Kapitel 1 – Computernetzwerke und das Internet (Detaillierte Stichpunkte)

Was ist das Internet?

• Netzwerk von Netzwerken
  • Millionen vernetzter Computer: Server, PCs, Laptops, Smartphones, „coole“ Spezialgeräte (z. B. internetfähiger Toaster, Mini-Web-Server)
  • Hierarchische Struktur
  • Öffentliche Teilnetze + private Intranets
• Bestandteile
  • Hosts/Endsysteme (laufen Anwendungen)
  • Zugangsleitungen / Funkstrecken: Glasfaser, Kupfer, Funk, Satellit
  • Vermittlungseinrichtungen: Switches & Router leiten Pakete weiter
• Übertragungsrate einer Leitung = Bandbreite
• Dienste, die die Infrastruktur ermöglicht
  • Web, VoIP, E-Mail, Games, eCommerce, File-Sharing, Videokonferenz (WebEx), IP-Telefonie
• API-Sicht
  • Anwendungen benutzen Kommunikationsdienste über eine Programmierschnittstelle (API)
  • Analogie: Brief von Alice an Bob – die Infrastruktur stellt Zustellung sicher
  • Zwei Dienstmodelle
  • Zuverlässig (reliable)
  • Best-Effort (unzuverlässig)

Was ist ein Protokoll?

• Analogie zur menschlichen Kommunikation
  • Fragen nach der Uhrzeit, Vorstellen, Handheben in Vorlesung → standardisierte Nachrichten + Reaktionen
• Netzwerkprotokolle
  • Maschinen kommunizieren, nicht Menschen
  • Definieren Format & Reihenfolge der Nachrichten sowie die Aktionen beim Empfang
• Beispiele: TCP, IP, HTTP, Skype, Ethernet
• Standardisierung
  • IETF: RFC (Request for Comments)
  • IEEE: z. B. Ethernet $802.3$

Randbereich des Netzwerkes (Edge)

Endsysteme & Anwendungsarchitekturen

• Client/Server
  • Client fordert Dienst beim Server an (Web-Browser/-Server, E-Mail-Client/-Server)
• Peer-to-Peer (P2P)
  • (Fast) keine dedizierten Server, gleichberechtigte Peers (Skype, BitTorrent)

Zuverlässige Datenübertragung – TCP

• Handshaking erzeugt gemeinsamen Zustand ("Hallo? – Hallo!")
• Diensteigenschaften (RFC 793)
  • Zuverlässige, reihenfolgeerhaltende Übertragung eines Bytestroms
  • Verlustbehandlung: ACKs + Retransmissions
  • Flusskontrolle: schneller Sender überfordert langsamen Empfänger nicht
  • Überlastkontrolle: Sender drosseln bei Netzüberlastung
• Typische Anwendungen: HTTP, FTP, Telnet, SMTP

Unzuverlässige Datenübertragung – UDP

• Verbindungslos, Best-Effort, keine Fluss- oder Überlastkontrolle (RFC 768)
• Typische Anwendungen: Audio/Video-Streaming, Telekonferenzen, DNS, IP-Telefonie

Zugangsnetzwerke & Physikalische Medien

Wichtige Kenngrößen

• Bandbreite $[\text{bit/s}]$
• Geteilter vs. exklusiver Zugang

Maßeinheiten der Datenrate

• $1\,\text{kbit/s}=10^3\,\text{bit/s}$ (⇒ $1\,\text{kB/s}=8\,\text{kbit/s}$)
• $1\,\text{Mbit/s}=10^6\,\text{bit/s}$
• $1\,\text{Gbit/s}=10^9\,\text{bit/s}$

Privathaushalt – Punkt-zu-Punkt-Zugänge

• Modem (Dial-Up)
  • Bis $56\,\text{kbit/s}$, Telefon & Internet nicht parallel
• DSL-Familie (ADSL/VDSL)
  • Upstream bis $40\,\text{Mbit/s}$, Downstream bis $200\,\text{Mbit/s}$
  • Nutzt Telefonleitung, DSLAM im Amt

Privathaushalt – Kabelmodem (HFC)

• Hybrid Fiber Coax, bis $1\,\text{Gbit/s}$ bidirektional
• Viele Haushalte teilen sich Bandbreite, ISP-Router via Koax+Glasfaser

Privathaushalt – Glasfaser (FTTH)

• Direkter Glasfaserpfad bis Haus
• Passive Optical Network (PON)
  • Eine Faser, Splitter verteilt auf ≤ 100 Haushalte, Komponenten: OLT ↔ ONT
• Active Optical Network (AON)
  • Aktive Verstärker/Router, elektrische Verarbeitung, Aufteilung erst kundennah, höherer Strombedarf

Firmenanbindung – LAN

• Ethernet $10\,\text{Mbit/s} \rightarrow 10\,\text{Gbit/s}$
• Endsysteme via Ethernet-Switch an Router des Providers

Drahtlose Zugänge

• WLAN (IEEE 802.11xx) bis ≈ $10\,\text{Gbit/s}$
• Mobile Netze (Provider):
  • 2G GSM < $0{,}5\,\text{Mbit/s}$
  • 3G UMTS < $50\,\text{Mbit/s}$
  • 4G LTE > $500\,\text{Mbit/s}$
  • 5G (aktuell in Aufbau)

Heimnetzwerk – typische Komponenten

• DSL/Kabel-Modem, Router/Firewall/NAT, Ethernet-Switch, WLAN-Access-Point (oft alles in einem Kombigerät)

Physikalische Medien im Detail

• Twisted Pair (TP)
  • Zwei isolierte Kupferdrähte
  • Kategorie 3: $10\,\text{Mbit/s}$; Kat 5: $100\,\text{Mbit/s}$; Kat 6: $1\,\text{Gbit/s}$; Kat 7: $10\,\text{Gbit/s}$
• Koaxialkabel
  • konzentrische Leiter, abgeschirmt, breitbandfähig (Frequenzmultiplex)
• Glasfaser
  • Lichtpulse, $>10\,\text{Gbit/s}$ bis $>10\,\text{Tbit/s}$, geringe Fehlerrate, immun gg. EMV, teuer
• Funk
  • elektromagnetische Wellen
  • Faktoren: Reflexion, Abschattung, Interferenz
  • Varianten: WLAN, Mobilfunk, Satellit (≈ $280\,\text{ms}$ RTT), Short-Range (Bluetooth, ZigBee < $2\,\text{Mbit/s}$)

Inneres des Netzwerkes (Core)

• Viele verbundene Router → Weiterleitung (Forwarding) & Pfadwahl (Routing)
• Leitungsvermittlung vs. Paketvermittlung

Leitungsvermittlung

• Ende-zu-Ende-Ressourcen (Bandbreite, Puffer) werden reserviert → garantierte Dienstgüte
• Keine Ressourcenteilung = Verschwendung bei Nichtnutzung
• Reservierung vor Datentransfer nötig (Setup-Phase)
• Multiplex-Methoden
  • FDM: Frequenzbereiche
  • TDM: Zeitschlitze

Beispiel-Berechnung (TDM-basiert)

• Datei: $640\,\text{kbit}=640\,000\,\text{bit}$
• Leitung: $1{,}536\,\text{Mbit/s}$; $24$ Zeitschlitze ⇒ pro Zeitschlitz $\frac{1{,}536\,\text{Mbit/s}}{24}=64\,\text{kbit/s}$
• Setup-Zeit: $500\,\text{ms}=0{,}5\,\text{s}$
• Übertragungszeit: $\frac{640\,000\,\text{bit}}{64\,000\,\text{bit/s}}=10\,\text{s}$
• Gesamtzeit (ohne Ausbreitungsverzögerung): $0{,}5\,\text{s}+10\,\text{s}=10{,}5\,\text{s}$

Orientierung & Weitere Kapitelvorschau

• Verzögerung, Verlust & Durchsatz (wird später vertieft)
• Protokollschichten & Dienste (Schichtenmodell folgt in Kapitel 5)
• Netzsicherheit & Angriffe (Kapitel 6)
• Historische Entwicklung der Computernetzwerke (Kapitel 7)