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Vorlesung Computernetze I - Einführung
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Bob SimultanOptionen
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    Beitrag: #1
    Vorlesung Computernetze I - Einführung
    25.03.2014, 08:02, Uhr
    (Dieser Beitrag wurde zuletzt bearbeitet: 25.03.2014, 08:02 von Bob Simultan.)

    Handlung
    Betritt den Hörsaal, fährt sein Notebook hoch und startet eine Präsentation

    Liebe Studenten, ich begrüße Sie zur Vorlesung "Computernetze".
    Wir werden uns heute der Einführung in die Materie der Computernetze widmen.

    Handlung
    Schaltet auf die nächste Folie

    Wir werden uns heute folgenden Themen widmen:

    - LAN
    - Allgemeine Netzwerkkomponenten
    - WAN
    - MPLS
    - Netzwerkarchitekturen
    - Netzwerk-Topologien
    - Die richtige Topologie wählen
    - Netzwerk-Backbone
    - Netzwerk-Segment

    Gut, was ist ein Computernetzwerk?

    Ein Computernetzwerk sind zwei oder mehr verbundener COmputer, welche Daten, Büromaschinen und Anwendungen oder eine Kombination der genannten teilen können.

    Kommen wir zu den einzelnen Themen...was ist ein LAN?

    Ein LAN ist ein Local Area Network, sprich ein lokales Netzwerk von Rechnern welches sich über ein geografisch begrenztes Areal wie zB ein Gebäude, einen Raum oder ähnl. erstreckt.
    Man sollte ein LAN immer in logische kleine Netze splitten, im geschäftlichen Bereich ist es zB üblich die Netze anhand der Abteilungen aufzuteilen.
    Ein Nachteil dabei ist, dass man die Abteilungen physisch miteinander verbinden muss, damit diese auf die jeweiligen Ressourcen zugreifen können.
    Der zweite Nachteil ist, dass eine Kommunikation der einzelnen kleinen Netze untereinander nicht möglich ist, man benötigt ein eigenes Netzwerkgerät dafür, einen Router.


    Welche Komponenten hat nun ein Computernetzwerk?

    Wir unterscheiden zwischen

    - Workstations
    - Server
    - Hosts

    Eine Workstation ist ein Rechner der am Netzwerk angeschlossen ist und dessen Ressourcen sofern freigegeben, erreichbar sind.
    Man bezeichnet einen solchen Rechner aufgrund seiner Funktion auch als "Netzarbeitsplatz".

    Als Server bezeichnet man Rechner mit besonders leistungsfähiger Hardware, welche für Dauerbetrieb ausgelegt sind.
    Die Bezeichnung Server kommt von "at the service", da diese Rechner meistens einen oder meherere Dienste - sog. "Services" - anbieten.
    Sie besitzen viel Arbeitsspeicher, Festplattenkapazität und einen schnellen Prozessor, da Ihre Dienste und Ressourcen meist von vielen Benutzern gleichzeitig verwendet werden.

    Folgende Aufgaben werden von Servern wahrgenommen:

    - File server: speichern von Daten
    - Mail server: behandelt Emailfunktionen
    - Print server: regelt die Drucker im Netzwerk
    - Web server: regelt webbasierte Aktivitäten
    - Fax server: sendet und erhält Papierlose Faxe übers Netzwerk
    - Application server: regelt Netzwerkanwendungen
    - Telephony server: regelt den Callcenter und Callrouting
    - Remote access server: ermöglicht Remotezugriff ins z.B.: Firmennetzwerk
    - Proxy server: regelt Aufgaben von anderen Maschinen im Netzwerk


    Als Hosts bezeichnet man schlicht ein Netzwerkgerät mit einer eigenen IP-Adresse.
    Soweit klar?
    Sehr gut, als nächstes werde ich Ihnen erläutern was ein WAN ist.

    Handlung
    Wechselt die Folie

    WAN bedeutet "Wide Area Network", es erstreckt sich meist über weite geographische Areale.
    Das Aquanet ist ein gutes Beispiel für ein WAN.

    Was sind nun die Unterschiede zwischen einem LAN und einem WAN?

    - WANs benötigen Router Ports oder Ports
    - WANs erstrecken sich über weite Areale
    - WANs sind langsamer als lokale Netzwerke
    - Wir können entscheiden wir lange die Verbindung zu einem WAN steht. Bei einem LAN handelt es sich um eine "all or nothing" Verbindung, sprich wir sind entweder verbunden oder nicht.


    Ein wichtiger Bestandteil/ wichtiges Element von WANs ist MPLS(multiprotocol label switching).
    MPLS ermöglicht die verbindungsorientierte Übertragung von Datenpaketen in einem verbindungslosen Netz entlang eines zuvor aufgebauten („signalisierten“) Pfads.
    Gegenüber anderen Protokollen hat MPLS folgende Eigenschaften:

    - Priorizing Data: Priorisierung der Datenpakete
    - Redundancy in case of link failure: Redundanz im Falle eines Verbindungsfehlers
    - One-to-many connection: Eine m:n-Verbindung (Pakete können mehrere versch. Routen zum Ziel nehmen)

    MPLS eignet sich um Datenpakete in einem IP-Netz priorisiert zu routen.


    Handlung
    Nimmt einen Schluck von seiner Mineralwasserflasche und setzt sich dann auf den Schreibtisch um fortzufahren

    Als nächstes werde ich Ihnen einige Netzwerk-Architekturen zeigen.
    Das wären Peer-to-Peer Netzwerke und Client-Server Netzwerke.

    In einem Peer-to-Peer-Netzwerk ist jeder angeschlossene Computer zu den anderen gleichberechtigt. Jeder
    Computer stellt den anderen Computern seine Ressourcen zur Verfügung. Ein Peer-to-Peer-Netzwerk eignet
    sich für bis zu 10 Stationen. Diese Art von Netzwerk ist relativ schnell und kostengünstig aufgebaut.
    Einen Netzwerk-Verwalter gibt es nicht. Jeder Netzwerk-Teilnehmer ist für seinen Computer selber
    verantwortlich. Deshalb muss jeder Netzwerk-Teilnehmer selber bestimmen, welche Ressourcen er freigeben
    will. Auch die Datensicherung muss von jedem Netzwerk-Teilnehmer selber vorgenommen werden.

    In einem serverbasierten Netzwerk dagegen werden die Daten auf einem zentralen Computer gespeichert und verwaltet.
    Der Anwender betreibt auf seinem Computer Anwendungsprogramme (Client), die die Ressourcen des Servers
    auf der Anbieterseite zugreifen. Hier werden die Ressourcen zentral verwaltet, aufgeteilt und zur Verfügung
    gestellt. Der Client stellt eine Anfrage. Der Server wertet die Anfrage aus und liefert eine Antwort bzw. die
    Daten zurück.


    Wir kennen nun einige Architekturen von Netzwerken, nun lernen wir verschiedene Topologien von Netzwerken kennen.

    Bus-Topologie

    [Bild: Netzwerktopologie_Bus.png]

    Die Bus-Topologie besteht aus mehreren Stationen, die hintereinander geschaltet sind. Die Stationen sind über
    eine gemeinsame Leitung miteinander verbunden. Alle Stationen, die an dem Bus angeschlossen sind, haben
    Zugriff auf das Übertragungsmedium und die Daten, die darüber übertragen werden. Um Störungen auf der
    Leitung zu verhindern und die physikalischen Bedingungen zu verbessern, werden die beiden Kabelenden mit
    einem Abschlusswiderstand versehen.
    Eine zentrale Netzwerkkomponente, die die Abläufe auf dem Bus regelt, gibt es nicht. Dafür ist ein
    Zugriffsverfahren für die Abläufe auf dem Bus verantwortlich, an dessen Regeln sich alle Stationen halten.
    Den Daten wird die Adresse des Empfängers, des Senders und eine Fehlerbehandlung angehängt.

    Vorteile

    - Der Ausfall eines Gerätes hat für die Funktionalität des Netzwerkes keine Konsequenzen
    - Nur geringe Kosten, da nur geringe Kabelmengen erforderlich sind
    - Einfache Verkabelung und Netzerweiterung
    - Es werden keine aktiven Netzwerkkomponenten benötigt

    Nachteile

    - Datenübertragungen können leicht abgehört werden (Stichwort: Sniffer).
    - Eine Störung des Übertragungsmediums an einer einzigen Stelle im Bus (defektes Kabel) blockiert den gesamten Netzstrang.
    - Es kann zu jedem Zeitpunkt immer nur eine Station Daten senden. Währenddessen sind alle anderen Sender blockiert (müssen zu übertragende Daten intern zwischenpuffern).
    - Bei Bussen, die Kollisionen zulassen und auf eine nachträgliche Behebung setzen, kann das Medium nur zu einem kleinen Teil ausgelastet werden, da bei höherem Datenverkehr überproportional viele Kollisionen auftreten.


    Stern-Topologie

    [Bild: Netzwerktopologie_Stern.png]

    In der Stern-Topologie befindet sich eine zentrale Station, die eine Verbindung zu allen anderen Stationen
    unterhält. Jede Station ist über eine eigene Leitung mit der zentralen Station verbunden. Es handelt sich im
    Regelfall um einen Hub oder einen Switch. Das Netzwerk funktioniert nur so lange, bis die Zentralstation
    ausfällt. Die anderen Netzwerkstationen können jederzeit hinzugefügt oder entfernt werden. Sie haben keinen
    Einfluss auf den Betrieb des Netzwerks.

    Vorteile

    - Der Ausfall eines Endgerätes hat keine Auswirkung auf den Rest des Netzes.
    - Dieses Netz bietet hohe Übertragungsraten, wenn der Netzknoten ein Switch ist.
    - Leicht erweiterbar
    - Leicht verständlich
    - Leichte Fehlersuche
    - Kombinierte Telefon- / Rechnernetzverkabelung möglich
    - Sehr gute Eignung für Multicast-/Broadcastanwendungen
    - Kein Routing benötigt

    Nachteile

    - Durch Ausfall des Verteilers wird Netzverkehr unmöglich
    - Niedrige Übertragungsrate bei vielen Hosts wenn ein Hub benutzt wird → Unterteilung des Netzes mit Switch ist notwendig
    - Hoher Kabelaufwand


    Ring-Topologie

    [Bild: Netzwerktopologie_Ring.png]

    Die Ring-Topologie ist eine geschlossene Kabelstrecke in der die Netzwerk-Stationen im Kreis angeordnet sind.
    Das bedeutet, dass an jeder Station ein Kabel ankommt und ein Kabel abgeht.
    Im Ring befindet sich keine aktive Netzwerk-Komponente.
    Wird die Kabelverbindung an einer Stelle unterbrochen fällt das Netzwerk aus.

    Vorteile

    - Deterministische Rechnernetzkommunikation ohne Paketkollisionen – Vorgänger und Nachfolger sind definiert
    - Alle Stationen arbeiten als Verstärker
    - Alle Rechner haben gleiche Zugriffsmöglichkeiten
    - Garantierte Übertragungsbandbreite
    - Skaliert sehr gut, Grad bleibt bei Erweiterung konstant
    - Reguläre Topologie, daher leicht programmierbar

    Nachteile

    - Niedrige Bisektionsweite und Konnektivität, d. h. einerseits, dass der Ausfall eines Endgerätes dazu führt, dass die gesamte Netzkommunikation unterbrochen wird (Ausnahme bei Protection-Umschaltung – siehe: FDDI). Das stimmt bei neuen Karten allerdings nicht mehr, da jede Karte diese Protection-Umschaltung beherrscht. Andererseits gibt es wenig Alternativwege, was im Falle von hohen Lastzuständen auf einem Ringabschnitt zu Engpässen führen kann
    - Teure Komponenten
    - Darf/kann nicht für kombinierte Rechnernetz-/Telefonverkabelung eingesetzt werden
    - Relativ hoher Durchmesser, d. h. hohe Latenzen zu entfernten Knoten
    - Hoher Verkabelungsaufwand
    - Datenübertragungen können leicht abgehört werden.


    Vermaschte-Topologie

    [Bild: Netzwerktopologie_vermascht.png]

    Die vermaschte Topologie ist ein dezentrales Netzwerk, das keinen verbindlichen Strukturen
    unterliegen muss. Allerdings sind alle Netzwerk-Stationen irgendwie miteinander verbunden. Häufig dient dieses
    Modell als perfektes Netzwerk in dem jede Netzwerk-Station mit allen anderen Stationen mit der vollen
    Bandbreite verbunden ist. Beim Ausfall einer Verbindung gibt es im Regelfall einige alternative Strecken, um
    den Datenverkehr unterbrechungsfrei fortzuführen.
    Das Aquanet stellt ein solches Netzwerk dar.

    Vorteile

    - Sicherste Variante eines Netzwerkes
    - Bei Ausfall eines Gerätes oder einer Verbindung ist durch Umleitung die Datenkommunikation weiterhin möglich
    - Sehr leistungsfähig
    - Gute Lastverteilung
    - Keine zentrale Verwaltung

    Nachteile

    - Hoher Energieverbrauch
    - Vergleichsweise komplexes Routing nötig
    - Jedes Endgerät arbeitet als Router und ist demnach oft aktiv
    - Die Endgeräte sollten möglichst eingeschaltet bleiben, um die Beständigkeit des Netzwerkes zu garantieren


    Desweiteren gibt es noch folgende Topologien:

    Point-to-Multipoint Topologie

    Verbindung zwischen einem Interface mit mehreren Geräten.

    Hybrid Topologie

    Eine Kombination aus 2 oder mehreren Topologien.


    Wie entscheide ich nun welche Topologie ich verwende?
    Im wesentlichen schaut man auf folgende Punkte:

    - Die Kosten
    - Der Installationsaufwand
    - Der Instandhaltungsaufwand
    - Die Fault-tolerance Voraussetzung

    Gut, kommen wir nun zu zwei weiteren wesentlichen Netzwerk-Elementen, dem Backbone und dem Segment.


    Netzwerk Backbone
    Backbone ist eine Bezeichnung für die Hauptübertragungsstrecke (meist Gigabit Ethernet) in einem Netzwerk.
    Er besteht in der Regel aus mehreren Netzknoten, die untereinander verbunden sind. Die Netzknoten sind die
    Zugangspunkte zum Backbone. Man spricht auch vom Kernnetz oder Core Network.

    Netzwerk Segment
    Ein Netzwerksegment ist ein Teil eines größeren, zusammenhängenden Netzwerkes, das logisch und/oder
    physisch vom Rest des Netzwerkes getrennt ist.


    Damit wären wir am Ende dieser Vorlesung angekommen.
    Sie wissen nun über die versch. Arten von Netzwerken, deren Architekturen und Topologien bescheid.
    Wenn es keine Fragen gibt sind Sie hiermit entlassen, einen schönen Tag noch.


    Handlung
    Setzt sich hinter den Schreibtisch und fährt sein Notebook herunter

    Wissenschaftskonsorzirat

    "Wo man ihm ein Rätsel schenkt, steht der Ingenieur und denkt"

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