7. Netzwerktheorie

7.1. Das OSI-Schichtenmodell 

Viele Vorgänge bei der Übertragung von Daten in Netzwerken werden mit einem abstrakten Modell, dem OSI-Schichtenmodell erklärt. Auf der Senderseite läuft die Kommunikation von oben nach unten und auf der Empfängerseite von unten nach oben. Logisch gesehen erfolgt die Kommunikation zwischen Sender und Empfänger jedoch horizontal in jeder Schicht. Nur bei gleichen Protokollen in einer Schicht ist eine Kommunikation möglich. Die 7 Schichten kann man sich gut mit dem Merkspruch „All people seem to need data processing“ einprägen .

Das OSI-Modell im Überblick (im Vergleich dazu das TCP/IP-Referenzmodell):

7.1.1. Schicht 7 Anwendungsschicht 

(engl. application layer, auch: Verarbeitungsschicht, Anwenderebene) Die Anwendungsschicht ist die oberste der sieben hierarchischen Schichten. Sie stellt den Anwendungen eine Vielzahl an Funktionalitäten zur Verfügung (zum Beispiel Datenübertragung, E-Mail, Virtual Terminal beziehungsweise Remote login etc.).

7.1.2. Schicht 6 Darstellungsschicht 

(engl. presentation layer, auch: Datendarstellungsschicht, Datenbereitstellungsebene) Die Darstellungsschicht setzt die systemabhängige Darstellung der Daten (zum Beispiel ASCII, EBCDIC) in eine unabhängige Form um und ermöglicht somit den syntaktisch korrekten Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Systemen. Auch Aufgaben wie die Datenkompression und die Verschlüsselung gehören zur Schicht 6.

7.1.3. Schicht 5 Sitzungsschicht 

(engl. session layer, auch: Kommunikationssteuerungsschicht, Steuerung logischer Verbindungen, Sitzungsebene) Um Zusammenbrüche der Sitzung und ähnliche Probleme zu beheben, stellt die Sitzungsschicht Dienste für einen organisierten und synchronisierten Datenaustausch zur Verfügung. Zu diesem Zweck werden Wiederaufsetzpunkte, so genannte Token eingeführt, an denen die Sitzung nach einem Ausfall einer Transportverbindung wieder synchronisiert werden kann, ohne dass die Übertragung wieder von vorne beginnen muss.

7.1.4. Schicht 4 Transportschicht 

(engl. transport layer, auch: Ende-zu-Ende-Kontrolle, Transport-Kontrolle) Zu den Aufgaben der Transportschicht zählt die Segmentierung von Datenpaketen und die Stauvermeidung (engl. congestion control). Die Transportschicht ist die unterste Schicht, die eine vollständige Ende-zu-Ende Kommunikation zwischen Sender und Empfänger zur Verfügung stellt. Sie bietet den anwendungsorientierten Schichten 5-7 einen einheitlichen Zugriff, so dass diese die Eigenschaften des Kommunikationsnetzes nicht zu berücksichtigen brauchen. Fünf verschiedene Dienstklassen unterschiedlicher Güte sind in Schicht 4 definiert und können von den oberen Schichten benutzt werden, vom einfachsten bis zum komfortabelsten Dienst mit Multiplexmechanismen, Fehlersicherungs- und Fehlerbehebungsverfahren.

7.1.5. Schicht 3 Netzwerkschicht 

(engl. network layer, auch: Vermittlungsschicht, Paketebene) Die Netzwerkschicht sorgt bei verbindungsorientierten Diensten für das Schalten von Verbindung und bei paketorientierten Diensten für die Weitervermittlung von Datenpaketen. Die Datenübertragung geht in beiden Fällen jeweils über das gesamte Kommunikationsnetz hinweg und schließt die Wegesuche (Routing) zwischen den Netzknoten mit ein. Da nicht immer eine direkte Kommunikation zwischen Absender und Ziel möglich ist, müssen Pakete von Knoten, die auf dem Weg liegen, weitergeleitet werden. Weitervermittelte Pakete gelangen nicht in die höheren Schichten, sondern werden mit einem neuen Zwischenziel versehen und an den nächsten Knoten gesendet. Zu den Aufgaben der Netzwerkschicht zählt der Aufbau und die Aktualisierung von Routingtabellen, sowie die Flusskontrolle. Auch die Netzwerkadressen gehören zu dieser Schicht. Da ein Kommunikationsnetz aus mehreren Teilnetzen unterschiedlicher Technologien bestehen kann, sind in dieser Schicht auch die Umsetzungsfunktionen angesiedelt, die für eine Weiterleitung zwischen den Teilnetzen notwendig sind.

7.1.6. Schicht 2 Sicherungsschicht 

(engl. data link layer, auch: Verbindungssicherungsschicht, Verbindungsebene, Prozedurebene) Aufgabe der Sicherungsschicht ist es, eine sichere, das heißt weitgehend fehlerfreie Übertragung zu gewährleisten und den Zugriff auf das Übertragungsmedium zu regeln. Dazu dient das Aufteilen des Bitdatenstromes in Blöcke und das Hinzufügen von Folgenummern und Prüfsummen. Durch Fehler verfälschte oder verloren gegangene Blöcke können vom Empfänger durch Quittungs- und Wiederholungsmechanismen erneut angefordert werden. Die Blöcke werden auch als Frames oder Rahmen bezeichnet. Eine so genannte Flusskontrolle macht es möglich, dass ein Empfänger dynamisch steuert, mit welcher Geschwindigkeit die Gegenseite Blöcke senden darf. Die amerikanische Ingenieursorganisation IEEE sah die Notwendigkeit, auch den konkurrierenden Zugriff auf ein Übertragungsmedium zu regeln, was im OSI-Modell nicht vorgesehen ist. Sie teilte die Sicherungsschicht in zwei Subschichten auf: die LLC-Schicht (logical link control) und die Mediumzugriffsschicht (medium access control layer, MAC-Layer). Die Mediumzugriffsschicht bietet einen einfachen verbindungslosen Dienst und regelt konkurrierende Zugriffe mehrerer Stationen auf ein gemeinsames Übertragungsmedium wie zum Beispiel auf einen Bus und behandelt ggf. aufgetretene Kollisionen. Die LLC-Schicht bietet verbindungslose und auch verbindungsorientierte Dienste mit und ohne Quittungsverfahren.

7.1.7. Schicht 1 Physische Schicht 

(engl. physical layer, auch: Bitübertragungsschicht, physische Ebene) Die Physische Schicht ist die niedrigste Schicht. Die Festlegungen für Schicht 1 umfassen vor allem die mechanischen (Steckverbinder, etc.), elektrischen (Pegel, Pulsform, etc.) beziehungsweise optischen (Wellenlänge) Eigenschaften des Übertragungsmediums (Kabel, Glasfaser, Funktechnik, etc.)

7.2. Übertragungsverfahren

7.2.1. Basisband 

auch: Basisbandverfahren, engl.: baseband, baseband transmission

wird ein Übertragungsverfahren genannt, das das Übertragungsmedium vollständig in Anspruch nimmt. Das Signal benutzt ein einziges, nicht weiter unterteiltes Frequenzband (Frequenzbereich). Die zu übertragenden Informationen müssen nicht moduliert werden, sondern sie werden eins zu eins dargestellt.

Sollen Nachrichten an mehrere Netzwerk-Teilnehmer versandt werden, müssen diese zeitlich versetzt übertragen werden. Die Leitung ist zum Zeitpunkt einer Übertragung für andere nicht verfügbar. Das Verfahren wird u. a. im LAN von Ethernet angewendet.

7.2.2. Breitband 

auch: Breitbandverfahren, engl.: broadband, broadband transmission

wird ein Übertragungsverfahren genannt, das das Frequenzspektrum eines Übertragungsmediums in mehrere parallele Kanäle unterteilt. Alle Kanäle sind einer so genannten Trägerwelle aufmoduliert, ohne sich gegenseitig zu stören. Dadurch wird die gleichzeitige, unabhängige Übertragung mehrerer Nachrichten ermöglicht.

Anwendung findet dies u. a. beim Radio und bei Kabelfernsehnetzen. Meist wird nicht das gesamte Spektrum ausgenutzt, um weitere Dienste implementieren zu können, z. B. die Übertragung von Internet-Daten über das Kabelnetz.

7.3. Zugriffsverfahren

7.3.1. Was sind Zugriffsverfahren? 

Nachdem mit der Topologie die räumliche Anordnung eines Netzwerkes festgelegt wird, braucht es zur störungsfreien Nutzung eines Netzes ein Verfahren für den Zugriff auf das Übertragungsmedium. Dieses Verfahren garantiert eine Vermeidung von Zugriffskonflikten.

In einem Computernetz können normalerweise alle angeschlossenen Rechner (Stationen) auf das Netz gleichzeitig zugreifen (senden und empfangen). Weiterhin sind normalerweise die Daten, die eine Station sendet, an allen Punkten des Netzes zu empfangen. Senden nun mehrere Stationen gleichzeitig, so überlagern sich die Daten zu einem nicht mehr lesbaren Signalgemisch (Jam). Die Zugriffsverfahren organisieren die (weitest gehende) Vermeidung von Jam. Bei einem sternförmigen Netzwerk wird dieses Verfahren im zentralen Knoten integriert, bei allen anderen Topologien muss dagegen ein verteilter Kontrollmechanismus implementiert werden. Zwei der heute gängigsten Zugriffsverfahren werden im folgenden Abschnitt erklärt:

7.3.2. Carrier Sense Multiple Access (CSMA) 

Die CSMA Strategie gestattet es jedem Knoten mit Sendebegehren, gemäß festgelegter Regeln auf das Netz zuzugreifen. Als erstes wird der Teilnehmer vor der Übertragung auf dem Netz 'hören', ob Daten übertragen werden und nur dann einen Sendevorgang einleiten, wenn das Netz frei ist. Eine Kollision kann bei diesem Verfahren nur dann auftreten, wenn zwei Knoten mit Sendeabsichten gleichzeitig ein freies Netz feststellen und mit ihrer Sendung beginnen. Der sendende Knoten muss also in der Lage sein, eine Kollision festzustellen und dann die Sendung sofort abzubrechen. Danach wartet jeder Knoten eine zufällig generierte Zeit lang, bevor eine erneute Sendung versucht wird. Das heute gebräuchlichste Verfahren in der Reihe CSMA/CD (Collision Detection) ermöglicht es jedem Knoten, auch während des Sendevorgangs auf dem Netz auf Kollisionen zu „hören“.

Ein CSMA-Netzwerk ist am besten geeignet für leichte bis mittel belastete Netzwerke mit mehreren Arbeitsstationen und einzelnen Abteilungssystemen. Weniger geeignet sind sie allerdings dann, wenn eine minimale Antwortzeit für die Datenkommunikation garantiert sein muss, denn bei einem derartigen Netzwerk weiß man nie, zu welchem Zeitpunkt eine Station sendet. Daher spricht man von einem nicht deterministischen Zugriffsverfahren. CSMA ist das gängige Zugriffsverfahren für Ethernet.

Vorteile:

• Geringer Hardware- und Verwaltungsaufwand.

Nachteile:

• Je mehr Stationen desto mehr Kollisionen und geringerer Datendurchsatz.

• Zeitpunkt einer Sendung kann nicht vorhergesagt werden, ergibt sich stochastisch (nicht deterministisch).

• Ungeeignet für zeitkritische Anwendungen.

7.3.3. Token Passing 

Bei dem ursprünglich für Ringnetzwerke konzipierten Verfahren wird eine bestimmte Kontrollinformation (Token) als Datenpaket von Knoten zu Knoten weitergereicht. Diese Informationsweiterleitung kann man sich wie einen Staffelstab bei einem Staffellauf vorstellen. Ein Knoten mit Sendebegehren entfernt einen freien Token vom Netz, und sendet statt dessen seine Daten. Nach einem erfolgreichen Senden muss diese Station wieder einen freien Token aufs Netz einfügen. Damit hat nun die nächstfolgende Station die Gelegenheit zum Senden. Senden kann zu jedem Zeitpunkt nur derjenige, der den „Staffelstab“ (den freien Token) ergriffen hat.

Ein Token-Netzwerk ist am besten geeignet für stark belastete Netze oder für Netze mit kontinuierlichem Datenverkehr. Beispiele dafür sind Verbindungen zwischen Großrechnern (Transfer von hohen Datenvolumen) oder der Einsatz in Fabriken zur Steuerung von Maschinen (z. B. General Motors). Letzteres ein Beispiel für ein Netzwerk, wo die Antwortzeit auf dem Netzwerk einen Maximalwert nicht übersteigen darf (deterministisch).

Vorteile:

• Netz kann bis zur max. zugelassenen Anzahl an Stationen ausgebaut werden, ohne dass der geregelte Datendurchsatz beeinträchtigt wird.

• Zeitpunkt einer Sendung kann berechnet werden.

• Verfahren für zeitkritische Anwendungen geeignet.

Nachteile:

• Hoher Hardware- und Konfigurationsaufwand.

• Sendewillige Station kann nicht sofort senden, sondern muss auf den Token warten.

7.3.4. Sonstige Zugriffsverfahren 

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance): Sendewillige Station sendet erst ein Warnsignal, das von allen gehört werden muss.

Vorteile:

• Vermeidung von Kollisionen

Nachteile:

• Durch Warnsignal noch langsamer

Verwendet bei Fa. Apple (AppleTalk)

DPAM (Demand Priority)

Baut darauf auf, dass alle Stationen an Verteiler angeschlossen sind. Will eine Station senden, schickt sie eine Anfrage (Request) an den Verteiler. Sofern keine andere Anfrage vorliegt, wird sie sofort mit dem Ziel verbunden.

Genutzt von HP (100VG AnyLAN), hat sich am Markt nicht durchgesetzt, sehr teuer.

7.4. Protokolle

7.4.1. Was sind Protokolle? 

Um Rechner miteinander kommunizieren zu lassen, genügt es nicht, dass man sie mit einem Kabel verbindet – man muss auch dafür sorgen, dass sie die gleiche „Sprache“ sprechen. Das heißt, dass man eine für alle Rechner des Netzwerkes gleich lautende Vorschrift entwickelt, nach der die zu übertragenden Informationen kodiert und beim Empfänger wieder dekodiert werden. Diese Vorschriften nennt man Protokolle.

Protokolle sind Kommunikationsregeln. Die meisten Protokolle lassen sich den einzelnen Schichten des OSI-Referenzmodells zuordnen, da es hier um die Kommunikation zwischen Computersystemen geht.

In einem Protokoll sind technische Aspekte (Codierung der Daten, Übertragungsgeschwindigkeit, ...) und der algorithmische Ablauf der Übertragung (welche Station sendet wann, Quittierung der empfangenen Daten, Behandlung von Übertragungsfehlern, ...) festgelegt.

7.4.2. Protokoll-Stack 

Einzelne Protokolle kümmern sich nur um Teilaufgaben, deshalb werden mehrere Protokolle zu Protokollfamilien oder –sammlungen, den Protokollstacks (engl. Stapel), zusammengefasst. Die Kommunikation zwischen Netzwerkkomponenten funktioniert nur, wenn

• Gleiche Protokollstacks benutzt werden

oder

• Geräte verwendet werden, die zwischen verschiedenen Stacks vermitteln

Bei Installation einer Netzwerkkarte oder eines Netzwerks müssen Protokolle angegeben und ggf. konfiguriert werden.

7.4.3. Routing-Fähigkeit 

Routing-Fähigkeit ist ein wichtiges Kriterium der Protokoll-Stacks.

Routing ist die Vermittlungsfunktion, die notwendig wird, wenn Daten von einem Netzwerkknoten oder LAN zu einem anderen LAN übertragen werden müssen und dabei unterschiedliche Übertragungswege möglich sind.

Routingfähige Protokolle liefern Informationen, die es einem Router ermöglichen, eine Entscheidung zu treffen, wohin ein Datenpaket weitergereicht werden soll.

Router: (route = Weg) Hard-/Software, die den Datenfluss der Pakete steuert.

Das wichtigste Protokollpaket ist derzeit TCP/IP

7.4.4. Verbindungslose und verbindungsorientierte Protokolle 

Ein verbindungsorientiertes Protokoll (z. B. TCP) stellt immer zuerst eine Verbindung zur Gegenstelle her und prüft diese. Erst nach erfolgreicher Prüfung beginnt die eigentliche Datenübertragung. Verbindungslos (z. B. UDP) heißt, es wird nicht erst eine Verbindung zum Gegenüber aufgebaut, sondern man schickt „auf gut Glück“ eine Anfrage. Es ist also nicht garantiert, dass das Paket überhaupt ankommt.

Aufgrund dieser Tatsache können zwischen zwei Hosts relativ schnell Datenpakete ausgetauscht werden. UDP wird deshalb dort eingesetzt, wo die schnelle Übermittlung wichtiger ist als die Zuverlässigkeit, also die Gewissheit, dass die Daten korrekt und vollständig angekommen sind. In der Praxis sind das Übertragungen von Multimedia-Daten oder bei Daten bei Online-Spielen. Auch ein sehr wichtiger Dienst im Internet, das Domain Name System, setzt auf UDP auf.

Zeitlicher Versatz der Pakete (engl. jitter) kann bei UDP nicht erkannt werden.

7.4.5. Ports

Da unterschiedliche Dienste wie FTP oder HTTP bei einem per TCP erreichbaren Rechner unter derselben IP-Adresse abgerufen werden können, muss über eine zusätzliche Kennung deutlich gemacht werden, welcher Dienst konkret gewünscht wird. Dies geschieht über die Portnummer. Port 0 bis 1023 sind international genormt, theoretisch kann jede beliebige Nummer verwendet werden. Portnummern sind also reine Kennzahlen, die im unteren Bereich einer internationalen Normierung unterliegen.

7.4.6. Warum ist mein Computer durch offene Ports gefährdet? 

Wenn ich aus dem Internet Daten empfangen möchte, dann muss ich bestimmte Programme oder Dienste installieren, die mir diesen Empfang ermöglichen. Z. B. muss ich, wenn ich WWW-Seiten empfangen möchte, dafür sorgen, dass die Daten, die über die Portnummer 80 (besser: mit der Portkennung 80) empfangen werden, durch bestimmte installierte Protokolle und einen Browser bei mir richtig angezeigt werden.

Das bedeutet, dass nur dann Daten zu mir gelangen, wenn mein Computer auf eine bestimmte Portkennung antwortet oder irgendwie reagiert. Wenn ein potenzieller Angreifer aus dem Internet durch Übertragung der Portnummer 23 herausbekommt, dass bei mir ein Telnet-Serverprogramm aktiv ist, so kann er über diesen „offenen“ Port 23 meinen Computer fernsteuern.

Ein offener Port ist also nichts anderes als ein auf meinem Computer installiertes Programm, das bei Angabe einer bestimmten Portnummer aktiv wird.

Diese aktiven Programme können z. B. durch Installation von Software zweifelhafter Herkunft auf meinen Computer gelangen. Wenn man den Verdacht hat, dass man durch offene Ports Angriffsfläche bietet, so sollte man durch Einsatz bestimmter Diagnosesoftware diese Lücken erkennen und schließen.

7.4.7. Übersicht über wichtige Protokolle 

7.4.7.1. TCP/IP

TCP/IP besteht aus einem Satz von Programmen, um die Kommunikation der verschiedenen Computer des weltumspannenden Netzes Internet zu ermöglichen.

7.4.7.1.1. TCP (Transport Control Protocol)

Bevor Client und Server Daten austauschen können, wird eine Verbindung zwischen den Rechnern aufgebaut. Um zu vermeiden, dass große Datenmengen das Netz für andere blockieren, sind folgende Verfahren vereinbart:

• Die Daten werden in Pakete aufgeteilt und durchnummeriert.

• Je nach Auslastung der Übertragungsstrecke wird evtl. ein anderer Weg (Route) zum Empfänger gewählt. Dadurch ist es möglich, dass spätere Datenpakete einer Datei solche mit kleinerer Nummer überholen, sofern für sie eine schnellere Route gewählt wurde.

• Das TCP-Protokoll im Zielrechner setzt die Datenpakete wieder in der richtigen Reihenfolge zusammen.

• Fehlende Datenpakete werden vom sendenden Rechner erneut übertragen.

7.4.7.1.2. IP (Internet Protocol)

Das Internet-Protokoll hat die Aufgabe, die Daten zum gewünschten Rechner (IP-Adresse) zu übertragen.

• Hierzu ergänzt das Internet-Protokoll die Datenpakete um Absender- und Zieladressen.

• Der sendende Rechner leitet die Pakete an den nächsten bekannten Rechner (= Router) weiter: Jeder Rechner verfügt über eine sog. Routingtabelle, die die Adressen erreichbarer Rechner im Netz enthält.

• Falls dieser Rechner nicht der Zielrechner ist, sorgt er für die Weiterleitung der Pakete (die Übertragung erfordert keine durchgehende Verbindung).

• Dieser Routingvorgang wird auf jedem Rechner beim Empfang eines IP-Pakets durchgeführt, bis das Paket am Zielort angelangt ist.

7.4.7.2. NetBIOS

(Network Basic Input Output System: Nicht routingfähiges Protokoll, entwickelt von IBM. Die Netzwerkrechner werden über eindeutige, maximal 15 Zeichen lange Namen identifiziert und angesprochen.

7.4.7.3. NetBEUI

NetBIOS Extended User Interface: Nicht routingfähiges, robustes, kleines und sehr schnelles Protokoll, entwickelt von Microsoft. Für kleinere Netzwerke, die nur aus einem Segment bestehen, gibt es keine schnellere Verbindungsmöglichkeit.

7.4.7.4. IPX/SPX

Internetwork Packet Exchange/Sequenced Packet Exchange. Mittlerweile veraltetes Protokoll der Firma Novell.