schalten ist.

Bei einer statischen Adressenfestlegung hat man es bei einer bestimmten TCP/IP-Adresse stets mit der gleichen Netzwerkeinheit zu tun, was sich für grundlegende Einheiten eigentlich als unabdingbar darstellt und auch die Fehlersuche in einem Netzwerk erleichtert. Falls der Server, der die DHCP-Funktion zur Verfügung stellt, aus irgendeinem Grunde nicht funktioniert, kommen auch die Clients, die DHCP verwenden, nicht ins LAN, was bei der Konfigurierung mit bedacht werden sollte.

Exkurs

Insbesondere in einem Netzwerk, in dem nicht ständig alle Clients in Betrieb sind, kann es sinnvoll sein, einen Teil der bereitstehenden TCP/IP-Adressen per DHCP verfügbar zu machen, etwa für mobile Endgeräte.

Spätestens wenn die verfügbaren TCP/IP-Adressen in einem LAN zur Neige gehen, sollte man sich mit der Zuteilung per DHCP beschäftigen, denn häufig sind nicht ständig alle Clients in Betrieb, belegen aber fest eine Adresse. Dann ist es von Vorteil, wenn ein Teil der verfügbaren Adressen für die Vergabe per DHCP auf dem Server konfiguriert wird.

6.10.8 Automatic Private IP-Addressing - APIPA

Bei aktuellen Windows-Versionen ist es möglich, dass die automatische IP-Adressen-vergabe auch ohne DHCP-Server funktioniert. Ist sie aktiviert und kein DHCP-Server aktiv, suchen sich die PCs selbst eine aus dem Netzwerkadressbereich von 169.254.0.1 bis 169.254.255.254 aus. Dieser Bereich ist auf Initiative von Microsoft von der IANA (Internet Assigned Numbers Authority) hierfür festgelegt worden. Als Subnet-Maske wird dabei automatisch 255.255.0.0 (/16) verwendet.

Diese Funktionalität, die standardmäßig mit Windows 2000 eingeführt wurde, wird als Automatic Private IP-Addressing (APIPA) bezeichnet. APIPA wird immer dann automatisch gestartet, wenn weder eine statische IP-Adresse festgelegt worden ist, noch eine Adresse per DHCP-Server bezogen werden kann, was auch dann eintreten kann, wenn keine freien IP-Adressen mehr zur Verfügung stehen sollten. Die Windows-PCs probieren dann einfach einige Adressen aus dem APIPA-Bereich aus, und falls eine als nicht belegt detektiert wird, wird sie verwendet. Dieser Vorgang wird möglicherweise bis zu zehnmal ausgeführt, bevor er ohne eine erfolgreiche Adressenzuweisung abgebrochen wird.

Der Nachteil dieser Art der IP-Adressenvergabe ist, dass die Computer eine geraume Zeit im Netzwerk herumsuchen müssen, was den Bootvorgang und auch das Herunterfahren - für die Abmeldung - bei PCs stark verlangsamen kann. Außerdem kann dieser Mechanismus die vom Server ausgeführte DHCP-Funktion stören. Adressenfestlegungen für ein Gateway oder auch WINS- und DNS-Server können per APIPA grundsätzlich nicht getroffen werden. Im Zweifels- oder Fehlerfall verwendet man stattdessen explizit die privaten IP-Adressen, damit dieser automatische Mechanismus nicht in Kraft treten kann.

Die Bezeichnung APIPA wird von Microsoft verwendet, ist aber auch unter der allgemeinen Bezeichnung Zeroconf (Zero Configuration Networking) geläufig und wird von UNIX und Linux ebenfalls unterstützt. Zeroconf ist in RFC3927 definiert und wurde erstmalig von der Firma Apple unter der Bezeichnung Rendezvous umgesetzt. Aktuell nennt Apple diese Technik aus namensrechtlichen Gründen Bonjour, die beispielsweise bei MacOS X und iTunes zum Einsatz kommt.

Kapitel 7

WAN-Verbindungen

Unter Wide Area Network (WAN) werden diejenigen Netze und Technologien verstanden, die die weltweiten Verbindungen herstellen und prinzipiell die einzelnen LANs weltumspannend miteinander verbinden. Für meisten Anwender findet der kabelgebundene WAN-Zugang (Festnetzanschluss) meist mithilfe eines ADSL-Adapters statt und dient dem Zugriff auf das Internet. Die WAN-Technik, die sich dahinter verbirgt, liegt in der Verantwortung der Provider, der Netzbetreiber und der Carrier.

Je nach Zuständigkeitsbereich können Unterscheidungen nach MAN (Metropolitan Area Network), WAN (Wide Area Network) und GAN (Global Area Network) getroffen werden, was sich auf eine Stadt (MAN), eine Region oder ein ganzes Land (WAN) oder auch als weltumspannend (GAN) darstellen kann. Diese drei Fernnetze setzen im Prinzip alle die gleichen Techniken und Verfahren ein, sodass WAN üblicherweise als Sammelbegriff für Fernnetze verwendet wird und als Unterscheidungsmerkmal zu den Local Area Networks (LAN) dient.

7.1 WAN-Technologien im Überblick

Die WAN-Technologien unterscheiden sich in ihrer Funktionsweise und Anwendung maßgeblich von den LAN-Technologien. Sie reichen bis Anfang der Siebzigerjahre zurück und haben mit dem Advanced Research Projects Agency Network (ARPANET) die erste bekannte Realisierung ermöglicht.

Vom Telefonieren her sind sogenannte Wählverbindungen, die zwischen zwei Teilnehmern aufgebaut werden, seit der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts bekannt. Entsprechend der Anwendung - telefonieren - wird dabei eine Sprachverbindung hergestellt. Neben dem weltweit verfügbaren analogen Telefonnetz (Sprachnetz) wurden ab den Sechzigerjahren verschiedene Netze für die Datenübertragung realisiert, etwa das Fernschreibnetz oder das Teletexnetz, die ebenfalls mit 1:1-Verbindungen - zwischen zwei Teilnehmern - geschaltet wurden. Diese Standleitungen oder Festverbindungen sind im Grunde genommen nichts anderes als fest geschaltete Wählverbindungen.

Ab dem Jahre 1976 wurden zunächst die verschiedenen Datennetze zu einem digitalen Fernmeldenetz zusammengefasst, und ab 1990 kam auch die Sprachübertragung hinzu, woraus das Integrated Services Digital Network - kurz ISDN - resultiert, welches verschiedene Dienste integriert, um Texte, Daten, Festbilder (Fax) und Sprache zu übertragen. ISDN ist, genauso wie das vorherige, rein analoge Netz, ein sogenanntes leitungs-vermittelndes Netz, womit ausgedrückt wird, dass zwischen zwei Teilnehmern quasi eine Leitung (Point-to-Point-Verbindung) geschaltet wird, die ihnen exklusiv zur Verfügung steht. Beim Anschluss über ein Modem oder per ADSL ist dies genauso der Fall, wo zwischen dem (ADSL-)Modem des Kunden und der Vermittlungsstelle (des Providers) eine Point-to-Point-Verbindung realisiert wird.

Eine Weiterentwicklung der leitungsvermittelnden Netze sind die paketvermittelnden Netze, was erstmalig mit dem X.25-Standard für analoge Verbindungen umgesetzt wurde. Die Paketvermittlungstechnik beschreibt grundsätzlich die Kommunikation auf der OSI-Schicht 3 und den Aufbau von logischen Kanälen zwischen entfernten Systemen über mehrere Netzwerkknoten hinweg anhand von virtuellen Verbindungen. Hierfür ist der Standard X.25 von Bedeutung, der auf den Entwicklungen zum ARPANET (Advanced Research Projects Agency Network) beruht, das gemeinhin als Vorläufer des Internet betrachtet wird. X.25 wurde technologisch betrachtet von Frame Relay abgelöst, welches ebenfalls weltweit anwendbar ist (sofern die einzelnen Länder dies unterstützen), im Gegensatz zu X.25 beruht Frame Relay jedoch auf digitaler Verbindungstechnik.

Im Backbone des WAN wird für den weltweiten Datentransport - beispielsweise für ISDN oder ATM - ein Multiplexverfahren verwendet, wofür zunächst PDH eingesetzt wurde und später ein Übergang zu SDH/SONET erfolgte, das auch heute noch zum Einsatz kommt. Das jeweilige Multiplexverfahren (siehe Kapitel 7.8) bildet einzelne Kanäle und transportiert die Daten in unterschiedlichen Rahmenstrukturen. Diese Verbindungstechnik gibt es weltweit, und sie transportiert die verschiedenen Pakete (ISDN, Frame Relay, ATM), wobei länderspezifische Implementierungen zu beachten und gegebenenfalls Paketumsetzungen notwendig sind. Dies wird von weltweit agierenden Firmen angeboten, die als Carrier bezeichnet werden. Beispielsweise ist ISDN in Deutschland und Westeuropa üblich, nicht jedoch in den USA, und in Entwicklungsländern existieren nicht überall digitale Verbindungen, sodass dann statt Frame Relay noch nach dem analogen X.25-Standard gearbeitet werden muss und entsprechende Umsetzungen notwendig werden.

7.2 SDLC- und HDLC-Protokoll

In den Siebzigerjahren hat die Firma IBM ein Protokoll mit der Bezeichnung Synchronous Data Link Control (SDLC) entwickelt, welches für den Datenaustausch in ihrer Netzwerkarchitektur mit der Bezeichnung System Network Architecture (SNA) eingesetzt wurde.

SNA ist weitaus mehr als ein Protokoll oder eine Protokollfamilie, sondern ein Gesamtkonzept für Großrechner, bestehend aus logischen Strukturen, Formaten, Protokollen, Betriebssystemkomponenten und Anwendungen, das alle Schichten des OSI-Modells mit IBM-eigenen Protokollen und Diensten definiert. SNA stellte bereits vor der Definition des OSI-Modells eine komplette Netzwerkarchitektur mit einer Reihe von Services dar.

Ein SNA-Netz besteht ursprünglich aus einem oder auch mehreren Großrechnern (Host Nodes) an der Spitze einer baumartigen Topologie mit Verbindungen zu untergeordneten Computern oder allgemein Endgeräten. Dieses hierarchische Verbindungskonzept wurde im Laufe der Zeit durch Advanced Peer-to-Peer Networking (APPN) ersetzt, wodurch sich die unterschiedlichen Nodes in fast beliebiger Art und Weise miteinander verbinden lassen und Pakete vermitteln und austauschen können.

Die SNA-Basis wird durch das SDLC-Protokoll gebildet, das in abgeänderter Form unter High Level Data Link Control (HDLC) standardisiert wurde (aktuell in ISO/IEC 13239:2002). Es bildet die Grundlage vieler Weiterentwicklungen für Protokolle der OSI-Schicht 2 (Data Link Layer, Sicherungsschicht) wie Logical Link Control (LLC) oder das Point-to-Point-Protokoll. Es realisiert im Wesentlichen die Rahmenbildung (Framing), die Flusssteuerung und die Fehlersicherung (CRC) für Halb- und Vollduplexbetrieb in MultiPoint- und Point-to-Point-Verbindungstopologien.

7.3 Paketvermittlung - X.25-Standard

Seit seiner Veröffentlichung ist X.25 zu einem bedeutenden Standard geworden, der beispielsweise in Deutschland von der Telekom bei Datex-P (Data Exchange, Paketvermittlung) immer noch zum Einsatz kommt. Mit Datex-P wird eine sichere Datenübertragung von Geldautomaten und Supermarktkassen zu den zentralen Rechenzentren durchgeführt.

Der Grundstein von X.25 wurde vor über 25 Jahren gelegt. Es dient zur Übertragung von Daten (64 kBit/s) über analoge Telefonnetze und beinhaltet mit Rücksichtnahme auf die damals eher schlechte Übertragungsqualität der Leitungen umfangreiche Fehlerkorrekturmechanismen.

X.25 ist der Prototyp eines paketvermittelnden Netzes. Die X.25-Spezifikation (OSI-Schicht 3) umfasst den Verbindungsaufbau, den Datentransport sowie den Verbindungsabbau einzelner logischer Übertragungskanäle (virtuelle Verbindungen), von denen es bis zu 4096 gibt, die von/zu den höheren OSI-Schichten transportiert werden. Für die eigentlichen Daten und die Steuerinformationen sind verschiedene Pakettypen festgelegt worden, die einen unterschiedlichen Aufbau haben und in der Tabelle 7.1 angegeben sind.

Pakettyp

Funktion

Call Request, Incoming Call

Verbindungsauf- und -abbau, Belegung

Call Accepted, Call Connected

Verbindungsauf- und -abbau, Belegungsquittierung

Clear Request, Clear Identification

Verbindungsauf- und -abbau, auslösen

Clear Confirmation

Verbindungsauf- und -abbau, Auslösequittierung

Data

Nutzdaten

Interrupt

Unterbrechungsaufforderung

Interrupt Confirmation

Unterbrechüngsbestätigüng

Receiver Ready

Empfangszähler, empfangsbereit, Quittierung

Receiver Not Ready

Empfangszähler, nicht empfangsbereit

Pakettyp

Funktion

Reject

Empfangszähler, Paket abweisen

Reset Request, Reset Indication

Rücksetzanforderung

Reset Confirmation

Rücksetzbestätigung

Restart Request, Restart Indication

Neustartaufforderung

Restart Confirmation

Neustartbestätigung

Diagnostic

Diagnosedaten

Tabelle 7.1: Die X.25-Pakete im Überblick

Die zu übertragenden Daten werden in der Schicht 3 mit einem Header (Paketkopf) versehen, der eine logische Kanalnummer (maximal 4096) für jeweils eine virtuelle Verbindung enthält. Jedes X.25-Paket führt im ersten Byte die jeweils zugeteilte Kanalnummer, anhand der die Zugehörigkeit des Datentransportweges - der virtuellen Verbindung -erkannt wird. In der Schicht 2 werden die Daten dann in einen Rahmen (Frame) verpackt, der den in der Abbildung 7.1 gezeigten Aufbau hat.

Abbildung 7.1: Der allgemeine X.25-Frameaufbau

Dieser Rahmen wird von zwei Flags (Blockbegrenzungszeichen) begrenzt, die stets die Bitfolge 0111 1110 aufweisen. FCS (Frame Checking Sequence) dient der Fehlererkennung und wird vom Sender mithilfe eines Generatorpolynoms erzeugt. Der Empfänger berechnet hiermit in Abhängigkeit von den eingehenden Daten die FCS und vergleicht diese mit der gesendeten FCS, die im Fehlerfall nicht identisch sind, woraufhin der betreffende Datenblock dann verworfen wird.

Das Adressfeld wird zur Unterscheidung zwischen Befehlen und Meldungen verwendet, und das Steuerfeld (Control Field) kennzeichnet jeweils die einzelnen Typen der Blocks, Befehle und Meldungen. Es gibt dabei drei Blockformate (I, S, U), wobei der I-Typ die Daten der Schicht 3 transportiert, der S-Typ die Steuerungsdaten und der U-Typ dem Auf- und Abbau der Verbindungen dient.

Das High Level Data Link Control Protocol (Kapitel 7.2) sichert die von der Schicht 3 bereitgestellten Daten dementsprechend in der Schicht 2. Als wesentliche Aufgabe teilt es die Datenströme in Blöcke auf, nummeriert sie und versieht sie mit Prüfbytes. Das HDLC-Protokoll arbeitet bei Datex-P (siehe folgendes Kapitel) mit der Link Access Procedure Balanced (LAP-B), was zur Folge hat, dass die beiden miteinander kommunizierenden Einheiten gleichberechtigt sind und es demnach keine Master-Slave- oder ähnliche Konstellation gibt. Als physikalische Schnittstelle (Schicht 1) kommt X.21 zum Einsatz, welches einen 15-poligen DSUB-Stecker definiert und dem Standard RS-449 (RS422 plus RS423) entspricht.

7.4 Data Exchange Packet - Datex-P

Data Exchange Packet verwendet das paketorientierte X.25-Verfahren laut CCITT (heute ITU) und ist Bestandteil des internationalen Public Switched Data Network (PSDN). Über Datex-P können mehrere logische Verbindungen zur selben Zeit und zu unterschiedlichen Gegenstellen aufgebaut werden.

Prinzipiell sind zum einen temporäre virtuelle Verbindungen (SVC: Swing Virtual Connections), die je nach Bedarf auf- und abgebaut werden, möglich und zum anderen virtuelle permanente Verbindungen (PVC: Permanent Virtual Connections), bei denen keine Datenpakete für die Vermittlung anfallen und nur eine einzige Gegenstelle erreicht werden kann.

Durch eine zeitliche Verschachtelung der Datenpakete werden die physikalischen Leitungen mehrfach genutzt, was auch als Multiplexing bezeichnet wird. Die Daten werden auf mehrere Einzelpakete verteilt, die jeweils ein festes Format und eine feste Länge von 128 kByte aufweisen. Das Format eines Paketes setzt sich aus einem Adressteil mit dem Header für die Kennzeichnung der virtuellen Verbindung und dem darauffolgenden Datenteil zusammen. Die Datenübertragungsrate kann 50 Baud bis 64 kBit/s betragen, was von der jeweiligen Anschlussart (X25, Modem, ISDN) abhängt.

Datex-P Netz

Rechner

4800 Bits/s

■ A

9600 Bits/s ............

Groß-

1 \

......

••

Rechner

Rechner

1200 Bits/s

--[pad

..........

64000 Bits/s

2400 Bits/s

300 Bits/s

A /

**

—- __

Rechner

DEE

----

DVST-P

DVST-P

Abbildung 7.2: Mithilfe von Datenvermittlungsstellen (DVST) werden die einzelnen Daten zu Paketen zusammengefasst, über das Datex-P-Netz übertragen und wieder in einzelne Datenströme zerlegt.

Datex-P war gegen Ende der Achtzigerjahre der erste verfügbare Zugang für jedermann zum globalen Datennetz, der wurde meist per Akustikkoppler oder Modem mit Terminalprogramm zum jeweiligen Anbieter wie der damaligen Post oder auch dem sehr beliebten Compuserve-Portal hergestellt. Die Grundlage der Gebührenberechnung ist dabei nicht die Verbindungszeit, sondern die übertragene Datenmenge. Typische Anwendungen von Datex-P wurden später die Übertragungen von Kreditkarten- oder auch Buchungsdaten.

7.5 Frame Relay - Fast Packed Switching

Frame Relay - auch als Fast Packet Switching bezeichnet - ist eine Weiterentwicklung der X.25-Paketvermittlung mit einer Datenübertragungsrate von bis zu 2 MBit/s über virtuelle Festverbindungen (PVC: Permanent Virtual Connection). Frame Relay ist in der Schicht 2 lokalisiert und arbeitet mit dem HDLC-LAP-F-Protokoll.

Link Access Procedure Framed (LAP-F) verwendet Funktionen wie Kanalmultiplexing, Datenrahmung und eine Fehlererkennung. Mechanismen zur Fehlerkorrektur kennt Frame Relay selbst nicht, sondern dies wird den Anwendungsprotokollen der höheren Schichten übertragen. Der Aufbau des LAP-F-Frames, der von Flags eingerahmt ist, ist in der Abbildung 7.3 gezeigt. Das wichtigste Element ist dabei der Data Link Connection Identifier (DLCI), der mit der virtuellen Kanalnummer bei X.25 zu vergleichen ist. DLCI ist für die Unterscheidung der verschiedenen virtuellen Verbindungen eines Anschlusses zuständig und regelt den gesamten Weg durch das Netz.

Bit

Bedeutung:

0

1

1

1

1

1

1

0

Flas

Data Link Connection Identifier. DLCI

CR

EA=0

Adressfeld

DLCI

FECN

BECN

DE

EA=0

Adressfeld

DLCI

EA=0

Adressfeld

DL CL; Control

DC

EA=1

Steuerfeld

Daten (maximal 8000 Bytes)

Datenfeld

Datenfeld

Prüfsumme (CRC-16)

Bio ckprüfungs feld

0

1

1

1

1

1

1

0

Flaa

Abbildung 7.3: Der Aufbau des LAP-F-Übertragungsrahmens

Das DLCI-Feld kann eine Länge von zwei bis vier Byte aufweisen, und das jeweils letzte wird mit EA = 1 (Extended Address Bit) gekennzeichnet. Anhand des C/R-Bits (Command/Response) wird signalisiert, ob es sich bei den folgenden Daten um Befehle oder um Antworten (Meldungen) handelt.

Im zweiten DLCI-Byte findet die Überwachung der Bandbreite statt. Ein überlasteter FR-Knoten sendet BECN = 1 (Backward Explicit Congestion Notification) entgegen der Senderichtung und in Richtung des Datenstromes FECN = 1 (Forward Explicit Congestion Notification), woraufhin die Sendestation die Übertragungsleistung reduzieren kann.

Mithilfe des Discard Eligible Bit (DE = 1) werden diejenigen Datenpakete gekennzeichnet, die bei einer Überlastsituation bevorzugt transportiert werden sollen.

Im vierten DLCI-Byte können optional Control-Informationen (Steuer-, Statusinformationen) übertragen werden, wobei das D/C-Bit kennzeichnet, ob es sich um Datenoder Control-Bytes handelt. Die Nutzdaten können maximal 8 kByte umfassen, und den Abschluss bilden die Prüfsumme sowie das Flag zur Kennzeichnung des Frame-Endes, wie es auch oben dem allgemeinen Aufbau eines Schicht 2-Frames (Abbildung 7.3) entnommen werden kann und generell bei den paketvermittelnden Telegrammen üblich ist.

Frame Relay multiplext die verschiedenen Datenpakete von Sende- und Empfangsstationen nach statistischen Kriterien und arbeitet verbindungsorientiert, d.h., für jede Datenübertragung wird ein virtueller Verbindungskanal angelegt. Mithilfe eines speziellen Parameters (CIR: Committed Information Rate) wird hier aber - im Gegensatz zum X.25-Transport - jedem Verbindungskanal eine Mindestübertragungsbandbreite eingeräumt, die jedoch, falls noch ungenutzte Bandbreite zur Verfügung steht, bis zu einer vereinbarten Rate (Access Rate) überschritten werden kann, um somit dynamische Anpassungen in Abhängigkeit von der jeweils anfallenden Datenmenge herstellen zu können.

7.6 Integrated Services Digital Network - ISDN

Das Integrated Services Digital Network ist das erste System, welches für die kombinierte Übertragung von Daten- und Sprachinformationen entwickelt worden ist. Die Paketvermittlung (X.25, Datex-P) ist dabei ein integraler Bestandteil des EURO-ISDN, der in Europa geltenden Implementierung des Digital Network.

ISDN basiert auf Benutzerkanälen (B) und davon getrennten Signalisierungskanälen (D), wobei je nach Bandbreitenbedarf zwei ISDN-Varianten möglich sind:

■ Basisanschluss: Zwei B-Kanäle mit je 64 kBit/s und einem D-Kanal mit 16 kBit/s

■ Primärmultiplexanschluss: 30 B-Kanäle mit je 64 kBit/s und einem D-Kanal mit 64 kBit/s

Der Primärmultiplexanschluss erlaubt eine maximale Datenübertragungsrate von 1920 kBit/s bei der Verwendung aller 30 B-Kanäle. Hierfür wird ATM als Übertragungsprotokoll eingesetzt, was auch als Broadband ISDN (B-ISDN) bezeichnet wird.

Bei der ISDN-Variante (Basisanschluss), wie sie beim Privatkunden installiert wird, sind hingegen nur 128 kBit/s möglich, wenn beide B-Kanäle zum Einsatz kommen, was unter Kanalbündelung firmiert und die doppelten Kosten zur Folge hat, als wenn nur ein Kanal verwendet würde.

Beiden Anschlussvarianten ist gemein, dass die Zuständigkeit der Telekom, von der Anwenderseite her gesehen, bei der Netzwerkabschlusseinheit beginnt. Die Amtsleitungen werden an den Netzwerk Terminator (NT) - gewissermaßen den ISDN-Hausanschlusskasten (im Keller) - geführt. Die Schnittstelle zum Netz der Telekom wird als UK_0 bezeichnet und unterliegt deren Monopol. Ohne einen Verstärker (Regenerator) lässt

Abbildung 7.4: Die typischen ISDN-Schnittstellen bei einem Basisanschluss

Die andere Seite des NT (oder des NTBA, Netzwerk-Terminator-Basis-Anschluss), und damit für den Benutzer wichtig, ist eine S0-Schnittstelle, die aus vier Leitungen besteht, von denen jeweils zwei für die Sende- und die Empfangsrichtung verwendet werden.

Für den Anschluss von Endgeräten sind prinzipiell mehrere Möglichkeiten gegeben: Entweder werden sie direkt mit dem S0-Bus verbunden, wobei maximal zwölf Dosen (Mehrgeräteanschluss) installiert und gleichzeitig acht Geräte betrieben werden können, oder es wird nur eine S0-Dose für den Anschluss einer Telekommunikationsanlage (TK) verwendet. Die weiteren Endgeräte werden dann mit der TK verbunden, was auch als Anlagenanschluss bezeichnet wird. Damit eventuell vorhandene Analoggeräte weiterhin verwendet werden können, gibt es die Terminal-Adapter (TA), sowohl als einzelne Geräte als auch als Bestandteil einer TK.

Für die gesamte Ausdehnung des S0-Busses werden 150 m bis 600 m angegeben, was von der Anzahl der angeschlossenen Geräte abhängig ist. Die maximale Entfernung eines Endgerätes von einer S0-Dose beträgt üblicherweise 10 m. Wie viele Geräte an eine TK angeschlossen werden können und welche Ausdehnung dabei möglich ist, hängt vom jeweiligen Typ ab, wobei sich durchaus Entfernungen von bis zu 1000 m überbrücken lassen.

7.6.1 Protokolle

Der ISDN-D-Kanal ist allein für die Abwicklung des D-Kanal-Protokolls zuständig, das auf der Schicht 2 arbeitet und wiederum einer Variante des HDLC-Protokolls (Kapitel 7.2) entspricht - dem LAP-D. Der allgemeine Übertragungsrahmen mit den beiden Flags, dem Adressfeld, dem Steuerfeld sowie dem Feld für die Prüfsumme ist auch hier wieder gültig. Der wesentliche Unterschied zu X.25 und Frame Relay liegt im Aufbau des Adressfeldes, das aus 8 oder auch 16 Bits bestehen kann. Es dient der eindeutigen Kennzeichnung einer Verbindung und hat den in der Abbildung 7.5 angegebenen Aufbau.

sich auf dieser Seite mit den (alten) Kupferleitungen des analogen Netzes eine maximale Länge von 8 km überbrücken, was sicherstellt, dass ein digitaler Übergabepunkt erreichbar ist.

Bit

Bedeutung

0

1

1

1

1

1

1

0

Flaa

Service Access Point Identifier. SAPI

CR

EA=0

Adressfeld

Terminal Endpoint Identifier. TEI

EA=1

Adressfeld

Steuerfeld (I-. S

-, U-: UI-Block)

Steuerfeld

Daten (maximal 260 Bvtes)

Datenfeld

Datenfeld

Prüfsumme (16 Bits)

Bio ckprüfungs feld

0

1

1

1

1

1

1

0

Flaa

Abbildung 7.5: Der Aufbau des LAP-D-Übertragungsrahmens

Im Adressfeld wird die eindeutige Kennzeichnung einer Schicht 2-Verbindung (Link) vorgenommen, wobei hier zwei unterschiedliche Bytes von Bedeutung sind. SAPI (Service Access Point Identifier) kann für den Link zunächst drei unterschiedliche Typen für die Vermittlung führen: Die Signalisierungsinformationen (SAPI 0) der Schicht 3, die Übertragung der paketvermittelnden Daten (SAPI 16) und die Festlegung der Link-Adresse (SAPI 63), die als TEI-Verwaltung dann als nächstes Byte folgt.

Der Terminal Endpoint Identifier (TEI) ist notwendig, weil die HDLC-Verfahren immer nur zwischen zwei Punkten angewendet werden können. Bei ISDN können aber verschiedene Endgeräte (Telefon, ISDN-Adapterkarte) quasi gleichzeitig aktiv sein, und daher wird jedem ISDN-Gerät ein unterschiedlicher TEI zugeteilt, um eine entsprechende Auflösung in einzelne Punkt-zu-Punkt-Verbindungen realisieren zu können.

Der Aufbau des Steuerfeldes ist von der Art des Blocks abhängig. Wie bei X.25 erwähnt, gibt es die drei Blockformate (I, S, U) mit der oben erläuterten Funktionalität, und neu hinzugekommen ist der Typ UI (Unnumbered Information), der ohne eine aufgebaute Schicht 2-Verbindung TEI-Informationen oder auch Informationen der Schicht 3 (z. B. Anruf) überträgt, die von der Gegenstelle nicht quittiert werden.

Auf der Schicht 3 kommt das DSS1-Protokoll (Digital Subscriber Signaling System no.one) für den ISDN-D-Kanal zum Einsatz, was auch allgemein mit EURO-ISDN gekennzeichnet wird. Das nationale Protokoll 1TR6 (Technische Richtlinie Nr.6) wird mittlerweile im öffentlichen ISDN nicht mehr unterstützt, gleichwohl ist es mitunter noch bei Telefonanlagen von Firmen und Behörden anzutreffen, und die interne Vermittlungsstelle nimmt dann eine entsprechende Umsetzung auf EURO-ISDN vor.

7.7 Asynchron Transfer Mode - ATM

Der Asynchron Transfer Mode (ATM) ist ursprünglich für Breitbanddienste unterschiedlicher Art vorgesehen, beispielsweise für das Breitband-ISDN, was hier nicht mit dem »schmalbandigen« ISDN mit einer Datenübertragungsrate von (nur) 64 kBit/s zu verwechseln ist.

ATM beruht auf dem Prinzip der virtuellen Verbindungen (verbindungsorientiert), wie es auch bei den paketvermittelnden Netzen (X.25) eingesetzt wird. Die SDH-Übertragungs-technik (siehe Kapitel 7.8) bildet dabei die Grundlage für die Kombination von B-ISDNAnschlüssen und den ATM-Vermittlungsstellen.

Abbildung 7.6: Auch für ATM bildet SDH die grundlegende Übertragungstechnik.

ATM bietet den Vorteil, dass hier definierte Bandbreiten zur Verfügung gestellt werden können und sich demnach auch verschiedene Anwendungen gleichzeitig (z. B. Datenbankkommunikation, Nachrichtenaustausch, Videokonferenzen) ohne Verzögerungen bedienen lassen. Die dafür jeweils benötigte Bandbreite lässt sich sehr flexibel anpassen. Einige Anwendungen - wie etwa Videokonferenzen - profitieren eher von einer höheren Bandbreite und damit möglichst optimalen Datenübertragungsraten als etwa zeitlich relativ unkritische wie einfache Nachrichtenübertragungen.

Der Schlüssel zu dieser Funktionalität liegt bei ATM darin, dass hier keine festen Kanäle geschaltet werden, sondern immer Zellen (Cell Relay). Die grundlegende Transporteinheit ist hier also kein Übertragungsrahmen oder ein Paket, sondern stets eine Zelle. Die ATM-Zellen, die auf virtuellen Kanälen und Pfaden transportiert werden, bestehen aus 48 Bytes an Nutzdaten (Payload) und fünf Bytes an Steuer-/Kontrollinformationen und sind immer 53 Bytes lang (vgl. Abbildung 7.7).

L

-n & aß

111

A 53-Byte-Zeller

B

■ II

Kanal 1 Kanal 2 Kanal 3 Kanal 4

■ ^

Kanal 1 Kanal 2 Kanal 3 Kanal 4

T2 T1

1 HlIBMIE

_■ ■ ■ 11.

III

Kanal 3 Kanal 4 Kanal 1

Abbildung 7.7: Das Prinzip der ATM-Übertragung

Mit den vier Bits Generic Flow Control der ATM-Zelle wird die Zelleneingliederung in dem ATM-Datenstrom in Abhängigkeit von der aktuellen Medienauslastung gesteuert. Der Virtual Channel Identifier (VCI) einer jeden ATM-Zelle bestimmt eindeutig, zu welcher Verbindung die zu transportierende Zelle gehört, und mehrere VCIs - maximal 65000 -bilden einen Virtual Path, dessen Kennung im Virtual Path Identifier (VPI) transportiert wird.

Bit

8 7 6 5

4 3

2 1

Byte:

Generic Flow Control

Virtual Path Identifier

1

Virtual Path Identifier

Virtual Channel Identifier

2

Virtual Channel Identifier

3

Virtual Channel Identifier

Payload Type Identifier

Cell Loss Priority

4

Header Error Check

5

Payload Data

(Nutzdaten)

6

53

Abbildung 7.8: Der Aufbau einer ATM-Zelle

Die Daten im Payload Type Identifier (PTI) kennzeichnen den Datentyp, der in der ATMZelle transportiert wird, und Cell Loss Priority (CLP) signalisiert, ob die Zelle unter ungünstigen Bedingungen - wie einer Überlastung des Kommunikationsweges - verworfen werden darf oder nicht. Die dabei zugrunde gelegte Bedingung wird beim Verbindungsaufbau anhand eines definierten Quality of Service (QoS) ausgehandelt, was man sich gewissermaßen als Bandbreitenzuteilung (oder auch Dienstgütegarantie des ATM-Anbieters) vorstellen kann. Das Byte des Header Control Check dient der Überprüfung auf eine fehlerfreie Übertragung hin und funktioniert ähnlich wie der CRC-Mechanismus (Cyclic Redundancy Check) in einem LAN.

Die Zuteilung der zu übertragenden Daten auf die Zellen erfolgt dynamisch, was von der jeweils benötigten Bandbreite abhängig gemacht werden kann. In einem Zeitmultiplex-verfahren werden die Zellen der verschiedenen Verbindungen dann zu einem kontinuierlichen Zellenstrom zusammengefasst, der von den Empfängern entsprechend zurückzuübersetzen ist, damit hier wieder die einzelnen Datenelemente zur Verfügung stehen.

ATM bietet verschiedene Dienstkategorien an, die bestimmte Übertragungsraten definieren, wobei CBR (vgl. Tabelle 7.2) beispielsweise für die Sprachübertragung und VBR für E-Mail und Filetransfer gedacht ist.

ATM-Dienstkategorie

Eigenschaft

Available Bit Rate, ABR

Maximale Übertragungsrate definiert

Constant Bit Rate, CBR

Feste Übertragungsrate definiert

Unspecified Bit Rate, UBR

Keine Übertragungsrate definiert

Variable Bit Rate, VBR

Minimale und maximale Übertragungsrate definiert

Tabelle 7.2: ATM-Dienstkategorien und ihre Eigenschaften

Zur Anpassung an die dienstspezifischen Anforderungen zwischen dem Datenformat einer Anwendung und der ATM-Zelle (OSI-Schicht 1) sind verschiedene ATM Adaption Layers (AAL, in der OSI-Schicht 2) definiert worden:

■ AAL1: für leitungsvermittelnde Dienste mit konstanter Bitrate.

■ AAL2: für Anwendungen mit variabler Bitrate und exakter Zeitsynchronisation (Isochronous Transfers) wie etwa für Audio- und Videoübertragungen.

■ AAL3/4: für Anwendungen mit variabler Bitrate, die jedoch keine Zeitsynchronisation benötigen.

■ AAL5: entspricht einem vereinfachten AAL3/4 für den reinen Datentransport und ist das am häufigsten verwendete Anpassungsprotokoll. Es wird auch für IP-orientierte Anwendungen eingesetzt.

ATM ist als die erste Netzwerktechnik angetreten, die sich sowohl im WAN als auch im LAN - quasi bis zum Anwender-PC - integrieren lässt. Der Übergang von ATM auf konventionelle LAN-Technologien (Ethernet) hat sich allerdings im Laufe der Zeit als ein recht kostspieliges Unterfangen herausgestellt, und die Anfang der Neunzigerjahre vorhandene Euphorie, mit ATM ein universelles System für WAN und LAN zur Verfügung zu haben, ist mittlerweile gewichen. Das eigentliche Problem liegt dabei in der Übersetzung der MAC-Adressen (siehe Ethernet) im LAN auf ATM. Da ATM keine derartigen Adresszuordnungen kennt, ist eine zusätzliche Umsetzung (neben IP- auf MAC-Adressen) notwendig, die als LANE (LAN Emulation) bezeichnet wird und von einem LAN Emulation Server durchzuführen ist.

Weil ATM aufgrund seiner Zellenorientierung und Skalierbarkeit völlig anders als Ethernet ist, ist (zunächst) auch keine Kompatibilität zu diesen gegeben. Dem wird aber dadurch Rechnung getragen, dass Emulationsverfahren (ATM-emuliertes LAN, ATM-LAN-Emulationsclient) entwickelt worden sind, die ab Windows 98 als eigene Protokolle für die entsprechenden PC-Netzwerkadapter implementiert sind. Sie werden mittlerweile jedoch nicht mehr standardmäßig von Microsoft mitgeliefert, weil sich ATM im LAN eben nicht durchgesetzt hat. Demnach ist das ATM-Einsatzgebiet bei WAN- und nicht (mehr) bei LAN-Verbindungen zu sehen, wo ganz klar die Ethernet-Technologie dominiert. Mit 10 Gigabit-Ethernet (10GE) steht ATM zudem eine Ethernet-Technologie gegenüber, die auch explizit für WAN-Anwendungen gedacht ist, sodass ATM-Realisierungen immer weniger umgesetzt werden.

7.8 Multiplexsysteme - PDH, SDH, SONET

Es wurden bereits des Öfteren die Multiplexverfahren von SDH und SONET erwähnt, die den Backbone des WAN darstellen und Multiplexverfahren mit der Bildung einzelner Kanäle sowie den Transport der Daten in unterschiedlichen Rahmenstrukturen ermöglichen. Als erstes Verfahren wurde ab dem Jahre 1972 die Plesiochronous Digital Hierarchy - PDH - eingesetzt, und ab Mitte der Achtzigerjahre erfolgte ein Übergang zu SDH/ SONET.

7.8.1 Plesiochrone Digitale Hierarchie

Für die Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH) wurden von der CCITT für den transatlantischen Datenverkehr zwischen Nordamerika, Europa, Japan verschiedene Bitraten (Primärmultiplexraten) in Hierarchien definiert. Bei der Plesiochronen Digitalen Hierarchie handelt es sich um ein synchrones Zeitmultiplexverfahren, bei dem Signale aus verschiedenen Quellen (Sprache, Daten) über einen gemeinsamen Kanal übertragen werden. Da die Bitraten der einzelnen Quellen nicht exakt gleich sind, sondern nur annäherungsweise (griechisch: plesios = nahe), werden zum Ausgleich verschiedene sogenannte Stopfverfahren eingesetzt, die die Pufferspeicher - je nach deren Füllstand - mit Stopfbits auffüllen oder die Stopfbits durch Informationsbits ersetzen.

Ausgehend von der Primärmultiplexrate (in Europa 64 kBit/s bis 564.992 kBit/s) ergeben sich die verschiedenen Kanäle, so beispielsweise bei 2.048 kBit/s 32 Übertragungskanäle mit je 64 kBit/s, wobei die 64 kBit/s aus der ursprünglichen Definition der Sprachübertragung resultieren.

Abbildung 7.9: Das PDH-Multiplexing

Im Laufe der Zeit konnte die Geschwindigkeit des Trägersystems erhöht werden, was in Europa und in Amerika zu unterschiedlichen Hierarchien geführt hat, deren Kenndaten in der Tabelle 7.3 angegeben sind.

Europa

Nordamerika

Japan

Stufe

PDH

Datenrate

PDH

Datenrate

PDH

Datenrate

0

64 kBit/s

64 kBit/s

64 kBit/s

1

El

2.048 kBit/s

T1/DS1

1.544 kBit/s

J1

1.544 kBit/s

2

E2

8.048 kBit/s

T2/DS2

6.312 kBit/s

J2

6.312 kBit/s

3

E3

34.368 kBit/s

T3/DS3

44.736 kBit/s

J3

32.064 kBit/s

4

E4

139.264 kBit/s

T4/DS4

274.176 kBit/s

J4

97.728 kBit/s

5

E5

564.992 kBit/s

-

-

J5

397.000 kBit/s

Tabelle 7.3: Kenndaten der digitalen PDH-Multiplexsysteme

Die Daten der einzelnen Kanäle werden in definierten Übertragungsrahmen (256 Bits in Europa, 193 Bits in Amerika) transportiert, die mit entsprechenden Bits für die Synchronisation und Fehlererkennung versehen sind. Der grundlegende PDH-Übertragungsrah-men bündelt 32 Kanäle und wird als E1 bezeichnet. In Nordamerika ist diese Lösung mit DS1 (Digital Signal Level 1) vergleichbar, die demgegenüber 24 Kanäle realisiert. Die Bitrate E1 (2 MBit/s) wird beispielsweise beim ISDN-Basisanschluss mit 30 Nutzkanälen eingesetzt und E3 (34 MBit/s) insbesondere für die Verbindung von Firmenstandorten. Für höhere Bitraten kommt stattdessen zumeist die SDH-Technik zum Einsatz.

7.8.2 Synchrone Digitale Hierarchie

SDH (Synchronous Digital Hierarchy) wird seit 1988 als Nachfolgesystem von PDH eingesetzt. In den USA wird diese Technologie auch als SONET (Synchronous Optical Network) bezeichnet. Die Unterschiede zwischen SDH und SONET sind minimal und im Grunde zu vernachlässigen.

PDH-Systeme lassen sich auch über SDH-Systeme übertragen, was somit einen kompatiblen Technologieübergang ermöglicht. Der Unterschied zwischen PDH und SDH liegt in der demgegenüber höheren Flexibilität und der Möglichkeit, direkt auf einen Datenkanal zugreifen zu können, während bei PDH ein kompletter Datenstrom durchlaufen werden muss, um wieder die einzelnen Kanäle zu erhalten. SDH nutzt hierfür Pointer statt der Stopftechnik von PDH.

Exkurs

SDH (Synchrone Digitale Hierarchie) oder SONET (Synchronous Optical Network), wie es in Amerika bezeichnet wird, ist die in WANs vorherrschende Technologie für den Transport verschiedener digitaler Dienste wie ISDN, ATM, ISDN oder auch 10 Gigabit-Ethernet. Es bildet die entsprechenden Übertragungsrahmen für die unterschiedlichsten Dienste und fungiert als Transitsystem.

Das wesentliche Element bei SDH ist dabei ein prozessorgesteuertes sogenanntes Koppelnetz, welches die bei PDH vorhandenen Multiplexsysteme ersetzt. Die Schaltinformationen, wie etwa die Angabe, welche Daten für welchen Ort bestimmt sind, stecken gewissermaßen in den Daten selbst, die mit entsprechenden Rahmen und Headers versehen werden.

Der Multiplex-Rahmen nennt sich STM (Synchronous Transport Module oder STS bei SONET), und es sind verschiedene Typen standardisiert, die bei der ANSI-Norm jeweils auch die optische Charakteristik (OC: Optical Carrier) für den Rahmentransport mit einbeziehen. Die folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Daten.

Datenrate

ITU-T-Standard SDH

ANSI-Standard SONET

Optical Carrier SONET

51,84 MBit/s

STM-0

STS-1

OC-1

155,52 MBit/s

STM-1

STS-3

OC-3

622,08 MBit/s

STM-4

STS-12

OC-12

2,488 GBit/s

STM-16

STS-48

OC-48

9,953 GBit/s

STM-64

STS-192

OC-192

39,813 GBit/s

STM-256

STS-768

OC-768

Tabelle 7.4: Die Daten und Spezifikationen der üblichen SDH und SONET-Implementie-rungen

Der grundlegende Typ, der von allen Standards gleichermaßen unterstützt wird, wird als STM-1 (155 MBit/s) bezeichnet, und alle weiteren Rahmentypen können aus diesem durch Zusammenfassung gebildet werden. Beispielsweise wird die Rate von 2,4 GBit/s durch den STM-4 Typ, der sich aus vier STM-1-Rahmen zusammensetzt, gebildet, und vier dieser STM4-Module führen dann zum STM-16-Rahmen.

Die Daten werden in einem sogenannten Container eingebettet, der die kleinste Transporteinheit (2 MBit/s) bei SDH darstellt. Zu jedem Container gehört ein POH (Path Overhead), der Angaben über die Struktur des Containers sowie Steuerinformationen bereitstellt. Die Multiplex-Information wird dem POH in drei Bytes als LOH (Line Over Head) vorangestellt, und die SOH-Information ist für die Steuerung der physikalischen Links -praktisch den jeweiligen Kanal - verantwortlich, deren Daten im SPE transportiert werden.

Sn

%

\

Abbildung 7.10: Der grundlegende SDH/SONET-Rahmen (STS-1) ist mehrdimensional, wobei die Daten stets sequenziell von links oben nach rechts unten übertragen werden.

POH plus Container wird als ein virtueller Container (VC) definiert. Mehrere Container können zu einer Transportgruppe (Tributary Unit Group: TUG) zusammengefasst werden, und mehrere davon führen dann zu einem VC höherer Ordnung. Daraus wird deutlich, dass SDH eine äußerst flexible, dynamische Bandbreitenzuteilung erlaubt und den Transport von unterschiedlichen Implementierungen wie ISDN oder auch eine zellenorientierte Übermittlungstechnik, wie sie für ATM angewendet wird, ermöglicht.

7.9 WAN-Anschlusstechniken

Der Zugang zum WAN, das dem Internet gleichzusetzen ist, erfolgt entweder per Modem, per ISDN-Adapter oder standardmäßig per ADSL. Viele PCs verfügen standardmäßig über eine geeignete Hardware, die für den Internetzugang eingesetzt werden kann - ein Modem, das gewissermaßen die einfachste, aber auch die langsamste Möglichkeit der Kommunikation darstellt. ISDN und ADSL bieten demgegenüber höhere Datenübertragungsraten. Allen drei Varianten ist gemein, dass sie die Verbindung zur »Außenwelt« per Telefonanschlussdose herstellen. Außerdem bieten einige Kabelnetzbetreiber auch einen Internetzugang per TV-Kabel an, wobei ein spezielles Modem (Kabelmodem) als Interface eingesetzt wird.

-4- 3 Bytes -- 87 Bytes -►

Synchronous OverHead - SOH

Path OverHead - POH

Synchronous Payload Envelope - SPE

Line OverHead - LOH

7.9.1 Modems

Die Bezeichnung Modem setzt sich aus den beiden Begriffen Modulator und Demodulator zusammen. Die vom PC gelieferten digitalen Informationen werden vom Modem in Schwingungen umgesetzt, wodurch die Spannung, mit der das analoge Telefonnetz arbeitet, moduliert wird. Beispielsweise entspricht eine »0« der Frequenz 2100 Hz und eine »1« der Frequenz 1200 Hz. Auf der Empfängerseite erfolgt dementsprechend der umgekehrte Vorgang - die Demodulation -, wobei gewissermaßen aus den »Tönen« wieder digitale Signale erzeugt werden. Die Modems arbeiten, im Gegensatz etwa zum ADSL-Verfahren, im Sprachband des üblichen Telefonnetzes.

Aktuelle Modems entsprechen dem V.92-Standard (ITU), der den jahrelang gültigen V.34-Standard ablöst, der maximal nur 33600 BPS (Bits Per Second) bietet. Das Verfahren der V.92-Modems basiert auf der Voraussetzung, dass der Internet-Provider einen digitalen Anschluss zum Internet verwendet und die Vermittlungsstelle, mit der der Anwender ganz allgemein kommuniziert, ebenfalls digitalisiert ist, was heute überall in Deutschland der Fall ist.

Geräte laut V.92 erlauben maximal 56000 Bit/s (56 kBit/s, daher mitunter auch manchmal 56k-Standard genannt), allerdings nur in der Richtung (Downstream) vom Host -dem Internet-Provider - zum Anwender hin und nicht auch umgekehrt. In der Upstream-Richtung sind maximal 48 kBit/s möglich, wenn das letzte Stück der Strecke (zum Anwender) ebenfalls digital kodiert wird und hier keine analogen Werte mehr zu transportieren sind, also keine Modulation mehr stattfinden muss. Gleichwohl gibt es nach wie vor Gebiete, wo dies nicht möglich ist, sodass aufgrund des eingeschränkten Frequenzbereiches (300-4000 Hz) des analogen Fernsprechnetzes nach wie vor die 33600 BPS laut dem V.34-Standard das Maximum darstellen.

Der Anschluss eines Modems erfolgt üblicherweise über die TAE-Dose (der Telekom). Zwei verschiedene Ausführungen dieser Buchsen sind anzutreffen:

■ TAE-F: für Telefone (F = fernsprechen)

■ TAE-N: für alle Endeinrichtungen außer Telefonen (N = nicht fernsprechen)

Auch wenn die Buchsen fast gleich aussehen, sind sie es dennoch nicht, da sie mechanisch so gefertigt sind, dass beispielsweise ein Telefon nicht in eine TAE-N-Buchse gesteckt werden kann. Die Kontaktbelegung beider Varianten ist in der Abbildung 7.11 angegeben.

Steckeranschluss N

Steckeranschluss F

4

zz

B

=

3

5 grün

1

braun 2

6 gelb

IT

weiss 1

4 gelb

grün 3

5

braun 2

6

weiss 1

Abbildung 7.11: Die Anschlüsse des TAE-N- und des TAE-F-Steckers. Die Kontakte 2 und 5 sowie 1 und 6 bleiben bei der TAE-N so lange überbrückt, bis ein Stecker eingesetzt wird.

Die TAE-Dosen sind intern derart verschaltet, dass das Amtssignal (1, 2) von Kontakt zu Kontakt durchgeschleift wird und sich der Telefonanschluss (TAE-F) am Ende dieser Kette befindet. Beim Einstecken eines Modems (auch Fax oder allgemein Endgerät) wird der Kontakt geöffnet, und ein Relais im Modem sorgt im nicht aktiven Zustand weiterhin für die Aufrechterhaltung der Verbindung, denn sonst würde das Telefon nicht mehr funktionieren. Erst wenn das Modem aktiviert ist, schaltet es sich »auf die Leitung«, und das Telefon ist abgeschaltet. Demnach ist entweder das Telefon oder das Modem aktiv, beides gleichzeitig funktioniert mit einer einzigen Amtsleitung nicht. Auf der Modemseite ist meist ein RJ11-Anschluss vorhanden, der wie eine verkleinerte Version des RJ45-Anschlusses aussieht, wie er für TP-Kabel verwendet wird.

Ein entsprechendes Relais für die Umschaltung befindet sich zwar meist in externen, jedoch selten in internen Modems und ohnehin nicht bei Notebooks mit Modemanschluss, was zur Folge hat, dass eine derartige Modemschaltung die Telefonverbindung unterbricht.

7.9.2 Kabelmodems

Die TV-Kabelnetze können Internetzugänge und auch Dienste wie VoIP (Kapitel 7.11) zur Verfügung stellen, wenn sie mit entsprechenden Rückkanälen ausgestattet sind, die es ermöglichen, dass Daten nicht nur zum Kunden hin, sondern von ihm zurückgesendet werden können.

Für den Rückkanal wird ein Teil des gebräuchlichen Frequenzspektrums abgetrennt, mit dem dann die Daten vom Kunden zum Anbieter (Upstream) hin übertragen werden. Traditionell gibt es diesen Rückkanal nicht, sodass entsprechende Geräte für die bestehenden Kabelnetze umzurüsten oder zu ergänzen sind. Der Frequenzbereich für den Internetzugang reicht bis 600 MHz, was dementsprechend auch für vorhandene Haus- und Gemeinschaftsanlagen zu berücksichtigen ist. Ältere Verstärker arbeiten nur bis 470 MHz und blockieren das Signal des Rückkanals. Die Kabelgesellschaften sehen bei der Umrüstung meist einen Bereich bis 862 MHz (UHF) vor.

■ Upstream: 5-65 MHz, hier liegen normalerweise die Fernsehkanäle 2, 3, und 4, die in das UHF-Band IV 470-600 MHz (Kanäle 21-26) verlegt werden.

■ Downstream: 520-580 MHz, dieser Bereich war bisher nicht belegt, im hieran anschließenden Bereich von 606-862 MHz werden zusätzliche Fernsehkanäle angeboten.

Bei dem Kabelnetz handelt es sich prinzipiell um ein Shared Medium, d.h., der Kunde teilt sich das Kabel bis zum Knotenpunkt des Providers mit 100 oder gar 1000 anderen Haushalten, was von den örtlichen Gegebenheiten abhängt. Bei DSL gibt es hingegen für jeden Kunden eine eigene Telefonleitung bis hin zur Vermittlungsstelle oder zu dem Übergabepunkt. Im Kabelnetz verfügt jeder Kanal mindestens über eine Bandbreite von 6 MHz, was für eine Datenrate von bis zu 39 MBit/s ausreicht und mit den zehn hierfür reservieren Downstream-Kanälen zu 390 MBit/s führt.

Je nach Angebot und Installationsumgebung können vom Kabelnetzbetreiber unterschiedlich hohe maximale Datenraten festgelegt werden. Beim Kunden ist für den Internetzugang eine Umrüstung notwendig, die auf Antrag von einem Techniker der Gesellschaft ausgeführt wird. Hierfür ist ein Austausch der TV-/Radio-Antennendose notwendig, die eine Trennung des Internet-Upstream-Ports von den üblichen Antennensignalen vornimmt. Die neue Dose verfügt demnach über einen dritten Anschluss (Data), der für einen F-Stecker vorgesehen ist, wie er auch in der Antennentechnik für Satellitenschüsseln gebräuchlich ist. Am Data-Anschluss der Dose wird ein spezielles Kabelmodem angeschlossen, welches über eine RJ45-Buche für ein übliches Netzwerkkabel und mitunter auch noch über einen USB-Anschluss verfügt. Im Prinzip funktioniert es wie ein DSL-Modem (mit QAM) und erlaubt daher auch ähnliche Datenübertragungsraten.

7.9.3 ISDN-Basisanschluss

Ein Modem arbeitet auf analoger Basis, während das Integrated Services Digital Network (ISDN) für die digitale Datenübertragung vorgesehen ist und gegenüber einem klassischen Modem eine schnellere (64 kBit/s), störungssicherere Übertragung sowie eine Reihe spezieller Dienste bietet, die von den unterschiedlichsten ISDN-Geräten sowie auch für Telefon oder Faxgerät verwendet werden können.

Um ISDN nutzen zu können, wird ein (digitaler) ISDN-Hausanschluss benötigt, wobei die gleichen Leitungen (der Telekom) wie bei der analogen Übertragung verwendet werden. Üblicherweise werden ISDN-Endgeräte direkt mit dem S0-Bus verbunden, der von einem NT (Netzwerk Terminator) zur Verfügung gestellt wird. Für den S0-Bus gilt, wie generell für Bussysteme, dass das erste und das letzte Gerät am Bus zu terminieren sind. Hierfür werden in den entsprechenden IAE-Dosen (ISDN Anschluss Einheit) jeweils zwei Widerstände von 100 Ohm zwischen den Klemmen 1a-1b und 2a-2b eingesetzt.

Abbildung 7.12: Die Kontaktbelegung der IAE und des Westernsteckers für ISDN

Die ISDN-Verbindungen werden mit Western-Steckern (RJ45) hergestellt, wie sie auch bei Netzwerkkarten üblich sind. Die Belegung der einzelnen Kontakte ist eindeutig genormt. In welcher Form der Stecker auf der anderen Seite - zum Endgerät hin - ausgeführt ist, kann jedoch prinzipiell unterschiedlich sein. Falls hier kein Western-Anschluss vorhanden ist, findet sich hier oftmals ein neunpoliger Anschluss, wie er auch für die RS232-Schnittstelle verwendet wird. Diese Belegung unterscheidet sich jedoch von Hersteller zu Hersteller, sodass immer das zur Karte mitgelieferte Kabel verwendet werden sollte.

Eine ISDN-Datenverbindung setzt voraus, dass auf der Gegenstelle dasselbe Verbindungsprotokoll arbeitet, und es gibt hierfür in Deutschland prinzipiell zwei: 1TR6 und E-DSS1. 1TR6 stellt das ISDN-Standard D-Kanal-Protokoll für Deutschland (Technische Richtlinie 6) dar, während E-DSS1 einer einheitlichen europäischen ISDN-Protokollauslegung (Euro-ISDN) entspricht. 1TR6 wird laut Telekom nur noch in Ausnahmefällen, etwa bei Nebenstellenanlagen in Firmen oder öffentlichen Institutionen, eingesetzt. Jeder ISDNAnschluss und die verwendeten ISDN-Geräte, die in den letzten Jahren angeschlossen worden sind, entsprechen E-DSS1.

Zur Überprüfung von ISDN-Anschlüssen gibt es spezielle Prüfgeräte, deren Anschaffung sich aufgrund der Preise nicht für den Privateinsatz lohnt, sodass man dafür am besten ein ISDN-Telefon verwendet. Wenn damit keine Verbindung zustande kommt, ist wahrscheinlich das Aderpaar (a1-b1, a2-b2) vertauscht.

ISDN-Adapter werden vom Betriebssystem her in den meisten Fällen wie Netzwerkkarten behandelt. Welche Einstellungen für den ISDN-Adapter im Einzelnen notwendig sind und welche Protokolle (X.75, T.70, T.90 V.120) außerdem benötigt werden, hängt vom jeweiligen Provider ab, der die Daten angibt. Als Standardprotokoll für den B-Kanal wird das High Level Data Link Control-Protokoll (P = HDLC) verwendet, und einstellbare Alternativen wären X[75], V[110] sowie D[etect]. Üblich ist HDLC bei den Internet-by-Call-Anbie-tern, während X.75 bei den Providern wie T-COM dominiert.

Abbildung 7.13: Das Anschließen einer ISDN-Einheit an den SO-Bus, der hier von einem ISDN-Telefon zur Verfügung gestellt wird.

7.9.4 Digital Subscriber Line - ADSL

Die Standardtechnologie für den Internet-Anschluss stellt ADSL dar, was für Asymmetrical Digital Subscriber Line steht. Das Prinzip von ADSL ist, dass man die analoge Signalübertragung - für die Sprache und die konventionelle Modemübertragung - unverändert lässt (im Bereich von 300-4000 Hz) und darüber (ab ca. 130 kHz) ein spezielles Modulationsverfahren (QAM, Quadrature Amplitude Modulation) einsetzt, welches wie bei einem konventionellen Modem in einer analogen Datenübertragung auf den Leitungen resultiert. Deshalb ist es möglich, ADSL an einem herkömmlichen, analogen Anschluss verwenden zu können. In der Abbildung 7.14 sind die Frequenzbänder angegeben, die laut dem ITU-Standard für POTS (Plain Old Telephone System, das herkömmliche Telefon), ISDN und ADSL verwendet werden.

Abbildung 7.14: Die genutzten Frequenzbänder für die Sprachübertragung sowie ISDN und ADSL

ADSL ist nur eine (asymmetrische) Variante des Digital Subscriber Line-Verfahrens. Asymmetrisch deshalb, weil die Datenübertragungsrate in Kunden- (downstream) und aus Kundenrichtung (upstream) unterschiedlich ist. Es gibt eine ganze Reihe anderer DSL-Implementierungen, was in allgemeiner Form als xDSL gekennzeichnet wird, wobei das »x« die jeweilige DSL-Technologie kennzeichnet. Es liegt im Ermessen des jeweiligen Anbieters, welche Datenübertragungsraten er anbietet. In der Tabelle 7.5 sind die bekannten Realisierungen mit ihren typischen Maximalwerten angegeben. Die Telekom hat im Jahre 2011 intensiv mit dem Ausbau der VDSL-Netze begonnen, wobei dem Privatkunden meist nur ADSL (und VDSL optional) angeboten wird.

Kürzel

Bezeichnung

max. Datenrate

max. Reichweite

HDSL

High Bitrate DSL

2 MBit/s

5 km

ADSL

Asymmetrical DSL

8 MBit/s (downstream) 0,2 MBit/s (upstream)

5 km

ADSL2+

Asymmetrical DSL Version 2

24 MBit/s (downstream) 1 MBit/s (upstream)

5,2 km

SDSL

Single Pair DSL

2 MBit/s

3,5 km

VDSL

Very High Bitrate DSL

52 MBit/s (downstream) 2,3 MBit/s (upstream)

300 m

Tabelle 7.5: Die bekannten xDSL-Varianten mit den wichtigsten Kenndaten

ADSL nutzt den Frequenzbereich bis 1 MHz (Abbildung 7.14), der in 256 einzelne Träger aufgeteilt ist, mit jeweils einer Nutzbandbreite von 4 kHz. Für die reine Datenübertragung bleiben 190 Träger übrig, weil einige für spezielle Aufgaben, wie etwa den Transport des Pilottons, notwendig sind. Hiermit erkennen ADSL-Modem und Gegenstelle (DSLAM), dass sie gegenseitig erreichbar sind. Die Datenübertragung findet anhand eines Verfahrens namens Discrete Multi-Tone Frequency Signal Modulation, kurz DMT, statt.

Zur Trennung der Telefon- von den Datenfrequenzen kommt ein sogenannter Splitter zum Einsatz. Am Splitter wird das Telefon angeschlossen, an einer anderen Buchse ein spezielles ADSL-Modem, das die Verbindung mit einem oder mehreren PCs (über einen Switch oder Router) herstellt. Die Leitung, die von der Vermittlungsstelle ins Haus gelangt, wird hier als Amtsleitung bezeichnet, auch wenn das Amt in der damaligen Form, als die Post das Monopol über sämtliche Telefonanschlüsse innehatte, nicht mehr existiert.

Seit Anfang des Jahres 2002 ist die Telekom nur noch für die Technik bis zum Splitter verantwortlich, d.h., der Kunde kann ein ADSL-Modem nach Wahl einsetzen, das oftmals mit einem Switch und/oder WLAN-Router in einem Gerät kombiniert ist. Die meisten DSL-Anbieter stellen die benötigte Hardware für die Vertragslaufzeit kostenlos zur Verfügung.

Die Schnittstelle zwischen dem Splitter und dem Modem firmiert unter der Bezeichnung UR2 (Universal Remote). Dieser Telekom-Standard beschreibt das Zusammenspiel eines DSL-Modems mit dem DSLAM (DSL Access Multiplexer) in der Vermittlungsstelle. Weiterentwicklungen von ADSL sind ADSL2 und ADSL2+, die sich zum ersten Standard als abwärtskompatibel darstellen. Geräte nach den neueren ADSL-Versionen können Störungen und Übersprechen durch eine Trennung von Modulation und Framing (Datenrahmen, Datentelegramm) besser begegnen.

Generell tauschen das ADSL-Modem und die Vermittlungsstelle beim »Trainieren« der Verbindung verschiedene Parameter über die Leitungsbeschaffenheit, die Trägerverfügbarkeit und die mögliche Datenrate aus. Daraufhin einigen sie sich auf synchronisierte Frames, die fortan den Kommunikationspfad bilden und die Nutzdaten transportieren. Falls später eine Störung bei den genutzten Trägern auftritt, gehen die Framestruktur und damit die Daten verloren, sodass daraufhin eine neue Trainingsphase einsetzen muss, falls die Fehlerkorrektur die Daten nicht wieder herstellen kann.

Bei ADSL2 sorgt das Verfahren der Seamless Rate Adaption dafür, dass sich die Kanalnutzung und die Datenrate bei auftretenden Störungen anpassen kann, ohne dass die Frames gestört werden und der Kommunikationspfad zum Erliegen kommt. Dadurch sind höhere Datenraten zu erreichen bzw. ADSL2 lässt sich dann als ADSL auch auf schlechteren Leitungen nutzen.

Weitere Neuerungen betreffen eine effizientere Kodierung sowie erweiterte Diagnosemöglichkeiten, was die Fehlersuche erleichtert, sodass ein Servicetechniker immer seltener beim Kunden erscheinen muss. Außerdem sind mit ADSL2 zusätzliche Stromsparmechanismen eingeführt worden, die in Abhängigkeit von der Aktivität arbeiten, also den Energiebedarf auf Minimum schalten, wenn längere Zeit keine Daten über das Modem übertragen wurden.

ADSL2+ erlaubt höhere Datenraten (24 MBit/s), wofür der Frequenzbereich auf 2,2 MHz verdoppelt wurde. Der Downstream- und der Upstream-Bereich können somit jeweils 1,1 MHz umfassen. Alle DSL-Zugänge, die mehr als 8 MBit/s bieten, entsprechen heutzutage üblicherweise ADSL2+. Weil diese Version abwärtskompatibel zu ADSL2 ist, gibt es hier keine Kompatibilitätsprobleme. Aktuelle ADSL-Modems unterstützen meist alle drei Versionen und lassen sich in der vom Provider zur Verfügung gestellten Verbindungsart verwenden.

Ein Splitter ist rein passiv aufgebaut und benötigt demnach keine Spannungsversorgung. Die Amtsleitung (Amt) führt in den Splitter hinein, und als Anschlüsse stehen auf der Frontplatte des Gerätes meist drei TAE-Buchsen zur Verfügung. Die Amtsleitung kann direkt auf die beiden Klemmen (Kontakte a, b) im Splitter geführt oder von einer vorhandenen TAE-Dose aus mit dem mitgelieferten Kabel auf die Anschlussbuchse (RJ11) gesteckt werden.

Abbildung 7.15: Anschlüsse eines Splitters

Das ADSL-Modem wird mit der RJ45-Buchse des Splitters verbunden, wofür das vorgesehene Kabel auf der einen Seite den RJ45-Stecker besitzt und auf der anderen Seite zum Modem hin einen RJ11-Stecker. Diese Bauweise soll einen Falschanschluss möglichst vermeiden, denn die DSL-Pakete sollen auch von einem Laien in Betrieb zu nehmen sein. Die Verbindung zwischen Splitter und ADSL-Modem führt nur zwei (UR2) Leitungen, es ist gewissermaßen die vom Sprachsignal abgetrennte Amtsleitung.

Abbildung 7.16: Die Verschaltung der ADSL-Installation, wobei ISDN optional ist. 298

Da ein ADSL-Modem über eine RJ45-Buchse, wie sie auch bei Netzwerkkarten gebräuchlich ist, verfügt, passt hier ein gewöhnliches Twisted Pair-Kabel (Patch-Kabel) hinein, mit dem die Verbindung zur Netzwerkkarte des PCs oder einem Switch/Router hergestellt wird.

ISDN-Geräte können an den TAE-Buchsen des Splitters nicht direkt verwendet werden, sondern es ist ein NTBA-Adapter (Abbildung 7.16) dazwischenzuschalten. Die ISDNGeräte können mit diesem Anschluss dann genauso betrieben werden, wie es im vorherigen Kapitel erläutert ist. Demnach ist DSL auch nicht als kompletter Ersatz für ISDN zu sehen, sondern eher als Ergänzung. Für die Internetbenutzung kommt DSL und für Dateitransfer oder Fax das ISDN zum Einsatz. ISDN stellt als leitungsorientierte Technik stets definierte Teilnehmer-zu-Teilnehmer-Verbindungen her, die als sicher betrachtet werden können, während DSL nur eine Verbindung zur Vermittlungsstelle bietet und keine direkten Verbindungen zu anderen DSL-Teilnehmern aufbauen kann.

7.9.5 Point-to-Point Protocol - PPP

Das Point-to-Point Protocol dient der Übertragung von Netzwerkprotokollen (z. B. TCP/ IP) über unterschiedlichste Verbindungen wie etwa den USB oder die serielle Schnittstelle (RS232). Es kommt insbesondere für serielle Verbindungen (zum Internet-Provider) mit einem Modem oder einem ISDN-Adapter zum Einsatz und gilt prinzipiell auf sämtlichen Plattformen (Windows, Linux, UNIX) als Standard. Für das Internet wird TCP/IP verwendet, während das Point-to-Point Protocol das eigentliche Verbindungsprotokoll darstellt.

Exkurs

Das Point-to-Point Protocol (PPP) legt ganz allgemein fest, wie zwei Computer über eine wie auch immer geartete Verbindung miteinander kommunizieren können. Die Computer einigen sich gewissermaßen über PPP über die Form des Datentransports. Daher verwenden (scheinbar) die unterschiedlichsten Anwendungen wie der Remote Access Service (RAS), die PC-Direktverbindung oder das DFÜ-Netzwerk das Point-to-Point Protocol, auf dem dann die unterschiedlichen Protokolle aufsetzen, wie das für die Internetanbindung notwendige TCP/IP.

Als Alternative dazu kann auch das Serial Line Internet Protocol (SLIP) zum Einsatz kommen, das den Vorläufer des PP-Protokolls darstellt und im Gegensatz dazu einige Einschränkungen aufweist, sodass es nur noch vereinzelt, insbesondere im UNIX-Bereich, eingesetzt wird. SLIP kann stets nur ein Netzwerkprotokoll transportieren und bietet weder eine Fehlerkorrektur noch eine Komprimierung der Daten, sodass dem PPP der Vorzug zu geben ist, zumal es mittlerweile auch von jedem Provider unterstützt wird.

Eine sicherere Verbindung über öffentliche Netze bietet die Weiterentwicklung vom PPP, das Point-to-Point Tunneling Protocol (PPTP). Der logische Zusammenschluss mehrerer LANs (beispielsweise einer Firma) führt zu den sogenannten Virtuellen Privaten Netzwerken (VPN: Virtual Private Networks, Kapitel 7.10), dem bevorzugten Einsatzgebiet des PPTP.

7.10 Virtual Private Network - VPN

Mit der VPN-Technik wird es ermöglicht, eine Verbindung zwischen einem Home-Office und einem Firmennetzwerk herzustellen (Site-to-End) oder auch ganze Unternehmensstandorte miteinander zu koppeln (Site-to-Site). Hierfür wird über das Internet ein gesicherter Tunnel zwischen den Teilnehmern aufgebaut, der einen abhörfreien Datentransfer ermöglicht.

Der Vorteil gegenüber den klassischen WAN-Lösungen mit Standleitungen (Frame-Relay, ATM, ISDN) ergibt sich durch die weitaus geringeren Kosten, weil mit einem VPN das Internet als Verbindungsmedium genutzt wird. Als Nachteile können längere Paketlaufzeiten, der Aufwand für die rechenintensive Verschlüsselungstechnik und die mitunter etwas umständlichere Handhabung mit der notwendigen Software und deren sichere Konfigurierung angesehen werden.

Die häufigste VPN-Anwendung ist der Zugriff von Mitarbeitern, die momentan mit ihren Laptops oder auch anderen webfähigen Endgeräten unterwegs sind, auf firmeninterne Daten. Hierfür wird auf den mobilen Geräten Software in Form eines VPN-Clients und auf der Seite zum Firmennetz hin ein VPN-Server benötigt.

Als Verschlüsselungsprotokolle für VPN sind TLS (Transport Layer Security), das unter der Bezeichnung SSL (Secure Sockets Layer) eher bekannt ist, und IPsec (Internet Protocol Security) üblich. TLS bzw. SSL arbeitet auf der Transportschicht (Layer 4) und IPsec auf der Internet-Schicht (Layer 3). Daneben sind für VPNs noch das klassische PPTP (Point-to-Point Tunneling Protocol, Layer 2) sowie L2TP, das Layer 2 Tunneling Protocol, einsetzbar.

7.10.1 PPTP-Tunnel

Der Aufbau eines Tunnels mit dem PPTP ist ohne zusätzliche Software mit allen aktuellen Betriebssystemen möglich, indem eine VPN-Verbindung mit dem entsprechenden Assistenten angelegt wird. Dies gilt gleichermaßen für Smartphones (Android, iPhone) und Tablets, weil PPTP auch hier standardmäßig unterstützt wird (Option: PPTP-VPN hinzufügen).

Abbildung 7.17: Eine VPN-Verbindung mit dem Point-to-Point Tunneling Protocol

Damit der VPN-Server von außen erreichbar ist, muss er eine im Internet gültige IP-Adresse aufweisen, sodass für typische ADSL-Verbindungen - wo vom Provider bei jeder Einwahl eine andere IP-Adresse zugeteilt wird - ein Eintrag bei einem DynDNS-Server (vgl. Kapitel 6.9.1) notwendig ist. Als VPN-Server wird typischerweise der Router (ADSLModem) des LANs oder ein hierfür vorgesehener PC eingesetzt. Ab Windows 2000 ist zwar ein VPN-Server integriert, der jedoch nur eine einzige VPN zurzeit erlaubt, sodass zusätzliche Software oder aber eine Windows-Server-Version als VPN-Server einzusetzen ist.

Das PPTP schließt die zu verwendenden Protokolle (meist TCP/IP) im Inneren eines PPP-Paketes ein, was als Tunneling bezeichnet wird. Dabei sorgt das Extensible Authentification Protocol (EAP) für eine Authentifizierung der VPN-Teilnehmer durch bestimmte Schlüssel, Zertifikate oder auch Smartcards, was zu einem besseren Schutz gegenüber Hackerangriffen und dem Ausspionieren von Passwörtern führt. Gleichwohl gilt PPTP nicht als so sicher wie IPsec. Dem steht jedoch die Komplexität der IPsec-Konfigurierung gegenüber.

7.10.2 IPsec-Tunnel

IPsec arbeitet, wie es die Bezeichnung impliziert, auf IP-Ebene, sodass hiermit beispielsweise ein Heimnetzwerk mit dem Netzwerk der Firma verbunden werden und der Anwender von zu Hause aus wie gewohnt mit seinen Firmendaten und Anwendungen arbeiten kann. Bekannte IPsec-Clients für VPNs stammen von TheGreenBow (Abbildung 7.18) und NCP Communication, die es auch als zeitlich limitierte, kostenlose Versionen gibt, und Windows 7 bringt auch selbst einen IPsec-Client mit.

Der IPsec-Standard steht im Ruf, schwierig in der Konfiguration und im Betrieb zu sein. Schuld daran ist zum größten Teil die hohe Komplexität des Schlüsselaustausch-Protokolls IKE. Die Version 2 des Internet Key Exchange-Protokolls (IKEv2) ist definiert worden, um das Aufsetzen von VPNs einfacher, flexibler und weniger fehleranfällig zu gestalten.

Die jeweiligen IPsec-Konfigurationen unterscheiden sich zwischen den verschiedenen Systemen und Routern sehr stark voneinander. Idealerweise wird vom Hersteller des Routers ein spezielles Setup-Programm geliefert, das die Parametereinstellung erleichtert. Eine IPsec-Verbindung ist in zwei Phasen aufgeteilt. In der ersten handeln die beiden Verbindungspartner die Verschlüsselungsvereinbarung und die Authentifizierung aus. In der zweiten Phase wird neues Schlüsselmaterial ohne den Einbezug von vorherigen Schlüsseln erzeugt.

Das Internet Key Exchange-Protokoll (IKE) definiert dabei, wie Sicherheitsparameter vereinbart und gemeinsame Schlüssel ausgetauscht werden sollen. Auf welcher Methode die Verschlüsselung basiert, lässt sich meist noch separat festlegen, wobei hier mindestens 3DES (Data Encryption Standard) verwendet werden sollte. Nicht selten scheitert der Verbindungsaufbau wegen minimaler Einstellungsunterschiede auf den Endgeräten. Deshalb ist es sehr hilfreich, wenn sich der jeweilige Status der Verbindungen in den verschiedenen Phasen im Router und/oder in der Setup-Software ablesen lässt. Grundsätzlich kann zwischen zwei unterschiedlichen Verbindungsvarianten unterschieden werden: Side-to-End und Side-to-Side.

TheGreenBow VPN Client

wmm

1 Datei VPN Konfiguration Anzeigen Tools ?

H

TH E GR EEH BOLLI

IPSec VPN Client

Konsole (3} Parameter ^ Veibindungen

Phase 1 (Authentisierumg)

Name (Phsse 11 ¡CwVpnZ

IPSec Getew^ Adresse |223 23.131

Interface | Automatisch

E ^ Konfiguration g£ CrixVpn2

Preshared Key

Bestätigen
f* ZeilifikatE Zervikal Verwaltung

PI Mehr...

Tunnel :

Verschlüsselung |30ES ~ Autlientisierung |SHA » Schüssel |OH1024

Regeln anwenden |

I 1 VPN betriebsbereit

Abbildung 7.18: Konfigurierung der IPsec-VPN-Verbindung mit einem VPN-Client

Site-to-Site

Verbindet zwei Netzwerke miteinander, beispielsweise das lokale Netzwerk einer Hauptstelle mit dem lokalen Netzwerk einer Filiale. Die Authentifizierung wird dabei entweder über einen Preshared Key (PSK) vorgenommen, wofür ein Kennwort eingesetzt wird, das beiden Verbindungspartnern bekannt ist. Oder aber es erfolgt eine Authentifizierung per Zertifikat. Hierfür gibt es standardmäßig zwei verschiedene Internet Key ExchangeMethoden (IKE Version 1, IKE Version 2), die zum Einsatz kommen können.

Site-to-End

Verbindet einen oder mehrere einzelne Computer oder allgemein internetfähige Endgeräte mit einem lokalen Netzwerk. Die Verbindung wird entweder mithilfe eines sogenannten Native IPsec-Clients oder mit dem Layer 2 Tunneling Protocol aufgebaut (L2TP). L2TP ist die Kombination aus PPT- und L2F-Protokoll. Die Authentifizierung kann dabei wie bei Side-to-Side entweder über einen Preshared Key (PSK) oder mit einem Zertifikat vorgenommen werden, wofür ebenfalls IKE Version 1 und IKE Version 2 genutzt werden können. Beim Einsatz des Layer 2 Tunneling Protocol (L2TP) ist IPsec zwangsläufig notwendig, weil L2TP selbst nicht über Authentifizierungs-, Integritäts- und Verschlüsselungsmechanismen verfügt. Authentifizierungsmethoden stehen auch hier wieder per Preshared Key (PSK) oder per Zertifikat (mit IKE Version 2) zur Verfügung.

Exkurs

Im Allgemeinen empfiehlt es sich, für die Verbindung von Standorten - etwa Niederlassungen einer Firma - IPsec einzusetzen.

Je mehr feste Standorte mit einem VPN zu verbinden sind, desto eher bietet sich eine IPsec-Lösung an, da sie für den Verkehr zwischen zwei festen Punkten im Internet eine bessere Performance bietet, etwa für Remote-Standorte, die auf das gesamte Firmen-LAN zugreifen müssen.

Abbildung 7.19: Verwaltung von VPN-Verbindungen einer Firma Zertifikate

Um eine Authentifizierung mithilfe von Zertifikaten durchzuführen, sind zunächst welche zu erzeugen. Ein Zertifikat ist eine Identitätsbescheinigung, die eine digitale Signatur enthält sowie einige Angaben über den Inhaber. Zertifikate werden mit einer Certification Authority (CA) - auch als Stammzertifikat bezeichnet - signiert, um ihre Echtheit zu garantieren. Für VPN-Verbindungen ist es möglich, eigene CA-Signaturen zu erstellen, um damit selbst erstellte Zertifikate signieren zu können, die dann an die Benutzer, die sich per VPN verbinden wollen, verteilt werden.

Die per Betriebssystem oder auch per Appliance (Router, Firewall) erzeugten CAs und Zertifikate werden meist im PEM-Format oder auch im PKCS #12-Format exportiert, damit sie den Clients zur Verfügung gestellt werden können. Windows 7 verfügt erstmalig über einen integrierten IPsec-Client und benötigt standardmäßig ein ausgestelltes Zertifikat im PKCS #12-Format, um mit einer Appliance ein VPN schalten zu können.

7.10.3 SSL-Tunnel

Für den Aufbau einer SSL-basierten VPN-Verbindung ist keine spezielle Client-Software wie bei der Verwendung von IPsec notwendig. Der hauptsächliche Unterschied zwischen IPsec- und SSL-VPNs besteht in der Authentifizierung und der Verschlüsselung. Während IPsec-VPNs eine hohe Flexibilität durch verschiedene Verschlüsselungsstufen und die integrierte Authentifizierung über Zertifikate bieten, können SSL-VPNs übliche Webbrowser verwenden und bieten nur eine Verschlüsselungsoption. Der Vorteil ist aber offensichtlich, denn damit können alle möglichen Endgeräte, die internetfähig sind, einfach mit ihrem jeweiligen Browser auf den SSL-fähigen Webserver per https (statt per http) zugreifen. Ein Zertifikat (siehe vorherigen Abschnitt) ist demnach notwendig.

Exkurs

VPNs mit SSL lassen sich einfacher konfigurieren und betreiben als VPNs mit IPsec. Für Anwender, die lediglich einen Zugriff auf ihr Heim- oder Firmennetzwerk benötigen, ist wegen seiner einfacheren Verwaltung und Handhabbarkeit ein VPN mit SSL zu bevorzugen.

Secure Socket Layer (SSL) arbeitet im Transport Layer (4) und kann standardmäßig nur auf Webinhalte, nicht jedoch auf die Dateiebene eines LANs zugreifen. Abhilfe würde hierfür ein VPN-Server schaffen, den der Anwender dann per Remote File Access nutzen kann. Grundsätzlich kann aber auch mit SSL ein vollwertiges VPN-Verhalten erreicht werden, wenn im Router oder in einer separaten Firewall (UTM-Appliance) ein passendes Regelwerk für den Zugriff auf das dahinter liegende LAN angelegt werden kann.

7.11 Voice over IP

Im ersten WAN-Kapitel ist die Entwicklung des analogen leitungsvermittelnden Fernsprechnetzes hin zum digitalen paketvermittelnden Datennetz kurz beschrieben. Mittlerweile ist das Volumen des Datenverkehrs um ein Vielfaches höher als das des Telefonverkehrs. Deshalb erscheint ein Ausbau des Fernsprechnetzes kaum sinnvoll, sondern die Integration desselben neben den Datendiensten in die paketvermittelnden Datennetze. Die Sprachübertragung über IP-Netze wird als Voice over IP (VoIP) oder auch IP-Telefo-nie bezeichnet, was die vorhandenen Telefonnetze letztendlich überflüssig machen wird, wenn die Entwicklung wie angedacht fortschreitet.

Für neue Telefonanschlüsse wird bereits seit geraumer Zeit von den meisten Betreibern eine VoIP-Verbindung statt einer Telefonleitung geschaltet, wobei die VoIP-Sprachüber-tragung nicht selten schlechter ist als bei einem herkömmlichen Telefonanschluss. Als Argument für VoIP wird oftmals das Einsparungspotenzial genannt, weil nur noch ein IP-Netz und kein parallel arbeitendes Telefonnetz verlegt, eingerichtet und gewartet werden muss.

7.11.1 Der H.323-Standard

Die Basis für Voice over IP wurde 1996 mit dem Standard H.323 der ITU-T gelegt. Hier werden die notwendigen Komponenten und Protokoll-Stacks für die Sprachübertragung über IP beschrieben. Als Komponenten werden Terminals, die Endgeräte wie IP-Telefone und PCs mit Mikrofon und Lautsprecher darstellen, definiert sowie Gateways, die als Einheiten zur Protokollumsetzung zwischen einem H.323-Netz und einem anderen wie Public Switched Telephone Network (PSTN) oder IDSN fungieren. Optional ist ein Gatekeeper vorgesehen, der als zentrale Komponente für die Zugriffskontrolle und Verbindungssteuerung zuständig ist sowie eine Multipoint Control Unit (MCU) zur Unterstützung von Multipoint-Konferenzen. Der Gatekeeper registriert die einzelnen Komponenten und fasst sie zu einer H.323-Zone zusammen.

Die Protokoll-Stacks können in die grundlegenden Typen für das Terminal Control and Management und solche für Audio- und Videoanwendungen (Media Control) separiert werden. Die RAS-Steuerung (Registration, Admission, Status) wird für die Signalisierung zwischen den Endgeräten und dem Gatekeeper eingesetzt, wobei UDP (Kapitel 6.2) verwendet wird. Unter Signalisierung wird die Übermittlung der Steuerung verstanden, was bei den klassischen Telefonnetzen (analog, ISDN) dem Aufbau und dem Abbau der Verbindung entspricht, wofür ein Protokoll verwendet wird. Beispielsweise ist bei ISDN das D-Protokoll als Signalisierungsprotokoll zuständig.

RAS wird neben dem Call Signaling, was für den Auf- und Abbau der virtuellen Verbindungen mit TCP zuständig ist, in H.225 definiert. Definitionen für den Parameteraustausch und die Flusssteuerung werden unter Control Signaling nach H.245 geführt.

Multimedia Applications, User Interface

Applications

Media Control

H ,225,0 H.245
call Control Signaling Signaling

Terminal Control and Management

(Modem) (Multimedia)

UDP TCP TCP/UDP

Abbildung 7.20: Der Protokoll-Stack für H.323

Zur Digitalisierung von Audio- und Video-Daten werden zahlreiche Audio- und VideoCODECs (Coder/Decoder) definiert wie ITU-T G.711 (PCM), G.726 (ADPCM) oder H.261 (DCT), um die analogen Signale beim Sender umzusetzen und zu kodieren, die dann beim Empfänger wieder dekodiert und in analoge Signale zurückgewandelt werden können.

Für die Übertragung der Sprachsignale und ggf. der Videosignale über eine virtuelle Verbindung wird das Real Time Transport Protocol (RTP) eingesetzt, das vom Real Time Control Protocol (RTCP) unterstützt wird. RTP arbeitet als reines Transportprotokoll ohne Quittierung. Der Empfänger kann dem Sender also nicht mitteilen, ob die Sprache und/ oder das Video als IP-Paket (vollständig) angekommen sind. Deshalb wird RTCP parallel zu RTP eingesetzt, um hiermit Informationen (Statusmeldungen) in Form von Berichten (Reports) zwischen Empfänger und Sender auszutauschen.

Weil die Audio- und Videoübertragungen eine bestimmte Echtzeitanforderung voraussetzen und eine dementsprechende Bandbreite benötigen, wird die Einhaltung von QoS (Quality of Service) gefordert, was ebenfalls mithilfe vom RTCP realisiert wird. Beide Protokolle sind in ihrer aktuellen Fassung in RFC 3550 standardisiert.

Eine Weiterentwicklung davon sind diese Protokolle in »sichereren Versionen« (Secure RTP, Secure RTCP), die das Abhören und Manipulieren erschweren sollen und in RFC 3711 aus dem Jahre 2004 festgelegt sind. Als Applikationen sind in der Abbildung unter Data Applications drei Beispiele angeführt, die Fax- und Multimediaanwendungen (Conferencing) über IP abwickeln können.

-TCP/UDP TCP

7.11.2 Session Initiation Protocol - SIP

Der Standard H.323 ist umfassend und recht komplex, sodass eine einfachere Möglichkeit für die IP-basierte Sprachkommunikation unter der Bezeichnung Session Initiation Protocol (SIP) entwickelt wurde. Der ursprüngliche Vorschlag für SIP stammt von der Internet Engineering Task Force (IETF). Er ist in RFC 3261 aus dem Jahre 2002 spezifiziert und verwendet ebenfalls die Protokolle RTP und RTCP sowie die spezifizierten CODECs.

Das SIP ersetzt die Signalisierung mit den drei Stacks (H.255, H.245) unter Terminal Control and Management durch das eigene Session Description Protocol (SDP). Die Kommunikation erfolgt dabei gemäß einem Peer-to-Peer-Netz über http-Nachrichten.

Auch wenn SIP seit nunmehr zehn Jahren eingesetzt wird und sich gegenüber H.323 durchgesetzt hat, kann hier nicht von einem allgemeingültigen Standard ausgegangen werden, denn RF 3261 lässt den Entwicklern einen großen Freiraum, was deshalb zu zahlreichen herstellerspezifischen Implementierungen führt, die nicht ohne Weiteres eine Kompatibilität zu Einheiten anderer Hersteller ermöglichen. Während die ITU darauf achtet, dass die Standards auch eingehalten werden, ist dies bei der ITEF, die sich mit den unterschiedlichsten Themen für die Weiterentwicklung des Internet auseinandersetzt, nur bedingt der Fall. Die ITEF versteht sich als eine offene, internationale Vereinigung von Anwendern, Technikern, Netzbetreibern und Herstellern, weswegen Letztere ihre eigenen Vorstellungen betreffs SIP relativ leicht durchsetzen können.

SIP ist trotz der möglichen Kompatibilitätsprobleme die häufigste VoIP-Implementierung im geschäftlichen und professionellen Bereich. Den Mängeln in der SIP-Interoperabilität versucht das SIP-Forum (www.sipforum.org) entgegenzuwirken, das mit SIPconnect eine eigene Empfehlung erarbeitet hat.

7.11.3 Anschluss und Verbindungen

Der Anschluss eines VoIP-Telefons kann direkt an ein LAN erfolgen, das per xDSL mit dem Internet verbunden ist. Prinzipiell ist es möglich, dass keine Internetverbindung für die VoIP-Telefonie hergestellt wird, sodass die VoIP-Telefone dann nur untereinander im LAN miteinander kommunizieren können. Anrufe nach »draußen« erfolgen in dem Fall über eine Telefonzentrale, die eine Verbindung mit dem klassischen Telefonnetz herstellt.

Wie es bei Netzwerk-Clients üblich ist, wird auch bei einem VoIP-Telefon eine im LAN gültige IP-Adresse und Subnet-Maske zur Einstellung verlangt, wenn kein DHCP zum Einsatz kommt. Für die Einwahl (in das Internet) ist die Adresse eines Providers anzugeben, der in diesem Zusammenhang oftmals als Registrar bezeichnet wird.

Im Privatbereich kann eine VoIP-Verbindung recht einfach mit einem Router hergestellt werden, etwa mit einer FRITZ!Box (7270) der Firma AVM. Das bestehende Telefon (analog, ISDN, DECT) ist hierfür lediglich an den Router anzuschließen, der ohnehin per ADSL oder VDSL mit dem Internet verbunden ist.

Abbildung 7.21: VoIP-Installationen für die private Nutzung und kleine Büros sowie für Unternehmen

Um über VoIP entsprechende Verbindungen mit konventionellen Telefonen und Mobiles herstellen zu können, bieten verschiedene Provider im Internet entsprechende Dienste, inklusive realer Telefonnummern, an. Dabei wird für jedes VoIP-Gerät ein eigener Account benötigt, wenn keine »vermittelnde« Telefonanlage (s. o.) zum Einsatz kommt. Bei einer durchgängigen IP-Lösung, wo es diese Telefonanlage nicht gibt, wird stattdessen eine Technik mit der Bezeichnung SIP Trunk eingesetzt, die es ermöglicht, dass nur mit einem einzigen Zugangs-Account viele Rufnummern verwaltet werden können.

Für VoIP sind demnach verschiedenste Implementierungen möglich, um IP-Telefonie zu betreiben und internetbasiert Sprache und Video für Gespräche oder Konferenzen weltweit übertragen zu können. Die passenden Telefonanlagen und Endgeräte können auch in (bestehende) IT-Infrastrukturen auf Servern und Computern mit den notwendigen Router- und Gateway- sowie Client-Funktionen integriert werden. Von Microsoft wird hierfür Lync-Server angeboten, der die Basis für entsprechende Audio-/Video- und VoIP-Funktionalitäten über eine einheitliche Oberfläche auf dem Server und für unterschiedlichste stationäre und mobile Endgeräte bietet.

Als Open-Source-Lösung ist Asterisk zu nennen. Diese freie Software bietet die Funktionen einer Telefonanlage mit VoIP und unterschiedlichen Protokollen, wobei das zu verwendende spezielle Protokoll InterAsterisk eXchange (IAX) ebenfalls unter Open Source fällt. Neben der freien Software werden Asterisk-basierte Endgeräte und Telefonanlagen
angeboten, sodass sich diese VoIP-Lösung sowohl für die private als auch die geschäftliche Nutzung eignet und sich mit der passenden Software auch flexibel an die eigenen Bedürfnisse anpassen lässt.

7.11.4 Skype

Eine völlig andere Umsetzung als H.323, SIP oder Asterisk bietet die Firma Skype an. Hierfür ist lediglich die kostenlose Software auf einem PC zu installieren, an den noch ein Headset für die Kommunikation und optional eine Web-Kamera anzuschließen ist. Für andere Plattformen wie Tablets und Smartphones (iOS, Android) ist die passende Skype-Software ebenfalls verfügbar. Skype funktioniert ausschließlich über das Internet und verwendet dabei ein herstellereigenes Protokoll, welches keinem Standard entspricht und auch nicht öffentlich dokumentiert ist.

Abbildung 7.22: Skype ist auch für Smartphones verfügbar, sodass per WLAN kostenlose Gespräche geführt werden können.

Skye arbeitet nach dem Peer-to-Peer-Prinzip (FastTrack), wie es die beiden Gründer der Firma (Niklas Zennström, Janus Fiis) bereits mit der Filesharing-Software/Tauschbörse Kazaa praktiziert haben. Dabei gibt es keinen zentralen Server, sondern einige Computer werden automatisch zu Knotenpunkten für das Netzwerk (Supernodes), über die die

Kommunikation dann stattfindet. Diese Funktionalität ist in der Skype-Client-Software eingebaut sowie eine Liste mit bestimmten Supernodes, die auch untereinander kommunizieren, um die gewünschte Verbindung herstellen zu können. Inwieweit der eigene Computer für den Aufbau und die Indexierung von Skype-Verbindungen zum Einsatz kommt, bleibt jedoch verborgen.

Jeder Skype-Benutzer wird durch einen spezifischen Key authentifiziert, der bei der Installation automatisch generiert worden ist. Die Verbindung wird mit AES 256 verschlüsselt, was prinzipiell als sicher angenommen werden kann, obwohl eben nicht bekannt ist, wie Skype mit den Daten genau umgeht.

Skype wird in vielen Unternehmensnetzwerken nicht zugelassen, weil die eingesetzte Technik von den Verantwortlichen als sicherheitstechnisch fragwürdig eingestuft und davon abgeraten wird, sie im professionellen Umfeld einzusetzen. Da Skype mit den üblichen http-Ports arbeitet, unterscheidet es sich prinzipiell nicht vom üblichen InternetDatenverkehr und wird deshalb von Firewalls auch nicht ohne Weiteres geblockt.

Exkurs

Im professionellen Umfeld wird Skype als Sicherheitsrisiko eingestuft, einerseits weil nicht bekannt ist, welche lokalen Daten Skype ermittelt und wie es mit den Daten umgeht, andererseits weil Computer im eigenen LAN unbemerkt als Super-nodes fungieren können, was einen nicht unerheblichen Netzwerkverkehr zur Folge haben kann.

Die Benutzung ist zwischen zwei Skype-Partnern, die die passende Software auf ihren Endgeräten installiert haben müssen, kostenlos. Kostenpflichtig sind hingegen Gespräche zwischen Skype-Benutzern und Teilnehmern am Fest- oder Mobilfunknetz (SkypeOut), was über Skype als Provider entsprechend vermittelt werden kann. Skype ist mittlerweile eine Tochterfirma von Microsoft.

Kapitel 8

Die mobile Kommunikation beschränkt sich nicht nur auf die Sprache, sondern im stark zunehmenden Maße auf den Datenverkehr, und das sowohl für den betrieblichen als auch den privaten Einsatz. Insbesondere durch die Verbreitung von Smartphones und mobilen Endgeräten wie Netbooks und Tablet-PCs ist der Bedarf für das Mobile Internet gestiegen, sodass die bestehenden Mobilfunknetze bereits an ihre Kapazitätsgrenzen gelangen und die Betreiber rasch in neue Technologien investieren müssen. Ein typisches Youtube-Video, welches auf ein Smartphone geladen wird, benötigt so viel Netzkapazität wie eine halbe Million SMS-Nachrichten, was diesen Umstand etwas verdeutlichen mag, denn ursprünglich sind die Mobilfunknetze für die Sprachkommunikation entwickelt worden, und das Versenden der Kurznachrichten gemäß dem Short Message Service (SMS) war jahrelang die einzige Datenanwendung.

Die mobilen Netze können wie die drahtgebundenen Festnetze zunächst den leitungsvermittelnden Netzen zugerechnet werden, die auch als Circuit Switched Networks bekannt sind. Statt ein komplett neues System zu entwickeln, wurde für die mobilen Netze auf die bereits vorhandenen Systeme der Festnetztechnik wie die Vermittlungsstellen und die WAN-Technik (SDH, Sonet) zurückgegriffen und nur die Technik für den Teilnehmeranschluss neu entwickelt. Hierfür ist eine Mobilitätskomponente notwendig, die die Eigenschaften eines mobilen Benutzers berücksichtigt, der in unterschiedlichen begrenzten geografischen Gebieten über verschiedene Vermittlungsstellen Gespräche führen und dabei auch seinen Aufenthaltsort ändern kann.

8.1 Analoge Mobilfunknetze - 1G

Das erste Mobilfunknetz in Deutschland war das analoge A-Netz, das von 1958 bis 1977 betrieben wurde und mit einer Handvermittlung arbeitete. Die kastengroßen schweren Geräte wurden als Autotelefone eingesetzt und kommunizierten mit fest installierten Stationen des Fernsprechnetzes. Um einen Pkw per A-Netz zu erreichen, musste der ungefähre Aufenthaltsort bekannt sein, damit das Autotelefon anzuwählen war. Ab 1972 bis 1994 war das B-Netz im Betrieb, das erstmalig eine Selbstwahl erlaubte und von ca. 27000 Teilnehmern genutzt wurde.

Ab dem Jahre 1986 bis 2000 konnte das nachfolgende C-Netz bis zu 800.000 Teilnehmer verzeichnen. Es setzte erstmalig Zellularfunk ein und ermöglichte eine Lokalisierung des mobilen Teilnehmers, der sich über Funkzellen hinweg bewegen durfte, ohne dass eine neue Verbindung initiiert werden musste.

Mit Zellularfunk, der die Grundlage der darauffolgenden Mobilfunknetze sowie auch der Wireless LANs bildet, wird eine Technik bezeichnet, die mit Funkzellen arbeitet. Dabei wird eine räumliche Zelle abgebildet, also ein Gebiet mit der jeweiligen Funktechnik abgedeckt, wie es auch im Kapitel über die WLANs erläutert ist. Ein Mobilfunkteilnehmer muss sich demnach innerhalb einer Funkzelle befinden, um telefonieren zu können. Aktuelle Funkzellen haben Reichweiten von einigen 100 m in Städten und bis zu 30 km auf dem Land.

Abbildung 8.1: Mit den Geräten für das C-Netz sind die Autotelefone mobil geworden.

Die Flächenabdeckung des C-Netzes war bereits als recht gut zu bezeichnen, und es gab erstmals eine einheitliche Vorwahl für die Telefone, die den Übergang vom reinen Autotelefon zum Mobilfunktelefon markierten. Wie bei den vorhergehenden Netzen wird die Sprache auch im C-Netz analog übertragen, die Vermittlungs- und Steuerungsinformationen hingegen digital.

8.2 Global System for Mobile Communications -GSM

Der erste europäische Mobilfunkstandard wurde im Jahre 1990 von der ETSI veröffentlicht, der von der Groupe Spécial Mobile (GSM) in Abstimmung mit der CEPT als Organisation für die europäische Abstimmung der Telekommunikation erarbeitet wurde. Das später als Global System for Mobile Communications - kurz als GSM - bezeichnete System hat sich weltweit als führender Mobilfunkstandard etabliert. GSM wird zur zweiten Mobilfunkgeneration (2G) gerechnet, die digital arbeitet und in Deutschland seit 1992 existiert. Die D1- und D2-Netze waren dabei die ersten Versionen, und ab 1994 folgten die E-Netze (E1, E2). Die D-Netze arbeiten bei 900 MHz und die E-Netze bei 1800 MHz.

In der Bundesrepublik gibt es zurzeit vier GSM-Mobilfunknetze:

■ D1: T-Mobile (Telekom)

■ D2: Vodafone

■ E+: Base E-Plus Service GmbH

■ E2: O2 Germany

Die Betreiber der Mobilfunknetze bieten unterschiedliche Flächenabdeckungen, Tarifstrukturen und Roaming-Möglichkeiten für das Telefonieren im In- und Ausland. Jedes mobile Endgerät verfügt über eine SIM-Karte (Subscriber Identity Module), auf der Daten für die Teilnehmeridentifizierung sowie für den Betrieb abgespeichert sind.

8.2.1 Funkschnittstelle

Die technische Basis der Funkschnittstelle oder Luftschnittstelle bilden die streng regulierten Funkfrequenzen, wobei sowohl ein Zeitmultiplexing als auch ein Frequenzmulti-plexing stattfindet und getrennte Frequenzbereiche für den Uplink und für den Downlink eingesetzt werden, was als Frequency Division Duplex (FDD) bezeichnet wird.

GSM-900

960 MHzl Kanal | | 124 |

Downlink j j j

935 MHz| Kanal I I 1 I

124 Kanäle jeweils 200 kHz

915 MHz| Kanal | | 124 |

Uplink

890 MHz| Kanal | | 1 |

TDMA-Rahmen | 0 | -] |2 | 3 | 4| 5 |6 bl 8TDMA-Kanäle ..."

GSM-Zeitschlitz .........

Ein Kanal f Data-Bits, Flags, Synchronisation | 33,9 kBit/s

124 Kanäle jeweils 200 kHz

Abbildung 8.2: GSM arbeitet mit Frequenz- (FDMA) und Zeitmultiplexing (TDMA).

Diese beiden Frequenzbereiche werden jeweils per Frequency Division Multiple Access (FDMA) in 124 Frequenzkanäle mit einer Bandbreite von 200 kHz aufgeteilt. Jeder Kanal wird mit Time Division Multiple Access (TDMA) in TDMA-Rahmen aufgespaltet, wobei jeder Rahmen aus acht Zeitschlitzen für acht logische Kanäle besteht. Jeder Zeitschlitz (Normal Burst) beträgt 577 ps und enthält 156,25 Bit, wovon 114 Bits für die eigentlichen Daten und die übrigen für Bits für die Fehlererkennung und die Synchronisation verwendet werden. Außerdem wird anhand von zwei Bits (Flags) gekennzeichnet, ob Nutzdaten oder Steuerdaten im Burst transportiert werden.

Auf Anforderung wird einem Teilnehmer bei der Vermittlung ein Kanal in einem bestimmten Zeitschlitz zugeordnet. Diese Anforderung erfolgt per Signalisierung über separate Steuerkanäle und damit ähnlich wie bei IDSN, während die sogenannten Verkehrskanäle die Nutzdaten transportieren.

8.2.2 GSM-Architektur

Der erläuterte Aufbau der Funkschnittstelle (Um) ist zwischen dem mobilen Endgerät (Mobile Station) und dem Base Station Subsystem (BSS) gegeben, der GSM-Basisstation. Eine Basisstation besteht aus der Sende-/Empfangseinrichtung, die als Base Transceiver Station (BTS) bezeichnet wird, und der dazugehörigen Steuerung (Base Station Controller, BSC), die mehrere BTS anhand der Abis-Schnittstelle entsprechend steuern kann und die Verbindung zum Vermittlungssystem Network and Switching Subsystem (NSS) schafft. Eine BTS erkennt man auf Masten, Türmen und Häusern anhand der montierten Antennen. Jeder Netzbetreiber hat über zehntausend davon, über das Land verteilt, angebracht.

Abbildung 8.3: GSM-Antennen auf einem Mast

Die Kommunikation zwischen den Base Station Controllern (BSC) und dem Vermittlungssystem wird über die A-Schnittstelle ausgeführt. Ein NSS besteht im Wesentlichen aus den regional lokalisierten Mobile Switching Centers (MSC) und einem zentralen Gateway (GMSC), das die MSCs über Glasfaserkabel oder Richtfunkstrecken miteinander verbindet. Die runden Antennen für die Richtfunkstrecken befinden sich meist gemeinsam mit der länglichen GSM-Antenne am gleichen Mast.

Radio Subsystem

Abbildung 8.4: Prinzipieller Aufbau des GSM-Netzes

Die Abis-Schnittstelle (OSI-Schicht 1) - zwischen BTS und BSC - teilt 64-kBit/s-Kanäle in mehrere Subkanäle auf, wobei hier oftmals herstellerspezifische Verfahren eingesetzt werden. Die A-Schnittstelle (OSI-Schichten 1-3) - zwischen BSC und MSC - wird oft als PCM30-System realisiert, die ISDN-gemäß bis zu 30 Kanäle in einen seriellen Bitstrom multiplext, oder es wird an dieser Stelle eine SDH-Verbindung (155 MBit/s) eingesetzt. Der gesamte »Funkteil« des Netzes wird als Radio Subsystem bezeichnet (RSS).

Im Network and Switching Subsystem (NSS) wird der Übergang zu den anderen Netzen (Mobilfunk anderer Betreiber, ISDN, PSTN) geschaffen, und verschiedene Datenbanken sind hier für die mobilen Endgeräte, die Telefonnummern und die Teilnehmerdaten lokalisiert. Die Kontrolle und Wartung des Netzes wird vom Operation and Maintenance Center (OMC) ausgeführt, das aus verschiedenen Einrichtungen besteht und auch für die Abrechnungen zuständig ist. Die Telekom betreibt in Deutschland ca. zehn dieser Center, 20.000 Basisstationen und 1000 Network and Switching Subsystems für die Vermittlung.

In einem GSM-Netz wird eine Vielzahl von unterschiedlichen Protokollen zwischen den einzelnen Komponenten (MS, BTC, BSC, MSC, GMSC) verwendet. Die Signalisierung ist dabei eine der komplexeren Vorgänge mit dem Aufbau, der Überwachung und dem Abbau der Verbindungen, was die Zellerkennung sowie die Authentifizierung beinhaltet, was innerhalb der OSI-Schichten 1-3 stattfindet. Das Message Transfer Protocol (MT1-MT3) ist dabei für alle mobilen Funktionalitäten zuständig.

8.3 General Packet Radio Service - GPRS

GSM ist für die reine Sprachübertragung entwickelt worden und stellt ein leitungsvermittelndes Netzwerk dar, welches sich grundsätzlich dadurch auszeichnet, dass zwischen zwei Teilnehmern ein exklusiver Kanal geschaltet wird. Dieser weist eine konstante Bandbreite und Verzögerungszeit auf, was letztendlich der Sprachqualität zugutekommt.

Datenanwendungen weisen demgegenüber variable Übertragungsraten auf, beispielsweise beim Browsen im Internet, wo für die Anforderung der Webseite eine hohe Bandbreite notwendig ist, beim Betrachten der Webseite allerdings nur eine geringe. Eine flexible Anpassung der Bandbreite ist bei einer Leitungsvermittlung nicht möglich, sodass diese bei Datenanwendungen nicht ausgenutzt werden kann, was bei den begrenzten Ressourcen der Luftschnittstellen nicht hinnehmbar ist. Besser ist es, wenn der Übertragungskanal nur während der eigentlichen Datenübertragung verwendet werden würde und ansonsten von anderen eingesetzt werden kann.

Wenn der Übertragungskanal nicht wie bei GSM in kleinere Kanäle für die einzelnen Benutzer aufgeteilt und fest zugeordnet wird, sondern die Daten unterschiedlicher Benutzer stattdessen nacheinander über den (gesamten) Übertragungskanal gesendet werden, der die volle Bandbreite aufweist, erhält man eine paketorientierte Übertragung.

Um die Paketübertragung auch in GSM-Netzen verwenden zu können, ist der General Packet Radio Service (GPRS) eingeführt worden. Durch die flexible Bandbreitenzuteilung bei GPRS wird bis zu 171,2 kBit/s (acht Zeitschlitze) an Datenrate erreicht: Dies ist allerdings nur theoretisch möglich, weil für GPRS zusätzliche Fehlerschutzmechanismen implementiert werden müssen.

GPRS ist kein komplett neuer Standard, sondern ergänzt GSM um die Funktionalität der Paketübertragung. Hierfür musste der GSM-Backbone - praktisch das Network and Switching Subsystem - um ein parallel dazu arbeitendes, eigenständiges GPRS-System erweitert werden, welches üblicherweise einem ATM-Netz (Kapitel 7.7) entspricht.

Das Pendant zum Mobile Switching Center (MSC) bei GSM ist ein Serving GPRS Support Node (SGSN) bei GRPS, der als Router mit Frame Relay (Kapitel 7.5) über die Schnittstelle Gb mit den gegenüber GPRS funktional erweiterten Base Station Controllern arbeitet. Hierfür ist eine zusätzliche Packet Control Unit (PCU) bei den BTS notwendig, die die Flusssteuerung mit der Vergabe der Time Slots und eine Fehlerkorrektur durchführt. Zum Backbone hin wird die Verbindung über ein Gateway (GGSN) über die Schnittstelle Gn hergestellt, die von dort (über G.) in das Internet geroutet wird.

Radio Subsystem

Abbildung 8.5: Prinzipieller Aufbau des um GPRS erweiterten GSM-Netzes

Das GGSN vergibt temporäre IP-Adressen für die Teilnehmer und führt entsprechende Routing-Tabellen. Es ist für den Mobilfunkteilnehmer auch dann weiterhin zuständig, wenn er den Bereich eines SGSN verlässt, was nur eine Änderung an der Routing-Tabelle bedeutet. Die Endgeräte müssen deshalb keine Konfigurationsveränderungen vornehmen, was die Interneteinwahl und -verbindung für den Anwender ohne Mobilitätsverlust gestaltet.

8.4 Enhanced Date Rates for GSM Evolution - EDGE

GPRS ist eine Möglichkeit, die vorgegebenen Bandbreiten besser ausnutzen zu können, eine weitere und effektivere Möglichkeit wird als Enhanced Date Rates for GSM Evolution, kurz als EDGE, bezeichnet. Hiermit wird eine Erhöhung der Datenrate erreicht, indem an der Funkschnittstelle eine andere Modulationstechnik eingesetzt wird. Der Kanal (GSMZeitschlitz, vgl. Abbildung 8.2) wird dadurch besser ausgenutzt, sodass ein EDGE-Zeit-schlitz die dreifache Kapazität eines GSM-Zeitschlitzes aufweist.

Während bei GSM, das die Grundlage für GPRS bildet, eine Modulation nach dem Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK), bei der 1 Bit pro Symbol (1 Bit/Hz) transportiert werden kann, zum Einsatz kommt, werden bei EDGE gleich 3 Bit pro Symbol (3 Bit/Hz) mithilfe der 8-PSK-Modulation (8 Phase Shift Keying) übertragen.

Weil EDGE lediglich die Funkschnittstelle gegenüber GSM/GPRS verändert, sind für die Nutzung Änderungen am Base Station Subsystem (BSS) sowie geeignete Mobilgeräte notwendig. Alle vier Netzbetreiber in Deutschland haben ihre Mobilfunknetze bereits seit einiger Zeit für EDGE aufgerüstet.

8.5 Universal Mobile Telecommunications System -UMTS

GSM wurde in den Achtzigerjahren entwickelt und nachträglich mit GPRS und EDGE für Datenanwendungen ausgebaut. Die erreichbaren Datenraten entsprechen bei GPRS günstigstenfalls denen eines Modems (50 kBit/s) und bei EDGE höchstens 270 kBit/s, was für Internet-Anwendungen nicht mehr ausreichend ist.

Der nächste Schritt ist deshalb ein Netz, das die Eigenschaften eines leistungsvermittelnden Sprachnetzes mit denen eines paketvermittelnden (multimedialen) Datennetzes unter Einsatz neuer Techniken vereinigt. Dies ist dann die dritte Generation eines Mobilfunknetzes, was daher auch 3G genannt und genauer als Universal Mobile Telecommunications System - kurz UMTS - bezeichnet wird.

UMTS wird zwar weltweit eingesetzt, allerdings in unterschiedlichen Frequenzbereichen und mit unterschiedlichen Verfahren, sodass auch hiermit keine weltweite Kompatibilität gegeben ist. In Europa ist die Implementierung ULTRA-FDD (UMTS Terrestrial Radio Access - Frequency Division Duplex) von Bedeutung, die sechs Frequenzblockpaare mit jeweils 5 MHz in den Bereichen 1920 MHz-1980 MHz (Uplink) und 2110 MHz-2170 MHz (Downlink) reserviert.

8.5.1 WCDMA-Multiplexing

Die wesentliche Neuerung von UMTS gegenüber GSM ist eine neue Multiplextechnik (Codemultiplex), die als Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA) bezeichnet wird. WSCDMA spreizt die Signale über die gesamte Bandbreite von 5 MHz, wobei der Sender die zu übertragenden Bits mit einer Chipping-Sequenz zu einem für jeden Benutzer speziellen Code verknüpft.

Diese unterschiedlich kodierten Signale aller Nutzkanäle ergeben ein Summensignal, das permanent über den vollen Frequenzbereich des Uplink- und des Downlink-Bereiches übertragen wird. Weil die Übertragungsrate für jeden einzelnen Kanal nach Bedarf individuell angepasst werden kann, ergibt sich damit eine effiziente Ausnutzung der Bandbreite. Andererseits hat dies einen vergleichsweise hohen Stromverbrauch zur Folge.

Frequenz

Leisti

4

¿y Uplink. 5 MHz

Downlink, 5 MHz

Code 1

Zeit

Abbildung 8.6: Das Multiplexprinzip von UMTS

UMTS ist von der ITU-T seit 1992 unter IMT-2000 International Mobile Telecommunications at 2000 MHz spezifiziert. Dabei ist eine evolutionäre Umstellung von GSM/GPRS/ EDGE auf UMTS vorgesehen, sodass zunächst die vorhergehende Netzwerktechnologie in Teilen verwendet wurde, um Schritt für Schritt bestimmte Einheiten durch neuere zu ersetzen, was in den sogenannten Releases festgehalten wird. 2011 wurde Release 10 veröffentlicht, das Kompatibilitätsanforderungen für LTE Advanced (siehe Kapitel 8.5) beinhaltet, und 2012 soll mit Release 11 eine Service-Schicht zwischen nationalen Netzbetreibern verabschiedet werden.

8.5.2 Netzarchitektur

Die Netzarchitektur wurde für UMTS neu definiert, was mit zahlreichen Neubenennungen der einzelnen Einheiten und der Schnittstellen einhergeht. Der prinzipielle Aufbau ist GSM allerdings sehr ähnlich. Der Funkbereich wird nunmehr als UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) bezeichnet. Die Mobile Stations werden jetzt als User Equipments (UE) bezeichnet und die Base Station Controller als Node B (Basisstation), die mit den Radio Network Controllern (RNC) im Radio Network Subsystems (RNS) kommunizieren. Das dahinter liegende Core Network (CN) entsprach zunächst (Release 99) dem GSM/GPRS-Netz und wurde mit dem Release 4 (aus 2001) zum Bearer Independent Core Network (BICN), welches die leitungs- und die paketvermittelnden Netze (Circuit Switched, Packet Switched) zusammenführt und statt mit Zeitschlitzen von 64 kBit/s mit IP-Paketübertragungen arbeitet.

UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network

UMTS Core Network

PTSN ISDN

Abbildung 8.7: Prinzipielle Architektur des UMTS-Netzes

Als UMTS-Funkzellen werden Makrozellen, Mikrozellen und Picozellen definiert. Makrozellen haben eine Reichweite von ca. 2 km bei einer Datenrate von maximal 144 kBit/s und ermöglichen eine flächendeckende Versorgung in Ballungsgebieten. Mikrozellen sind für 1-km-Umgebungen und für eine Datenrate von maximal 384 kBit/s definiert, die in Innenstadtbereichen angewendet werden, während Picozellen einen Durchmesser von bis zu 50 m bei maximal 2 MBit/s aufweisen, die bisher in Deutschland kaum angewendet werden und für die Versorgung in Flughäfen oder für einzelne Gebäude gedacht sind.

Grundsätzlich hängt die erreichbare Bandbreite sowohl von der Empfangssituation als auch von der Auslastung der Zellen ab. Die UMTS-Funkzellen können sich vom Prinzip her aber der gegenwärtigen Lastsituation in bestimmten Grenzen dynamisch anpassen. Bei einer hohen geforderten Bandbreite in einer Zelle können benachbarte Zellen, die über freie Kapazitäten verfügen, einen Teil der Anwender übernehmen.

Die meisten Handys ab dem Baujahr 2004 unterstützen sowohl GSM als auch UMTS für Sprachverbindungen. Im Auslieferungszustand sind die Geräte üblicherweise so eingestellt, dass sie beide Verbindungen gleichermaßen nutzen können. Immer dann, wenn ein UMTS-Netz verfügbar ist, buchen sie sich auch dort ein, ansonsten wird auf das GSMNetz zurückgegriffen.

Falls ein Handy (Smartphone) auch für Datendienste vorgesehen ist oder ein Surfstick (Mobilfunk-Interface in Form eines USB-Sticks) zum Einsatz kommen soll, ist genauer zu verifizieren, ob hierfür UMTS und mit welchen Implementierungen (HSPA, HSPDA+) eingesetzt werden kann oder nicht nur GPRS/EDGE möglich ist.

8.5.3 High Speed Packet Access - HSPA, HSDPA+

Eine bedeutende Ausbaustufe bei UTMS ist High Speed Packet Access (HSPA), die in Release 5 definiert ist. Mitunter trifft man auch auf die Bezeichnungen HSDPA und HSUPA, was eine Unterteilung für die Downlink- (D) und für die Uplink-Richtung (U) definiert und zusammengefasst unter HSPA firmiert.

Statt maximal 384 kBit/s sollen bis zu 14,4 MBit/s (HSDPA) an Übertragungsrate zu erreichen sein, was in erster Linie durch eine angepasste Modulation und durch geteilte Transportkanäle realisiert wird. Bei guter Funkstreckenqualität wird statt dem Quadrature Phase Shift Keying (QPSK, 2 Bit/Symbol) eine 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation, vgl. Kapitel 4.3.1) verwendet, die 4 Bit/Symbol darstellt. Dabei werden bis zu 15 Codes auf einem per TDMA gemultiplexten Kanal übertragen.

Für den wichtigeren Download-Link ist mit Release 7 eine weitere Steigerung der Datenrate möglich, was mithilfe von 64-QAM und der MIMO-Technik (Kapitel 4.2.1) erreicht und dann als HSDPA+ bezeichnet wird.

8.5.4 Netzabdeckungen und Datenraten

Diese High-Speed-Zugänge erfordern entsprechende Erweiterungen und Aufrüstungen im UTRAN, die von den verschiedenen Netzbetreibern im Prinzip fast unbemerkt und laufend vorgenommen werden. Generell variieren die Verfügbarkeit und Netzabdeckung der verschiedenen Implementierungen in Abhängigkeit vom Gebiet und vom Betreiber deutlich.

T-Mobile und Vodafone weisen die höchste Netzabdeckung bei UMTS/HSDPA auf. Dies bedeutet jedoch nicht allgemein, dass nicht einer der anderen Anbieter (O2, E-Plus) in dem vom jeweiligen Anwender am häufigsten zu nutzenden Gebiet zu bevorzugen ist, etwa aus Kostengründen oder weil kein anderer Betreiber das jeweilige Gebiet versorgt.

Standard

max. Datenrate (Download)

GSM

9,6 kBit/s

GPRS

171,2 kBit/s

EDGE

384 kBit/s

HSDPA

14,4 MBit/s

HSDPA+

21 MBit/s

LTE

50 MBit/s

LTE Advanced

1 GBit/s

Tabelle 8.1: Datenraten der verschiedenen Mobilfunkstandards, die in der Praxis jedoch meist nicht erreicht werden

Vor einer Entscheidung für einen bestimmten Anbieter ist es deshalb unerlässlich, die Verfügbarkeit der Netze mit den jeweils angebotenen Ausbaustufen in Erfahrung zu bringen, wofür die Betreiber im Internet entsprechende Seiten mit Karten und Suchfunktionen anbieten. Provider-übergreifend bieten auch einige Organisationen und Firmen (http://www.hsdpa-umts-verfuegbarkeit.de) diesen Service an. Ob sich in der Praxis tatsächlich die gewünschte und versprochene Qualität ergibt, ist jedoch kaum vorhersagbar, sodass vor einer längerfristigen Vertragsbindung eine Testphase (mit Prepaid-Card oder -Stick) dringend zu empfehlen ist.

Abbildung 8.8: UMTS wird von allen aktuellen Surfsticks unterstützt, die an den USBAnschluss eines Notebooks angeschlossen werden können.

8.6 Long Term Evolution - LTE

Der Übergang von GSM/GPRS zu UMTS/HSDPA verläuft in Form einer evolutionären Entwicklung, was längerfristig auch auf den neuen Standard mit der Bezeichnung Long Term Evolution (LTE) zutrifft, der dies gleich mit im Namen führt. LTE wird zur vierten Mobilfunkgeneration (4G) gerechnet.

Die Mobilfunkbetreiber Telekom, 02 und Vodafone haben im Jahre 2011 damit begonnen, ihre Mobilfunknetze mit LTE aufzurüsten und den Kunden hierfür die ersten Zugänge zu ermöglichen. Hierfür wird momentan entweder ein passender USB-Stick oder eine LTE-geeigneter Router benötigt. Dementsprechend ist LTE zunächst für Gegenden vorgesehen, wo DSL nicht verfügbar oder nicht möglich ist, etwa auf dem flachen Land, wo eine feste Verdrahtung (DSL) zu kostspielig ist. Eine der ersten Firmen, die LTE-Router anbieten, ist AVM mit der FRITZ!Box 6840 LTE, die außerdem WLAN-N, Gigabit-Ethernet, eine Telefonanlage mit DECT-Basisstation sowie Netzwerkspeicher (NAS) beinhaltet.

analoges felefan, Druder. UE-5IM-Karte PC Spleletonsole, Notebook, PC Smartphone. FRrmibnoder

Fai Speichermedien Netzwerk Vldeo-ZIV-Stieamlng and« DECFfelefone

Abbildung 8.9: Die FRITZIBox 6840 LTE bietet den Breitbandzugang über die LTE-Funktechnologie.

LTE für Smartphones und andere Mobilgeräte wird erst mit dem weiteren Ausbau der notwendigen Infrastruktur praktikabel sein, zumal bisher (Stand Anfang 2012) kaum LTE-Smartphones für den deutschen Markt erhältlich sind. Diese müssen abwärtskompatibel zu den vorherigen Standards (GSM, GPRS, EDGE, UMTS, HSDPA+) sein, was die Elektronik verkompliziert und den Stromverbrauch der Geräte erst einmal erhöht. Hierfür sieht das LTE-Zustandsmodell verschiedene Stromsparmechanismen vor, die zunächst erprobt und dann entsprechend umgesetzt werden müssen.

LTE wurde im Jahre 2008 erstmalig definiert, weshalb die erste Spezifikation als LTE Release 8 bezeichnet wird. Eine Weiterentwicklung gibt es auch bereits, die unter LTE Release 10 oder auch LTE Advanced firmiert.

LTE verwendet unterschiedliche Frequenzbänder, in Deutschland typischerweise bei 800 MHz, 2 GHz und 2,6 GHz. Weltweit sind unterschiedlichste Frequenzbänder für LTE möglich. Die Tabelle 8.2 zeigt die für Europa gebräuchlichen.

Band

Downlink

Uplink

Abstand

7

2620-2690 MHz

2500-2570 MHz

50 MHz

3

1805-1880 MHz

1710-1785 MHz

20 MHz

1

2110-2170 MHz

1920-1980 MHz

130 MHz

20

781-821 MHz

832-862 MHz

10 MHz

Tabelle 8.2: Die in Europa üblichen Frequenzbänder für LTE

Neuerungen gegenüber UMTS sind im Wesentlichen, dass LTE das erste vollständig paketorientierte Mobilfunknetz ist und hierfür das Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM, siehe Kapitel 4.3.5) zum Einsatz kommt, womit ein »schneller« Datenstrom in viele einzelne »langsamere« aufgeteilt wird, die dann gleichzeitig übertragen werden.

Außerdem werden MIMO-Verfahren (Multiple Input Multiple Output, siehe Kapitel 4.2.1) unterstützt, sodass LTE-fähige Geräte mindestens über zwei Antennen verfügen. Als Modulation wird 64-QAM in der Downlink-Richtung und 16-QAM in Uplink-Richtung eingesetzt, wie es bereits bei HSDPA+ praktiziert werden kann.

8.6.1 LTE-Architektur

Wie bei den anderen Mobilfunknetzen auch, wird das Netz in ein Funknetz (Radio Network) und in ein Kernnetz (Core Network) aufgeteilt, wobei sich die wesentlichen Änderungen im Radio Network zeigen. Die Basisstationen werden dabei in Analogie zu UMTS als eNodeB (e = evolved = entwickelt/gewachsen) bezeichnet, die die Antenne und ein Radiomodul beinhalten sowie ein Digitalmodul, das als Interface zum Core Network fungiert. Der grundsätzliche Aufbau ist mit dem von UMTS verwandt, weshalb der LTE-Radio-Teil auch als eUTRAN gekennzeichnet wird.

Gleichwohl ist eine LTE-Basisstation (eNodeB) nunmehr als eine eigenständige Einheit zu betrachten, weil es keinen Radio Network Controller (RNE) mehr gibt. Ein in der Basisstation vorhandener Scheduler verteilt die Ressourcen, passt die Übertragungen an die Kanalbedingungen an und wählt das jeweils geeignete Übertragungsschema (Modulation, Code-Rate, MIMO) für die Endgeräte aus. Somit kommt einer Basisstation - gegenüber den vorherigen Systemen - die tragende Rolle bei LTE zu, weshalb sie auch die komplexeste und damit teuerste Einheit im System darstellt. Sie kommuniziert über eine Uu-Schnittstelle direkt mit einer MME-Einheit (Mobility Management Entity) im LTE Core Network oder über das X2-Interface mit anderen Basisstationen, was zu einem schnellen Handover - Funkzellenwechsel - führt. Wie bei den anderen Systemen auch, werden bei LTE anhand verschiedener Datenbanken die notwendigen Informationen zu den Teilnehmern und Netzdiensten verwaltet. Für das Routing der IP-Pakete kommt ein sogenanntes Serving Gateway zum Einsatz. Das Packet Data Network Gateway verbindet das LTE Core Network mit den Datennetzen, wie dem Internet, und ist für die Verwaltung der den Clients zuzuteilenden IP-Adressen zuständig.

Radio Network eUTRAN

Abbildung 8.10: Die LTE-Netzwerkarchitektur

Bei LTE gibt es einen völlig neuen Gerätetyp, der die Netzabdeckung kostengünstiger als einzelne Basisstationen sicherstellen kann: die LTE-Relay-Station. Es handelt sich dabei um eine Zwischenstation, die einen Netzknoten bildet und das empfangene Signal nach der Dekodierung in verbesserter Qualität zum Empfänger weiterleitet. Mithilfe dieser Funk-Relays (LTE Relay), die als Antennenstationen aufgebaut sind, lassen sie die Reichweiten und die Abdeckungen von Basisstationen ohne großen Aufwand verbessern, weil sie nicht per Kabel oder Richtfunkstrecke an das Kernnetz angeschlossen werden müssen. Die Basisstationen kommunizieren mit den Funk-Relays ebenfalls per LTE. Für die Endgeräte sind die Relay-Stationen »unsichtbar«, sodass keinerlei Konfigurationsmaßnahmen auf der Anwenderseite notwendig sind. Wie jede Basisstation ist ein Funk-Relay für eine eigene Zelle zuständig, die typischerweise einen Versorgungsradius von vier bis fünf Kilometer überstreicht.

8.6.2 LTE Advanced

Mit LTE Release 10 (LTE Advanced) werden maximale Datenraten von 1 GBit/s in Downlink- und 500 MBit/s in Uplink-Richtung definiert. Erreicht werden soll dies durch die Bündelung von bis zu fünf bisherigen Trägern (20 MHz). Dabei können sowohl benachbarte als auch solche Träger gebündelt werden, die in verschiedenen Frequenzbändern (Spectrum Aggregation) liegen. Durch eine konsequente Anwendung der MIMO-Technik mit bis zu vier Antennen können mehrere Datenströme gesendet werden, beim bisherigen LTE Release 8 ist in Uplink-Richtung nur ein Stream möglich.

Neben diesen beiden Neuerungen sollen erweiterte Relay-Verfahren (Downlink und Uplink) sowie die Unterstützung von heterogenen Netzen mithilfe effizienter Zellen-wechselverfahren höhere Bandbreiten und Datenraten bei geringer Latenz ermöglichen.

Stichwortverzeichnis

Symbole

1TR6 294 3COM 41

4B/5B-Codierung 82

4B/5B-Codierungsverfahren 84

8B/10B-Code 85

8B/10-Codierung 84

10Base2 43, 48

10Base5 43, 45

10BaseF 43

10BaseFX 56

10BaseT 43, 52

10GBaseT 102

10GE 96

10GE-Realisierungen 97 10 Gigabit-Ethernet 18, 96 16-QAM 207, 322 64B/66B-Verfahren 100 64-Bit-CPU 19 100BaseFX 61, 65, 74, 137 100BaseTX 61, 62 100BaseVg AnyLAN 60 1000BaseCX 76 1000BaseLX 73, 74 1000Base-T 74 1000BaseT 18, 78

AARNET 16 Abschirmung 121 Abschlusswiderstand 50, 51, 111 Accelerated Graphics Port 18 Access Point 197, 216 Account 153 Active Tap 107

Address Resolution Protocol, ARP 233,

246, 259 Ad-hoc-Modus 215 Ad-hoc-Netzwerk 187

Adressauflösung 247 Adressintervalle 262 Adressklassen 262 ADSL 295 ADSL2+ 297 ADSL-Adapter 30 ADSL-Gateway 145 ADSL-Installation 298 ADSL-Kombigeräte 155 ADSL-Modem 145, 297, 298 ADSL-Router 147, 155, 177
konfigurieren 146, 150 ADSL/WLAN-Router 167, 171, 176 Advanced Peer-to-Peer Networking,

APPN 277 AIRPORT 178 ALOHAnet 14 AMD, K6 18

Amplitude Shift Keying, ASK 205 Amtsleitung 297 Android 13

Android-Client 175, 177 A-Netz 311

ANSI, American National Standards

Institute 36 Antennentechnik 293 APIPA 272

Zero Config 243 Apple 178 Apple Talk 178 Apple-Computer 180 Arbeitsgruppe 162 Arbeitsplatznetzwerk 163 ARPANET 14 ARP-Cache 247 ARP-Header 246 ARP-Kommandos 248 ASCII-Zeichensatz 24 Asterisk 308

Asymmetrical Digital Subscriber Line 295 Asynchron Transfer Mode, ATM 284 ATM 17, 31

ATM Adaption Layers, AAL 286 ATM-Dienstkategorie 286 ATM-Parameter 148 Attachment Unit Interface 46, 101 Attenuation 120

Attenuation to Crosstalk Ratio, ACR 120 AUI 47

AUI-Anschluss 110 AUI-Connector 43 Authentifizierung 222, 303
per Zertifikat 302 Authentifizierungsmethoden 302 Automatic Private IP-Addressing,

APIPA 272 Autonegotiation 63, 69, 87 Autosensing 18

Babyphones 227

Backbone 142

Bandbreite 119

Barker-Code 210

Base Station Controller, BSC 317

Base Station Subsystem, BSS 315, 319

Basic Service Set Identifier, BSS-ID 217

Baumtopologie 29

Bearer Independent Core Network,

BICN 320 Benutzerdaten 153 Biegeradien 128

Binary Phase Shift Keying, BPSK 212

Bitcount 270

Bit-Maskierung 267

Bitübertragung 23

Bluetooth 19, 210

BNC-Stecker 111

B-Netz 311

Bonjour 273

Breitbandverbindung 152, 155

Bridge Mode 148 Broadband ISDN 281 Broadcast 262, 263 Broadcast-Domain 34 Broadcast-Ubertragung 263 Buffer Coating 138 Bundesnetzagentur 36 Burst Limit 78 Bustopologie 27

Carrier Extension 78

Carrier Sense Multiple Access/Collision

Detection 42 Carrier-Technologie 31 CA-Signaturen 303 Cat5-Kabel 119 Cat6-Kabel 103 Cat6-Spezifikation 103 Cat7-Kabel 116

CCITT, Comité Consultatif International

Télégrafique 36 CD-Writer 18 Cell Relay 284 CENELEC 36

Certification Authority, CA 303 Cheapernet 29, 43, 49, 110, 111 Chipping-Sequenz 319 CIDR 269 CIDR-Notation 243 Circuit Switched Networks 311 Cladding 138

Classless InterDomain Routing, CIDR 269 Client fur Microsoft-Netzwerke 160 C-Netz 312

CODEC, Coder/Decoder 306 Collision Avoidance 213 Collision Detection 42, 213 Commodore 15

Commodore 64 15 Computer-zu-Computer-Netzwerk 184 Core 138

Core Network 320 Core-Durchmesser 67 Coverage Area 217 CP/M 14

Crossover-Kabel 56 Crossover-Verbinder 134 Crosstalk 119 CSMA/CA-Verfahren 214 CSMA/CD 78, 97 CSMA/CD-Verfahren 42, 62 Cyclic Redundancy Check, CRC 92

Dämpfung 117, 120 Dämpfungswerte 65 Data Exchange Packet 279 Data Link Connection Identifier,

DLCI 280 Data Link Layer 91

Datei- und Druckerfreigabe für MicrosoftNetzwerke 162 Datensicherheit 219 Datex-P 279 DC balanced 84 Demilitarisierte Zone, DMZ 32 Demodulation 291 Deutsche Industrie Norm 36 Devolo 227 DFS

Dynamic Frequency Selection 199 DHCP 170, 271

DHCP-Einstellungsmöglichkeit 172 DHCP-Funktion 272 DHCP-Server 198 Digital Power Line, DPL 226 Digital Subscriber Signaling System
no.one 283 Digitalkameras 18 Direct Sequence 198 Discrete Multi-Tone Frequency Signal

Modulation 296 Dispersion 75, 98, 137 Distance Vector Protocol 253

DIX-Connector 46, 47 DIX-Konsortium 15 D-Kanal-Protokoll 294 dLAN High Speed 229 DNS-Server 256 Domain Name Server 161 Domänen 256

Dotted Decimal Notation, DDN 261 Drahtloses Ad-hoc-Netzwerk 182 DR-DOS 17

DSLAM, DSL Access Multiplexer 297 DSL-Implementierungen 296 DSL-Provider 145 DSL-Verbindung 149 Dual IP Stack 245 Duplex-Modus 62 Duplicate IP ADDRESS 268 Dynamic Host Configuration Protocol,

DHCP 271 DynDNS-Anbieter 258

Echo Cancelation 80 E-DSS1 294 E-Mail 14

Energy Efficient Ethernet, EEE 104 Enhanced Date Rates for GSM Evolution;

EDGE 318 Error Propagation 86 Ether 41 EtherChannel 97 Ethernet 15, 41 Ethernet II 93 Ethernet 802.3 raw 93 Ethernet-Adapter 189 Ethernet-Frames 91 Ethernet-Schichten 89 Ethernet-Standards 79 Euro-ISDN 294

European Telecommunication Standards

Institute 37 Extended Service Set, ESS 217

F

Fasertypen 75 Fast-Ethernet 17, 60, 61 FastTrack 309 FDDI 27, 60 Feldbussysteme 24 Fernsehkanäle 293 Fiber Optic-Verbindungen 61 File Transfer Protocol 234 Firefox 192 Firewall 163, 171 Windows 7 162 FORIL-Standard 57

Frame Checking Sequence, FCS 92, 278 Frame Relay 31, 246, 280, 282 Frame-Formate 89 Frequency Division Multiple Access,

FDMA 314 Frequency Hopping 198, 209 Frequency Shift Keying, FSK 205 Frequenzbänder 295 Frequenzspektrum 292 FRITZ!Box 197, 307, 323 FTP, File Transfer Protocol 234 FTP-Kabel, Foiled Twisted Pair 121 Full-Duplex 17 Funknetzwerk 189, 191 Funk-Relays, LTE Relay 326 Funkschnittstelle 313 Funkwellen 207 Funkzellen 312 Funkzellenwechsel 325

G

Gameboy 17

Garbage Number 247

Gateway 252, 261, 317

Gaussian Frequency Shift Keying 205

Gaussian Minimum Shift Keying,

GMSK 319 General Packet Radio Service, GPRS 317

Gigabit Medium Independant Interface,

GMII 90 Gigabit-Controller 72 Gigabit-Ethernet 18, 72, 118, 124, 323 Gigabit-Ethernet-Standard 18, 96 Gigabit-Frames 78 Gigabit-LAN-Adapter 19 Gigabit-Modul 76 Glasfaser 98 Glasmantel 138

Global System for Mobile Communications, GSM 313 Gradientenindex-Profil 138 Großrechner 11 GSM-Architektur 315 GSM-Mobilfunknetze 313

H.323-Standard 305 Halbduplex-Modus 69, 80 Handover 325 HDLC-Verfahren 283 Heimnetzwerk 164, 165 Hidden Nodes 213

High Level Data Link Control, HDLC 277 High Level Data Link Control-

Protokoll 278, 294 High Speed Packet Access, HSPA 322 High-Speed-Zugänge 322 Home Agent 218 HomePlug-Allianz 229 HomePlug-LAN 227 HomePlug-Produkte 228 HomePlug-Technik 227 HomeRF 210 Hop 241, 254 Hopping Pattern 209 Hop-Zuordnung 209 Hostadresse 261, 262 Host-ID 266 Hotspot 177, 195 HSDPA+ 322, 325

HSSDC-Stecker 77 HSTR 60 Hub 52

Hypertext Transfer Protocol, HTTP 234 IBM

Personal System 2 16 IBM-AT 16 ICANN 259 ICMP 241 ICMP-Header 248 ICMP-Nachrichtentypen 249 Identifiers 261 IEEE 802.1Q 34 IEEE 802-Standards 39 IEEE: Institute of Electrical and Electronic

Engineers 37 IEEE-Standards für Netzwerke 38 IEEE-WLAN-Standards 198 IGMP-Header 250 Infrastruktur 191

Institute of Electrical and Electronic

Engineers, IEEE 38 Integrated Services Digital Network,

ISDN 275, 281, 293 Intel Pentium-Prozessor 17 Interframe Gap 78 Internet Control Message Protocol,

ICMP 234, 248 Internet Engineering Task Force, IETF 307

Internet Group Management Protocol,

IGMP 234, 250 Internet Key Exchange- Protokoll 301 Internet-Adressklassen 262 Internet-Explorer 17 Internetprotokoll Version 4 160 Internetzugang 292 iOS 172, 182 iOS-Betriebssystem 182 iOS-Client 184, 187

IP 233, 240

IP Next Generation 242 iPad 182 iPAD 12

IP-Adresse 187, 256, 259, 267 Aufbau der 261 private 264 IP-Adresseneinstellung 172 IP-Adressklassen 261 IP-Header 240 iPhone 182 iPhone4 19

IPIP-Encapsulation 218 IP-Paketübertragung 320 IPsec 223, 301 IPsec-VPN-Verbindung 302 IP-Telefonie 308 IPv6 242 IPv6-Header 245 IPv6-Internet-Provider 244 IPX/SPX-Protokoll 96 ISDN 281

ISDN Anschluss Einheit 293 ISDN-Anschlussdose 281 ISDN-Kabel 114 ISDN-Protokolle 282 ISDN-Verbindungen 294 ISO, International Standard

Organization 15, 37 iTunes 273

Java 17 K

Kabelgebunden 189 Kabelkategorien 113 Kabeltypen 109 Kabelverlegung 122 Kanalbündelung 281 Klassifizierung von Lichtwellenleitern 138

Koaxialkabel 43, 109 Koax-Verbindungen 111 Kodierungsverfahren 81 Kollisionsdomäne 44 Kollisionserkennung 44, 48 Kombikarten 71

Kommunikationssteuerschicht 24 Konfigurierung 145 Kontaktprobleme 111 Koppelnetz 289 Kunststoffmantel 138 Kupferkabeldaten 118 Kupplungsstücke 54

L2TP, das Layer 2 Tunneling

Protocol 300 LAN Emulation Server 287 LAN-Anschlussdose 128 LAN-Einstellungen 161 LAN-Verkabelung 123 LAP-D-Übertragungsrahmen 283 Laptop 16

Laserdioden 136, 138 Laserpointer 144

Layer 2 Tunneling Protocol, L2TP 302 Layers 22

Leitungsvermittelndes Netz 276 Leuchtdioden 151
signalisieren den Status 64 Lichtwellenleiter 133 in der Übersicht 140 Light Emitting Diode, LED 137 Link Access Procedure Balanced,

LAP-B 278 Link Access Procedure Framed,

LAP-F 280 Link State Database 253 Link State Protocol 253 Link-lokale Adressen 244 Link-Tester selbst gebaut 130 Linux 17

Linux-Computer 189 LLC-Header 94 LLC-Schicht 91 LMHOSTS 256 Local Area Networks 20 Logical Link Control, LLC 277 Long Term Evolution, LTE 323 Long Wavelength 74 Loopback 262 Loopback-Adresse 263 LOS

Line of Sight 207 LTE Advanced 327 LTE Core Network 325 LTE-Architektur 325 LTE-Netzwerkarchitektur 326 LTE-Zustandsmodell 324 Luftschnittstelle 313 LWL-Anschlüsse 68 LWL-Anschlussstecker 141 LWL-Netzwerkeinheiten 66 LWL-Netzwerkkarte 66 LWL-Patch-Kabel 58 LWL-Verbindungen 43, 133
für Gigabit-Ethernet 75

M

MAC-Adresse 259 MAC-Chip 91 MAC-Engine 91 MAC-Filter 166 Macintosh

User 17 Mac OS 180 Mac OS X 178 Mac OS-Freigaben 180 MAN 30

Manchester-Kodierung 81 Massepotenzial 51 Masseverhältnisse 122 MAU, Media Access Unit 46 MCM, Multi Modulation Carrier 212

Media Access Control 90 Media Access Control Address 259 Media Converter 69 Medion Tablet MD99000 175 Medium Dependant Interface 89 Mehrgeräteanschluss 282 Mehrwegeausbreitung 201, 207 Mesh-Routing-Protokoll 219 Mesh-WLAN 218 Message Transfer Protocol 316 Metropolitan Area Networks 30 Microsoft

MS-DOS 16 MIMO-Technik 200, 322, 327 MIMO-Verfahren 325 Minimum Shift Keying 206 MLT-3-Kodierung 87 Mobile Switching Center, MSC 315, 317 Mobile Units 215 MobileIP 218 Mobilfunknetze 311 Mobilnetze

D1 und D2 17 Modem 291

Modemübertragung 295 Moden 137

Moden, Lichtwellenformen 65

Modulation 203

Modulator 203

Monomode 67, 136

Multicast 250, 263

Multicast Messages 234

Multicast-Anwendungen 261

Multicast-Funktion 263

Multi Level Transmission 87

Multilevel-Verfahren 88

Multimode 67, 99, 136

Multimode-Gradienten-Index-Fasern 140

Multiple Input Multiple Output 199, 200

Multiplexing 24, 279

Multiplexprinzip 320

Multipoint Data Communication System with Collision Detection 15

Near End Crosstalk, NEXT 119 Netbook 145, 168, 176 Net-ID 217

Network and Switching Subsystem,

NSS 315, 316, 317 Network Information Center 259 Network Location Awareness, NLA 165 Network Terminator, NT

ISDN 281 Netzmaske 191

Netzwerkauthentifizierung 170 Netzwerkdiagnose 193 Netzwerkdienstprogramm 181 Netzwerk-ID 262

Netzwerkkonfigurierung bei Linux 189 Netzwerk-Terminator-BasisAnschluss 282 Netzwerk-Tools 181 Netzwerktopologien 25 Netzwerkumgebungen 178 Netzwerk- und Freigabecenter 150, 157 Netzwerkverbindung 158
von zwei PCs 55 Netzwerkverkabelung 109 Netzwerkzugang 147 Nibbles 82 Novell 93 NTBA-Adapter 299

O

OC, Optical Carrier 289 OFDM 198

On Off Keying, OOK 205 OnBoard-LAN-Adapter 259 Open Shortest Path First Protocol,

OSPF 252, 263 Operating System 2, OS/2 16

Operation and Maintenance Center, OMC 316

Optic Time Domain Reflectrometry 143 Opto-LAN-Paket, Speedport 71 Ordered Sets 85 Organisationen 35 Orthogonal Frequency Division

Multiplexing 325 Orthogonal Frequency-Division Multi-
plex-Verfahren, OFDM 212 OS/2-Version 1.3 17 OSI-Modell 22, 24, 233 OSI-Referenzmodell 15 OSI-Schichten 316 OTDR-Messgeräte 143

P

Packet Data Network Gateway 325 Packet Internet Groper, Ping 248 Packet Switching Network 23 Padding-Bits 242 Paket Bursting 78 Paketorientierte Übertragung 317 Paketvermittelnde Netze 276, 277 Paketvermittlung 277 Paketvermittlungstechnik 276 PAM5-Codierung 88 Patch-Kabel 123 Patchpanel 65, 127, 142 PCI, Peripheral Component

Interconnect 17 PCI-Bus 73 PC-PC-Verbindung 55 PDH-Multiplexsysteme 287 Peer-to-Peer-Prinzip 309 PEM-Format 304 Pentium-Bug

Divisionsfehler 17 Phantomspannung 105 Phase Shift Keying 205 Phasenkoppler 230 PHY-Controller 89

PHY-Realisierungen 91 Physical Coding Sublayer 98 Physical Layer Signaling 90 Physical Medium Attachment 90 Ping 263 Ping-Befehl 171

Plesiochrone Digitale Hierarchie 287 PoE, Power over Ethernet 104 PoE-Erkennungsphase 106 PoE-Verbindung 107 Point-to-Point Protocol, PPP 299 Point-to-Point Tunneling Protocol,

PPTP 299 Polymer Optical Fiber, POF 71, 126 Pong 14 Port Trunking 97 Ports 238
bei TCP/IP 239 POTS, Plain Old Telephone System 295 Power Line Communication,

PLC 225, 226 Power over Ethernet 104, 126 Powerline-Adapter 231 PPTP-Tunnel 300 Präambel 92, 100 Privacy Extension 244 Protokollnummer 239 Pseudo Noise 210

Public Switched Telephone Network,

PSTN 305 PVC

Permanent Virtual Connections 279

Q

Quad-Kabel 77

Quadrature Amplitude Modulation, QAM

212, 293, 295 Quadrature Phase Shift Keying 206 Quadraturkomponente 207 Quality of Service 31, 200, 244, 306 Quasi-Standards 35

Radio Network 325 RADIUS 221 Rahmentypen 92 RARP-Server 246 Reconciliation Sublayer 90 Reflexion 138 Relay-Stationen 326 Releases 320

Remote Authentication Dial-In User

Service 221 Request for Comment 39 Resistive Power Discovery 106 Reverse Address Resolution Protocol 246 RFC-Dokument 14, 39 RG58-Kabel 49, 110 Richtfunkstrecken 315 Ringtopologie 27 RIP 261

RIP V2-Header 254 RIP-Kommandotyp 254 RIP-Versionen 252 RJ11-Anschluss 292 RJ45-Stecker 114 Roaming 217, 218 Roaming Profiles 181 Root Server 255 Round Trip Delay 44 route 251 Router 146 Router-Modus 155

Routing Information Protocol, RIP 251 Routing-Tabelle 251, 318 RS232-Schnittstelle 294 Run Length Limited Codes 83 Running Disparity 84

S0-Bus 282, 293 SC-Duplex 135 Scheduler 325 Schlüssel 166

Scrambler 101 Scrambling 89 SDH 289 SDH/SONET 101 SDH-Übertragungstechnik 284 Seamless Rate Adaption 297 Secure Socket Layer, SSL 304 Segmente 50

Serving GPRS Support Node, SGSN 317

Session Initiation Protocol, SIP 307

Setup-Programm 147

Shared Medium 44, 63, 227

Short Message Service, SMS 311

Sicherheit 192

Sicherheitseinstellungen 167

Sicherheitsmodus 170

Sicherheitstyp 183

Signal to Noise Ratio, SNR 117

Signalisierung 314

Signalisierungsprotokoll 305

Singlemode 136

SIP Trunk 308

Skype 309

SkypeOut 310

Slimwire-Kabel 126

Slot Time 45, 78

Smartphones 145, 172, 309

SMTP, Simple Mail Transfer Protocol 234

SNAP-Rahmen 95

SO-Bus 295

SONET, Synchronous Optical

Network 31, 289 Spatial Diversity 200 Splitter 296 Splitter-Anschlüsse 298 SSL-Tunnel 304 Standard-Ethernet 43 Sterntopologie 26 STM 289

STM-64-Rahmen 101

Stopfverfahren 287

STP, Shielded Twisted Pair 52, 121

STP-Kabel 52, 121

Stretch Function 101

Stufenindex-Profil 137

Sub Carriers 212

Subnet 261

Subnets 267

Subnetz 30, 256, 268

Subscriber Identity Module, SIM 313

Such-Domain 179

SuperG 201

Supernetting 269

Supernodes 310

Switch-Konfiguration 69

Switch-Module 97

Synchrone Digitale Hierarchie 289

Synchrones Transport-Modul 289

Synchronous Data Link Control,

SDLC 276 System Network Architecture, SNA 14, 276

Tablet-PCs 172 TAE-Dose 291, 292 TCP-Header 236 Teilnetze 266 Teilnetzmaske 179 Telefonanschluss 292 Telefonanschlussdose 290 Telekommunikationsanlage, TK 282 Temporal Key Integrity Protocol,

TKIP 221 Terminal Endpoint Identifier 283 Terminal-Adapter, TA 282 Terminatoren 46

Terminierungswiderstand 29, 49, 110 Tethering 177 Thick Ethernet 16, 28, 43 Thin Wire 43

TIA, Telecommunications Industry Association 37

Time Division Multiple Access,

TDMA 314 Time to Live, TTL 241 TP, Telnet Protocol 234 TP-Kupplungsstücke 55 Tracert, Trace Route 241 Transceiver 29

Transmission Control Protocol,

TCP 14, 24, 235 Transmitter 144 Trellis-Codierung 88 Tributary Unit Group

TUG 290 T-Stück 50 Tunneling 218, 301 TV-Rückkanal 292 Twinax-Kabel 77

Twisted Pair-Kabel 48, 52, 112, 121
testen 128 Twisted Pair-Kabelbelegung 53 Twisted Pair-Verkabelung 16

Überprüfung eines TP-Kabels 129 Übersprechen, Cross Talk 119 Übertrager 122 Übertragungsmedium 23 Übertragungsrahmen 288 Ubuntu 189 UDP-Header 238 Umsteckfelder 127

UMTS Terrestrial Radio Access Network,

UTRAN 320 UMTS-Funkzellen 321 Universal Mobile Telecommunications

System, UMTS 319 Universal Serial Bus, USB 18 U-R2 297 UR2 298

Urgent Pointer 237

User Datagram Protocol, UDP 234

User Data Protocol, UDP 237 UTP/STP-Kabel 61

V.34-Standard 291 V.92-Standard 291 Verarbeitungsschicht 24 Verdrillte Leitungen 112 Verlegevorschriften 103 Verschlüsselung 186, 202 Verschlüsselungsprotokolle 300 VESA-Standard 16 Virtual Channel Identifier, VCI 285 Virtual LAN 33

Virtual Private Network 34, 300 VLAN 33

Voice over IP, VoIP 19, 104, 304 VoIP-Telefonie 307 VoIP-Verbindung 305 Vollduplex-Betrieb 80 Vollduplex-Betriebsart 63 Vollduplex-Modus 62 VPN, Virtual Private Network 299 VPN-Verbindungen 303

W

WAN Interface Sublayer, WIS 101 WAN-Anschlusstechniken 290 WAN-Einstellungen 146, 156 WAN-Interface 145 WAN-Technik 311 WAN-Technologien 275 WAN-Verbindungen 140 Weitverkehr, WAN 11 Well Known Ports 238 Wellenlänge 65 Wellenwiderstand 117 WEP 183 WEP128 220 Western-Stecker 114, 294 Wideband Code Division Multiple Access, WCDMA 319

Wide Wavelength Diversion Multiplexing,

WWDM 99 Wi-Fi 182, 185 Windows 3.0 17 Windows 7 304

Windows Ad-hoc-Verbindungen 183 Windows Internet Name Service,

WINS 256 Windows Sockets, WinSock 234 Windows XP 18 Windows-Computer 180 Windows-NT-Server 271 Windows-Version 15 winipcfg 260 WINS 263 WINTEL 17, 18

Wired Equivalent Privacy, WEP 220 Wireless Ethernet Compatibility 217 Wireless Ethernet Compatibility Alliance,

WECA 202 Wireless LANs 195, 198 Wireless-Sicherheit 166 WLAN Access Point 187, 191 WLAN aktivieren 173 WLAN-Adapter 166, 182, 215 WLAN-Adapterkarten 207 WLAN-Antenne 208 WLAN-Clients 198 WLAN-Einstellungen 185 WLAN-Konfigurierung 182 WLAN-Netzwerke 175 WLAN-Realisierungen 196, 215, 216 WLAN-Symbol 168 WLAN-Verbindungen 178 WLAN-Zugang 174 WOL-Anschluss 131 WPA 183

WPA-Verschlüsselung 220 X.25 276

X.25-Paketvermittlung 280

^_

X.25-Standard 277 Z

X.400 24 Zellularfunk 312

XAUI 101 Zeroconf 243, 273
xDSL-Anschlusse 31
xDSL-Varianten 296

XGXS, extended Sublayer 101

Y

Yagi-Antennen 208 Yellow Cable 28, 43, 109 Youtube-Video 311

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1 7 wäre, was nicht als Maskenwert angegeben werden kann. 62 Subnets bedeuten jedoch, dass dann in jedem Netz lediglich zwei Hosts selektiert werden können, wie es auch in der Tabelle 6.12 noch einmal verdeutlicht wird.

Bei der Anwendung einer Subnet-Maske findet eine Bit-Maskierung statt, und es können nur diejenigen Adressen innerhalb des betreffenden Subnetzes verwendet werden, die nicht durch eine 1 »ausmaskiert« sind, wie es das Beispiel in der Abbildung 6.21 zeigt.

Table of Contents

- Kapitel 1 Grundlagen Computernetzweke
- Kapitel 2 Das Ethernet
- Kapitel 3 Medien verlegen und überprüfen
- Kapitel 4 Wireless Lan
- Kapitel 5 Powerline-Lan
- Kapitel 6 Die Internet-Protokollfamilie
- Kapitel 7 WAN-Verbindungen

- Kapitel 8 Das Mobile Internet-Mobilfunknetze