Basics

Signal

Ein Signal ist eine physikalisch messbare, zeitabhängige Größe.
Abhängig vom verwendeten Medium gibt es verschiedene Ausprägungen der relevanten Größen.

Medium

Amplitude

Maximale Auslenkung von der “Mitte” aus, stark abhängig vom physischen Medium

Frequenz

Wiederholungen des Signals pro Sekunde

Phase

Genaue “Position” des Signals innerhalb einer Periode

Bandbreite

Frequenzbereich in dem ein Signal effektiv übertragen werden kann.
Gibt die Differenz zwischen der höchsten und der niedrigsten Frequenz in diesem Bereich an.

Baudrate

Geschwindigkeit mit der Symbole übertragen werden.
Wird verwendet um beim Dekodieren die Richtige Menge Bits zu Messen und zu verarbeiten

Bitrate

Menge an übertragener Bits pro Sekunde, meist gleich wie Baudrate
Szenarien sind möglich bei denen die Bitrate höher ist.

Modulation

Die Information eines Signal kann durch Veränderung unterschiedlicher Eigenschaften symbolisiert werden.

Amplitude Key Shifting (AKS)

Frequency Key Shifting (FKS)

Phase Key Shifting (PKS)

Diese werden beispielsweise bei Wi-Fi 6 kombiniert eingesetzt um mit einer Welle mehr Informationen übertragen zu können.

Kollision

Je nach Wahl des physischen Übertragungsmediums kann durch gleichzeitiges Senden verschiedener Signale eine Störung der Kommunikation entstehen. Beispielsweise Interferenz der elektrischen Wellen.
Sie sind nur bei Halbduplex möglich.
Bei Simplex gibt es nur einen Sender, bei Vollduplex existieren separate Kanäle für beide Kommunikationsrichtungen.
Es gibt verschiedene Protokolle zur Behandlung von Kollisionen.

Kollisionsdomäne

Beschreibt den Teil eines Netzwerks in dem mehrere Geräte ein gemeinsames Medium verwenden.
Durch den Einsatz von Hubs werden sie vergrößert.
Jedes physische Netz ist eine Kollisionsdomäne. Bridges oder Switches unterteilen die Kollisionsdomäne. Idealerweise ist jedes Gerät an einen eigenen Port eines Switches angebunden. In diesem Fall spricht man von einem vollständig geswitchten Netzwerk.

Netzwerk

Ein Netzwerk ist eine Gruppe von (Computer-)Systemen die über Kommunikationsleitungen verbunden sind und gemeinsame Ressourcen und Informationen nutzen.
Es umfasst sowohl die physische Einrichtung als auch die entsprechenden Vermittlungs- und Übertragungsverfahren.

Netzwerktypen

• PAN
  Personal (Bluetooth)
• LAN
  Local (Heimnetz)
• MAN
  Metropolitan
• WAN
  Wide Area (Mobilfunk)
• GAN
  Global (Internet)

VLAN

Virtuelles LAN ist eine Trennung eines physischen Netzes durch VLAN fähige Switches anhand von Ports oder anderen Merkmalen.
Datenpakete werden nur in dem VLAN versandt aus dem sie geschickt wurden.

Netzwerktopologien

Beschreiben verschiedene Varianten Rechner in einem System mit einander zu verbinden. Bei der Entscheidung sind verschiedene Eigenschaften der unterschiedlichen Optionen zu beachten. Beispielsweise die Erweiterbarkeit des Systems oder das Verhalten bei Ausfällen eines Einzelnen relevant.
Übertragungsgeschwindigkeit und tatsächliche physische Anschlussmöglichkeiten spielen ebenfalls eine Rolle.

Vermascht

Verbindungen werden zwischen Computern gezogen deren Kommunikation besonders hohe Übertragungsraten benötigt.
Wenn jedes Paar an Rechnern eine Verbindung besitzt, so spricht man von einem voll-vermaschten System.

Vorteile

• Optimale Datenübertragung
• Ausfall eines Computers hat kaum Einfluss auf das restliche Netzwerk

Nachteile

• Komplex und Teuer
  (Besonders bei weiten Wegen)
• Schlechte Skalierbarkeit
  (Extremer bei Vollvermaschung)

Bus

Alle Rechner sind an eine Zentrale Datenleitung angebunden. So werden alle Daten von immer von jedem Empfangen und individuell verwendet oder aussortiert.

Vorteile

• Erweiterung sehr Einfach

Nachteile

• Kabelprobleme können einen Totalausfall verursachen
• Anteil nicht-relevanter Nachrichten pro Gerät steigt stetig mit Größe des Systems
• Abschlusswiderstände sind notwendig um Probleme der physischen Leitung zu kontern

Linie / Ring

Jedes Gerät (mit Ausnahme der Linienenden) ist mit exakt zwei Geräten verbunden.
Die Verbindung zwischen erstem und letztem Gerät ist der entscheidende Unterschied zwischen Ring und Linie.
Im Gegensatz zum Bus gibt es hier kein zentrales Medium

Vorteile

• Ressourcensparend
• Leicht zu erweitern

Nachteile

• Ausfall einer Verbindung kann das Netzwerk lahm legen
• Bei großen Systemen weite Wege für Daten

Stern

Alle Teilnehmer sind mit einem zentralen Hub oder Switch verbunden.

Vorteile

• Einfach aufzubauen
• Leicht zu erweitern
• Ausfall eines Computers hat keine Wirkung auf restliches Netzwerk

Nachteile

• Hub kann zum Bottleneck werden
• Totalausfall bei Störung der zentralen Komponente

Ring mit RLV

RLV ist eine Abkürzung für “Ringverteilungsleiter”
Der Aufbau vereint die physischen Eigenschaften des Stern und die logischen Eigenschaften eines Ring.

Vorteile

• Hohe Ausfallsicherheit
• Jede Station ist ein Repeater
• Leicht zu erweitern
• Ressourcensparend

Nachteile

• Störung der zentralen Einheit kann Totalversagen verursachen
• Hub kann zum Bottleneck werden

Baum

Computer sind in einer hierarchischen Struktur miteinander verbunden.
Ähnlich zur Stern-Stern Topologie, hier jedoch strengere Reihenfolge.

Vorteile

• Ausfall eines Endgeräts hat keinerlei Konsequenz

Nachteile

• Ausfall eines Verteilers legt Sub-Baum lahm

Stern-Stern

Router werden Stern-artig angeordnet, Endgeräte ebenfalls Sternmäßig mit den einzelnen Routern verbunden. Wird in der Praxis häufig für lokale Netzwerke verwendet.

Übertragungsarten

Simplex

Verbindung von $A$ nach $B$ mit Kommunikation in einer festen Richtung

Halbduplex

Übertragung zwischen $A$ und $B$ abwechselnd in beide Richtungen (Walkie-Talkie)

Vollduplex

Gleichzeitige Übertragung in beide Richtungen

Multiplex

Multiplexverfahren sind eine Möglichkeit mehrere Signale zu bündeln um die Effizienz der Kommunikation zu steigern.
Dabei werden verschiedene Arten unterschieden.

Raummultiplex

Jedes Signal erhält eine eigene Leitung. So kann ohne Interferenz oder Wartezeit gleichzeitig von mehreren Kanälen gesendet werden. Dieser Ansatz ist jedoch besonders bei sehr großen Netzwerken schwer zu skalieren.

Zeitmultiplex

Jeder Benutzer erhält einen Zeitraum in dem er berechtigt ist Daten zu versenden. Die Kommunikation erfolgt so strikt abwechselnd. Eventuell entstehen kleine Verzögerungen.
Diese Variante ist ähnlich der Multiplexer Schaltungen, die einen ausgewählten Kanal zur Kommunikation freigeben.

Frequenzmultiplex

Verschiedene Sender kommunizieren auf individuellen Wellenlängen. Das entstehende Mischsignal kann durch Fourier Transformation wieder zerlegt werden.

Codemultiplex

Verwendung unterschiedlicher Codierungen

Adressierungsarten

Unicast

Kommunikation mit einem eindeutig identifizierten Empfänger

Broadcast

Teilnehmer einer Gruppe werden angesprochen (Radio)

Multicast

Eine Ausgewählte Untergruppe Empfänger wird angesprochen (IPTV)

Anycast

Ein beliebiger (nächstgelegener) Empfänger aus einer Gruppe (Drucker)

Adressen

MAC

Media Access Control Adressen sind 48 Bit lang und unabhängig von den logischen Adressen der Vermittlungsschicht.
Sie bestehen aus 4 Abschnitten mit verschiedenen Bedeutungen.

I/G	U/L	OUI	OUA
1 Bit	1 Bit	22 Bit	24 Bit

• I/G
  Bit das beschreibt ob es sich um eine Individuelle (0) oder Gruppen-Adresse (1) handelt.
• U/L
  Universal (0) oder Lokale (1) Adresse
• OUI
  (Oraganizationally Unique Identifier) Herstellerkennung
• OUA
  (Organizationally Unique Address) Vom Hersteller frei Wählbar

Die höchsten 24 Bits der Adresse, also I/G, U/L und OUI werden von der IEEE vergeben.

Spezielle Broadcast Adresse

Für Nachrichten an alle Geräte des selben physischen Netzes wird die Broadcast Adresse als Zieladresse angegeben.
FF:FF:FF:FF:FF:FF
Alle der Bits der 6 Byte-Adresse sind also mit $1$ belegt.

MAC-Spoofing

Moderne Geräte können ihre MAC-Adresse dynamisch ändern. Sie sollte daher nicht für Authentifizierung oder sonstige Vergabe von Berechtigungen verwendet werden.

Address Resolution Protocol (ARP)

Dieses Protokoll bestimmt die MAC Adresse eines Gerätes für die Sicherungsschicht aus der IP-Adresse der Vermittlungsschicht
Dazu wird die IP Adresse des gesuchten Geräts per Broadcast an die Spezielle Broadcast Adresse gesendet. Das Gerät mit der entsprechenden Adresse antwortet dem Sender, dieser speichert die empfangene MAC Adresse.

Das Betriebssystem führt eine Tabelle mit den ARP Einträgen. Die Tabelle enthält IP-Adressen, MAC-Adressen, Netzwerk-Interfaces.
Es existiert ein Protokoll für die Rückrichtung, das bestimmen der Netzwerkadresse aus einer MAC Adresse (RARP).

IPv4

IPv6

Kommunikationsmodelle

Client-Server

Der Server ist eine Anwendung die Daten bereit stellt.
Andere Computer, die diese Daten oder Dienste beanspruchen sind die Clients.

Vorteile

• Einfach zu implementieren
• Gute Skalierbarkeit bei geringer Anzahl Clients
• Hohe Sicherheit durch zentrale Kontrolle

Nachteile

• Server kann zum Bottleneck werden
• Skalierung bei vielen Clients kann komplex werden (vertikal: mehr Leistung; horizontal: Parallelisierung, weitere Server)
• Ausfall des Servers führt zu Totalausfall

Peer to Peer (P2P)

Jeder Teilnehmer einer P2P Architektur ist gleichberechtigt und kann Dienste zur Verfügung stellen oder sie in Anspruch nehmen.
Beispielsweise können im Heimnetz große Downloads zwischen Geräten geteilt werden, statt sie aus dem Internet zu beziehen.

Vorteile

• Hohe Skalierbarkeit
• Hohe Ausfallsicherheit
• Ressourceneffizient
  Jeder Peer kann beisteuern -> wenig Bedarf für dedizierte Infrastruktur
• Sicherheit
  Keine Zentrale Schwachstelle die von außen angegriffen werden kann

Nachteile

• Koordinationsaufwand
• Ungleiche Ressourcen
  Koordination zur proportionalen Aufgabenverteilung nötig
• Sicherheit durch zentrale Kontrolle ist nicht gegeben
• Eingeschränkte Zuverlässigkeit

Publish - Subscribe

Mindestens drei Teilnehmer sind notwendig - ein Sender (Publisher), ein Subscriber und ein Broker.
Alle Kommunikation findet mit dem Broker statt. Dieser koordiniert die Nachrichten und relevanten Informationen zwischen den einzelnen Geräten.

Vorteile

• Entkopplung Publish / Subscriber
• Skalierbarkeit durch Verteilung auf mehrere Broker
• Selektivität
  Bandbreite wird sparsam verwendet, da nur angeforderte Daten tatsächlich gesendet werden.

Nachteile

• Komplexität
• Ereignisreihenfolge
  Verlorene Nachrichten können Probleme auslösen
• Hohe Latenz

Standards und Normen

Sind benötigt für:

• Kompatibilität
• Einheitlichkeit
• Qualität
• Sicherheit
• Kostensenkung
• Globalisierung

Standard

• Etablierte Richtlinien
• Einheitlichkeit und Kompatibilität

Normen

• Formal Dokumentiert
• Von Normungsorganisationen
• Rechtliche Relevanz

Arten der Standardisierung

Faktische Standardisierung (De-Facto Standard)

• Setzen sich ohne offizielle Anerkennung durch
• Entsteht am Markt
• Nicht unbedingt das tatsächlich beste

Institutionell

• Standards durch (internationale) Organisationen
• z.B. ISO

Legislative

• Gesetzliche Vorgaben
• z.B. RoHS (Restriction of the use of certain hazardous substances)

Kabel

Unterschiedliche Arten von Kabel haben verschiedene Eigenschaften die in speziellen Anwendungsfällen besonders vor- oder nachteilhaft sind.
Die wichtigsten sind hierbei häufig:

• Kosten
• Bandbreite
• Installation und Wartungsaufwand
• Signalstärke

Bei der Verkabelung eines komplexen Systems (beispielsweise mehreren Gebäuden) sollte eine Kombination aus Kabelarten verwendet werden, um die jeweiligen Stärken optimal zu kombinieren und trotzdem wirtschaftlich zu arbeiten.

Koax

Besteht aus vier entscheidenden Komponenten

• Innenleiter aus Kupfer
• Isolierschicht
• Folie / Metall zur Abschirmung
• Äußerer Mantel

Die Kabel sind eher schwer und unflexibel, wird hauptsächlich für Kabel Internet verwendet
Übertragen von Daten geht hier mit bis zu 10Gbit/s

Twisted Pair

4 Kupfer-Aderpaare sind verdrillt, die namensgebende Eigenschaft.
Die Abstrahlung und Aufnahme von Interferenz wird dadurch verringert, was die Qualität des Signals verbessert.

Diese Art Kabel existiert in verschiedenen Kategorien die unterschiedlich hohe Geschwindigkeiten ermöglichen. Dabei wird mit variierenden Reichweiten zwischen 1Mb/s und 40Gb/s erreicht.

Glasfaser

Singlemode

Nur wenige Wellenlängen werden geleitet, das Signal wird so auch über lange Strecken mit extrem hoher Präzision und Qualität übertragen.
Die Kabel sind teurer und werden primär für Langstreckenverbindungen und Hochgeschwindigkeitsleitungen verwendet.

Multimode

Breiterer optisch leitender Kern überträgt viele Wellenlängen gleichzeitig.

Diese Art Kabel wird zur Verbindung von Gebäuden oder Rechenzentren verwendet.

Dispersion

Durch die unterschiedlichen Wellenlängen werden die Lichtstrahlen in unterschiedlichen Winkeln reflektiert. Das anfangs punktuelle Signal kann so nach längerer Strecke ausgedehnt werden und sich besonders bei kurzen Pulsen mit dem nachfolgenden Puls überlagern.