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finished introduction to the integrator
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41 \author{Melanie Lenk\\{\texttt mali@malinet.org}}
42 \title{Das Modem - die Schnittstelle ins Internet\\{\small Vom kalten Krieg bis zur digitalen Revolution}}
43
44 \begin{document}
45
46 %\frontmatter{}
47 \maketitle
48 \tableofcontents
49
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51 \chapter{Einleitung}
52 Das Internet \cite{wiki_internet_de} samt seiner Infratstruktur und Dienste ist heutzutage nicht mehr weg zu denken.
53 Zu wichtig und hilfreich ist die hohe Anzahl an M"oglichkeiten die es bietet.
54 Einer der wohl wichtigsten Dienste des Internets stellt das {\em World Wide Web} dar, ein "uber das Internet abrufbares {\em Hypertext-System}, in denen die Anwender mit Hilfe eines {\em Webbrowsers} Dokumente von einem {\em Webserver} herunterladen, anschauen und sogenannten {\em Hyperlinks} auf andere {\em Webseiten} folgen k"onnen \cite{wiki_www_de}.
55 Dieser Dienst wird oft mit dem Internet gleichgesetzt, ist aber j"unger und stellt nur eine m"ogliche Nutzung des Internets dar.
56 Weitere bekannte Dienste sind zum Beispiel die {\em E-Mail}, das Chat-Protokoll {\em IRC} und die Kommunikationsm"oglichkeit durch das {\em Telnet}-Protokoll.
57
58 \begin{figure}[!h]
59 \begin{center}
60 \includegraphics[width=15cm]{internet-modem.eps}
61 \caption{Grobes Schema einer Verbindung eines Heimcomputers mit dem Internet durch ein Modem}
62 \label{img:internet_modem}
63 \end{center}
64 \end{figure}
65 Abbildung \ref{img:internet_modem} zeigt, wie man mit Hilfe eines Modems \cite{wiki_modem_de} seinen Computer zu Hause "uber die Telefonleitung ins Internet verbinden kann.
66 Im der vorliegenden Arbeit soll das Szenario dieser Abbildung verstanden und detailierter betrachtet werden, es wird uns aus diesem Grund noch einige weitere Male begegnen.
67
68 Zun"achst setzt sich die Arbeit im ersten Kapitel mit dem Modem auseinander.
69 Im zweiten Kapitel wird das Internet behandelt.
70 Zu beiden Errungenschaften des digitalen Zeitalters wird ein grober geschichtlicher Ablauf gegeben, was den Titel dieser Arbeit erkl"aren wird.
71
72 \chapter{Das Modem}
73
74 \section{Begriffserkl"arung}
75
76 Das Modem ist aus den zwei W"ortern {\bf Mod}ulator/{\bf Dem}odulator zusammengesetzt.
77 Es dient zur "Ubertragung digitaler Daten "uber analoge Leitungen, wie etwa der Telefonleitung.
78 Dazu wandelt es digitale Information durch Modulation der Daten auf ein analoges Tr"agersignal.
79 An der Gegenstelle, einem weiteren Modem, passiert genau der umgekehrte Prozess.
80 Das modulierte analoge Signal wird demoduliert und die digitalen Informationen zur"uckgewonnen.
81 Das analoge Signal ist dabei den Besonderheiten des Telefonnetzes angepasst.
82 F"ur die "Ubertragung stand in dem alten analogen Telefonnetz zun"achst das Frequenzband von $300 \, Hz$ bis $3.4 \, kHz$ zur Verf"ugung.
83 \begin{figure}[!h]
84 \begin{center}
85 \includegraphics[width=14cm]{modulation.eps}
86 \caption{Amplituden-, Frequenz- und Phasenmodulation eines digitalen Signals}
87 \label{img:modulation}
88 \end{center}
89 \end{figure}
90 Abbildung \ref{img:modulation} zeigt drei verschiedene und einfache Modulationsverfahren.
91
92 \section{Geschichtliche Entwicklung}
93
94 In den Zeiten des kalten Krieges um 1950 wurde von den Vereinigten Staaten ein computergest"utztes Luftverteidigungssystem mit dem Namen SAGE \cite{wiki_sage_en} entwickelt.
95 Dieses sollte in der Lage sein, feindliche sowjetische Bomber aufzusp"uren, zu verfolgen und abzufangen.
96 Es war das erste landesweit vernetzte Radarsystem.
97 Zum Zeitpunkt der Fertigstellung durch {\em IBM} (sieh Abbildung \ref{img:whirlwind}) war die Bedrohung durch Bomber l"angst der durch Raketen gewichen.
98 F"ur diesen Zweck war {\em SAGE} v"ollig ungeeignet.
99 Jedoch hatte das Projekt entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung von Computersystemen, Echtzeitverarbeitung von Informationen und der Vernetzung durch Modems.
100 1957 baute {\em IBM} zusammen mit {\em American Airlines} eine kleine Variante der {\em SAGE} f"ur den zentralisierten Vertrieb von Flugtickets.
101 \begin{figure}[!h]
102 \begin{center}
103   \includegraphics[height=3.7cm]{sage_computer.eps}
104   \includegraphics[height=3.7cm]{sage_building.eps}
105   \includegraphics[height=3.7cm]{sage_terminal.eps}
106 \caption{IBM AN/FSQ-7 Whirlwind II R"ohrenrechner, Geb"aude und Terminal}
107 \label{img:whirlwind}
108 \end{center}
109 \end{figure}
110
111
112 Die Notwendigkeit eines schnellen Informationsaustauschs lag also vor.
113 Da sehr gro"se Datenmengen nur durch Computer verarbeitet werden k"onnen, lag es nahe, eine Daten"ubertragung zwischen Computern zu realisieren.
114 Da das Telefonnetz, mit seinem Ursprung 1880, zu dieser Zeit gut ausgebaut war, kam die Idee, die Computer "uber die Telefonleitung miteinander kommunizieren zu lassen.
115 Das Telefonnetz war jedoch nur zur Sprach"ubertragung gedacht, weshalb ein Ger"at zur Wandlung digitaler Information in T"one und zur"uck ben"otigt wurde, das Modem.
116
117 Der nordamerikanische Telefonkonzern {\em AT\&T} genoss eine Monopolstellung in den USA und Kanada.
118 Nur Ger"ate von {\em AT\&T} selbst durften elektrisch mit ihrem Netzwerk verbunden werden.
119 {\em AT\&T} brachte 1958 zwei {\em digital subset} Ger"ate f"ur die stark ansteigende Anzahl der Computernutzer heraus.
120 Diese Ger"ate hatten eine "Ubertragungsrate von $200 \, baud$, $1 \, baud = 1 \, \frac{bit}{s}$.
121 1960 wurde der Name {\em Data-Phone} eingef"uhrt und ersetzte den Begriff {\em digital subset}.
122 Ein sehr bekanntes Modem ist das {\em 103A Data-Phone}, das 1962 auf den Markt kam.
123 Es schaffte eine "Ubertragungsrate von $300 \, baud$ in beide Richtungen (vollduplex) "uber die normale Telefonleitung.
124
125 Auf Grund der Monopolstellung von {\em AT\&T} und dem Verbot nicht-{\em AT\&T} Ger"ate elektrisch mit dem Telefonnetz zu verbinden, entstand die Idee der Akustikkoppler \cite{wiki_akustikkoppler_en}.
126 \begin{figure}[!h]
127 \begin{center}
128 \includegraphics[width=10cm]{akustikkoppler.eps}
129 \caption{Akustikkoppler}
130 \label{img:akustikkoppler}
131 \end{center}
132 \end{figure}
133 Abbildung \ref{img:akustikkoppler} zeigt einen solchen Akustikkoppler.
134 An Mikrofon und Lautsprecher des Telefonh"orers werden die entsprechenden Gegenst"ucke des Akustikkopplers befestigt.
135 Somit k"onnen die modulierten analogen Signale in beide Richtungen durch das Telefonnetz "ubertragen werden, ohne dass das Modem elektrisch mit der Telefonleitung verbunden ist.
136
137 Mit einem Gerichtsurteil von 1968 wurden nun auch nicht-{\em AT\&T} Ger"ate am Telefonnetz erlaubt.
138 Diese mussten allerdings komplexe und teure Tests bestehen, weshalb der Akustikkoppler bis 1980 weit verbreitet blieb.
139
140 1972 brachte {\em Vadic} das {\em VA3400} mit einer beachtlichen vollduplex-Daten"ubertragung von $1200 \, baud$ "uber eine Standard-Telefonleitung auf den Markt.
141
142 Der n"achste Meilenstein in der Modemtechnologie war die Entwicklung des Smartmodems durch David Hayes.
143 Dieses besteht aus einem Standard-Modemchip und einem zus"atzlichen Befehls-Controller.
144 Das Modem arbeitet in zwei m"oglichen Modi.
145 Im sogenannten {\em data mode} werden alle Daten wie gehabt an die Gegenstelle gesendet.
146 Im {\em command mode} werden die Daten als Befehle von dem Controller interpretiert und ausgef"uhrt.
147 Hayes entwickelte das {\em Hayes command set}, auch AT-Befehlssatz genannt, der bis heute Basis computergesteuerter Modems ist.
148 Das Modem war nun selbstst"andig in der Lage zu w"ahlen beziehungsweise abzuheben und aufzulegen.
149 Abbildung \ref{img:hayes} zeigt ein solches Modem.
150 \begin{figure}[!h]
151 \begin{center}
152 \includegraphics[width=10cm]{hayesmodem.eps}
153 \caption{Hayes Modem}
154 \label{img:hayes}
155 \end{center}
156 \end{figure}
157
158 Bis Mitte der 80er Jahre erreichte man Geschwindigkeiten von $300$ bis $1200 \, baud$.
159 Die Akustikkoppler wichen den weiterentwickelten Smartmodems.
160 In den sp"aten 80er Jahren waren "Ubertragungsraten bis zu $2400 \, baud$ m"oglich.
161 {\em Minitel}, ein franz"osischer Vidiotext Online Service Anbieter, f"uhrte erstmals hohe Geschwindigkeiten f"ur den Empfang von Daten und niedrige Geschwindigkeiten f"ur den Versand von Daten ein.
162 Studien zeigten n"amlich, dass die Empfangsrichtung deutlich mehr genutzt wird.
163 1984 bot {\em Trailblazer Modems} Ger"ate an, die eine dynamische "Ubertragungsrate f"ur den Empfang und den Versand erlaubten.
164 Die "Ubertragungsrate wurde "uber einen extra Kanal je nach Bedarf ausgehandelt.
165 Damit waren "Ubertragungsraten von $19,000 \, baud$ m"oglich.
166
167 Ende der 80er Jahre wurde mit Hilfe der Echounterdr"uckung \cite{wiki_echo_en} eine vollduplex"="Ubertragungsrate von $9600 \, baud$ m"oglich gemacht.
168 Daraus entwickelte sich der {\em v.32} Standard.
169
170 1994 wurde der  {\em v.34 Standard} verabschiedet.
171 Die speziellen Modemchips wurden durch flexiblere DSP und Microcontroller L"osungen ersetzt.
172 So konnte man Kompatibilit"at zu "alteren Standards realisieren.
173 Die {\em v.34} Generation erm"oglichte "Ubertragungsraten von $28,800 \, baud$.
174
175 Mit der Digitalisierung des Telefonnetzes seit 1990 entstand der {\em v.90} Standard.
176 Durch Anschlie"sen der Teilnehmeranschlussleitungen an digitale Vermittlungsstellen konnte der Frequenzbereich auf $0$ bis $4 \, kHz$ erweitert werden.
177 Jedes Sample ist $16 \, Bit$ breit, was zu einer "Ubertragungsrate von $64 \,kbps$ f"uhrt.
178 Da jedoch ein $Bit$ pro $Byte$ als Meta- beziehungsweise Kontrolldatum genutzt wird, erreicht man effektive "Ubertragungsraten von $56 \, kbps$.
179
180 Da bei einer vorhandenen digitalen Leitung die AD/DA-Wandlung keinen Sinn mehr macht, wurde der vollst"andig digitale {\em v.91} Standard entwickelt.
181 Die Entwicklung starb auf Grund von ADSL und Kabelmodems aus.
182
183 \begin{figure}[!h]
184 \begin{center}
185   \includegraphics[height=4.7cm]{btx-modem.eps}
186   \includegraphics[height=4.7cm]{btx-terminal.eps}
187 \caption{{\em BTX}-Modem und {\em BTX}-Terminal-Telefon-Kombination}
188 \label{img:post}
189 \end{center}
190 \end{figure}
191 In Deutschland waren bis Mitte der 80er Jahre auch nur posteigene Modems erlaubt.
192 Das Modem ist als Netzabschluss zu sehen und liegt damit im Hoheitsbereich der staatlichen Deutschen Post.
193 Seit 1983 bot die Deutsche Post {\em BTX (Bildschirmtext)} an, einen interaktiven Onlinedienst.
194 Das Modemmonopol lie"s sich jedoch auf Grund immer billiger und schneller werdender Modems anderer Anbieter ab 1990 nicht l"anger aufrecht erhalten.
195 Abbildung \ref{img:post} zeigt ein {\em BTX}-Modem und eine {\em BTX}-Terminal-Telefon-Kombination.
196
197 Ab 1990 wurden eine Reihe von {\em DSL}-Verfahren entwickelt.
198 {\em DSL} steht dabei f"ur {\em Digital Subscriber Line} was digitale Teilnehmeranschlussleitung bedeutet.
199 "Uber diese Leitung "ubertr"agt ein {\em DSL}-Modem (auch NTBBA: Network Termination Broadband Access) die Daten in einem hochfrequenten Signal.
200 Die starke D"ampfung des hochfrequenten Signals begrenzt die Reichweite bis zur n"achsten Vermittlungsstelle auf $3 \, km$.
201 \begin{figure}[!h]
202 \begin{center}
203 \includegraphics[width=6.0cm]{dsl.eps}
204 \caption{Splitter, NTBA und ADSL-Modem}
205 \label{img:dsl}
206 \end{center}
207 \end{figure}
208 Abbildung \ref{img:dsl} zeigt ein ADSL-Modem (rechts) und ben"otigtes Zubeh"or.
209
210 Das {\em DSL}-Modem geh"ort zu den sogenannten Standleitungsmodems, da man immer mit einer festen Gegenstelle verbunden ist.
211 Eine andere Variante eines Standleitungsmodems stellt das Kabelmodem dar.
212 Hier erfolgt die Daten"ubertragung "uber das TV-Kabelnetz.
213
214 \section{Modem-Varianten}
215
216 Man unterscheidet folgende Modemtypen:
217 \begin{itemize}
218   \item Telefonmodems
219   \item Standleitungsmodems
220   \item Funkmodems
221   \item Stromleitungsmodems
222 \end{itemize}
223 Zu den Telefonmodems geh"oren der bereits kennengelernten Akustikkoppler und das Smartmodem, sowie das Fax-, Voice- und Softmodem.
224 Standleitungsmodems, also Modems mit einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung zu einer festen Vermittlungsstelle sind die {\em xDSL}- und die Kabelnetzmodems.
225 Funkmodems basieren auf dem selben Prinzip wie Telefonmodems, mit dem Unterschied, dass die digitale Information auf ein analoges Radiosignal moduliert wird.
226 Stromleitungsmodems modulieren das Datensignal auf die Stromleitung.
227
228 Ein Fax- bzw. Voicemodem beherrscht neben der gew"ohnlichen Funktion zur Daten"ubertragung ein Protokoll zur "Ubertragung von Faxen bzw. ist in der Lage ein Audiosignal auf die Telefonleitung zu geben.
229
230 Bei dem Softmodem handelt es sich um ein Modem mit stark reduzierter Hardware.
231 Die fehlende Hardwarefunktionalit"at wird auf die Software (den Treiber) ausgelagert.
232 Die Onboard Soundhardware ersetzt die analoge Komponente des normalen Modems und ist zust"andig f"ur die Tonerzeugung.
233 Damit sind Softmodems billiger und flexibler als herk"ommliche Modems, allerdings muss man mit einer h"oheren CPU Auslastung f"ur die nichttriviale Tonerzeugung rechnen.
234 Ausserdem ist man stark abh"angig vom Treiber, der eventuell auf alternativen Betriebssystemen beziehungsweise f"ur spezielle Betrriebssystemversionen nicht erh"altlich ist.
235
236 Ein Funkmodem wird f"ur die digitale Daten"ubertragung durch die Luft ben"otigt.
237 Dabei werden digitale Signale auf ein analoges Radiosignal moduliert.
238 Beispiele f"ur eine solche Funk"ubertragung sind {\em Wireless LAN}, {\em GSM} (Mobilfunk), {\em GPS} (Navigation) und digitales Fernsehen via Satelit oder terristrisch.
239 \begin{figure}[!h]
240 \begin{center}
241 \includegraphics[width=8.0cm]{wlan.eps}
242 \caption{{\em 802.11 WLAN-PCI}-Karte}
243 \label{img:wlan}
244 \end{center}
245 \end{figure}
246 Abbildung \ref{img:wlan} zeigt eine {\em 802.11 WLAN}-Karte f"ur den {\em PCI} Steckplatz.
247
248 Bei einem Stromleitungsmodem werden die digitalen Daten auf die Stromleitung moduliert.
249 Beispiele hierf"ur findet man in der Rundsteuertechnik der Energieversorgungsunternehmen beim Umschalten der Stromz"ahler auf Tag und Nacht und zum Beispiel beim sogenannten Babyfon.
250 Nachteil der Stromleitungsmodems ist ihre hohe St"orungsanf"alligkeit und Abh"orbarkeit.
251
252 \section{Bauformen und Anschluss am PC}
253
254 Im Folgenden sind die unterschiedlichen Bauformen und Schnittstellen zum PC aufgez"ahlt.
255 Man unterscheidet externe Modems, Steckkartenmodems und Modems die sich auf der Hauptplatine (onboard) befinden.
256 Abbildung \ref{img:bauformen} zeigt all diese Typen bis auf das Onboard-Modem.
257 Die externen Modems werden meist per RS232 (D-Sub 9/25) mit dem PC verbunden und durch ein Steckernetzteil mit Strom versorgt.
258 Im Falle des {\em DSL}-Modems wird ein Ethernetkabel zur Verbindung mit einer Netzwerkkarte am PC ben"otigt.
259 Die Steckkartenmodems findet man als {\em PCI}, {\em ISA}, {\em PCMCIA} oder als Variante mit propriet"arem Sockel wieder.
260 Die Stromversorgung erfolgt "uber den jeweiligen Bus.
261 \begin{figure}[!h]
262 \begin{center}
263 \includegraphics[height=5.0cm]{smartmodem.eps}
264 \includegraphics[height=5.0cm]{dslmodem.eps}
265 \includegraphics[height=2.5cm]{isamodem.eps}
266 \includegraphics[height=2.5cm]{pcimodem.eps}
267 \caption{Verschiedene Modem-Bauformen}
268 \label{img:bauformen}
269 \end{center}
270 \end{figure}
271
272 \section{Aufbau und Funktionsweise}
273
274 Um den Aufbau und die Funktionsweise eines Modems zu verstehen, ist es n"otig kurz auf die Aufgaben eines Modems einzugehen.
275 Dazu geh"oren:
276   \begin{itemize}
277     \item Schnittstelle zur Telefonleitung
278     \item Kontrolle "uber die Telefonleitung "ubernehmen (go off-hook)
279     \item Rufaufbau durch W"ahlen der Telefonnummer
280     \item Einigung auf gemeinsame Sprache (Protokoll) mit Modem der Gegenstelle
281     \item Umwandlung digitaler Daten in analoge Signale und umgekehrt\\
282           (f"ur Kommunikation "uber die Telefonleitung)
283     \item "Ubertragen und Empfangen von Daten
284     \item Terminieren der Verbindung (go on-hook)
285   \end{itemize}
286
287 \begin{figure}[!h]
288 \begin{center}
289 \includegraphics[width=16cm]{aufbau.eps}
290 \caption{Funktioneller Aufbau eines Modems}
291 \label{img:aufbau}
292 \end{center}
293 \end{figure}
294 F"ur die Bewerkstelligung dieser Aufgaben besteht das Modem aus den vier Komponenten, wie sie in Abbildung \ref{img:aufbau} dargestellt sind.
295 \begin{itemize}
296   \item Die {\bf D}ata {\bf A}ccess {\bf A}rrangement Komponente stellt die Schnittstelle des Modems zum Telefonnetz dar.
297         Hier findet die galvanische Entkopplung vom Telefonnetz statt.
298         Desweiteren ist die {\em DAA} in der Lage den Klingelton und Anrufnummernsignale zu erkennen.
299         Sie ist f"ur die Ausf"uhrung des Abhebe- und Auflegevorganges verantwortlich.
300
301   \item Das {\bf A}nalog {\bf F}ront {\bf E}nd, oft auch als Modem Coder/Decoder (modem codec) bezeichnet, "ubernimmt die Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlung.
302
303   \item Bei dem {\bf D}igital {\bf S}ignal {\bf P}rocessor handelt es sich um einen speziellen Mikroprozessor der f"ur mathematische Operationen wie die Fast Fourier Transformation optimiert ist.
304         Er "ubernimmt die Modulation und Demodulation der Daten beziehungsweise des Tr"agersignals und kann mittels mathematischer Operationen das Rauschen unterdr"ucken beziehungsweise herausrechnen.
305
306   \item Die {\em Modem Control} ist die Schnittstelle zum Computer.
307         Sie steuert den {\em DSP}, interpretiert AT-Kommandos, korregiert Fehler in der "Ubertragung und kompremiert die Daten.
308
309 \end{itemize}
310
311 Speziell bei der {\em DSL}-Technik wird zu dem Frequenzbereich des Telefonnetzes ($300 \, Hz$-$3.4 \, kHz$) der {\em DSL}-Frequenzbereich ($138 \, kHz$-$1.04 \, MHz$) auf die Telefonleitung aufgebracht.
312 Dazu wird eine weitere Hardware, die {\em BBAE} (Breitbandanschlusseinheit) oder auch {\em Splitter} genannt, zur Trennung beziehungsweise zum Zusammenf"ugen der Frequenzbereiche ben"otigt.
313 Dieses Ger"at ist in Abbildung \ref{img:splitter} zu sehen.
314 \begin{figure}[!h]
315 \begin{center}
316   \includegraphics[height=4cm]{splitter.eps}
317   \includegraphics[height=4cm]{splitter-offen.eps}
318 \caption{BBAE: Breitbandanschlusseinheit (Splitter)}
319 \label{img:splitter}
320 \end{center}
321 \end{figure}
322
323 \section{Anschaffungskriterien}
324
325 Auf Grund der sehr hohen Downloadraten (bis zu $16 \, Mbps$) von {\em DSL}, sollte man als erstes die Verf"ugbarkeit von {\em DSL} pr"ufen.
326 Modem und Splitter werden meist kostenlos vom Anbieter zur Verf"ugung gestellt.
327 Je nachdem welchen Anbieter man favorisiert muss man zwischen $10$ und $15$ Euro f"ur den monatlichen Anschluss und $10$ bis $20$ Euro f"ur einen Tarif rechnen.
328
329 Sollte {\em DSL} nicht zur Verf"ugung stehen, hat man noch die M"oglichkeit des {\em skyDSL}.
330 Hierbei empf"angt man die Daten per Satelitenreceiver.
331 Der R"uckkanal geht nicht per Satelit sondern er muss "uber eine {\em 56k}- beziehungsweise {\em ISDN}-Leitung erfolgen.
332 Dies ist zum einen sehr langsam und kann zum anderen mit versteckten Kosten f"ur diesen Kanal verbunden sein.
333 Desweiteren muss eine Satelitensch"ussel mit {\em LNB} ausgerichtet und eine {\em DVB-S}-Karte vorhanden sein.
334
335 Hat man au"serdem keinen Sichtkontakt zu einem Sateliten, bleibt nur noch die M"oglichkeit sich "uber ein {\em 56k}- oder ein {\em ISDN}-Modem einzuw"ahlen.
336 Dies ist die langsamste Alternative.
337 Desweiteren sind keine Pauschaltarife vorhanden.
338 Die neu aufgekommenen {\em Telefonflats} d"urfen daf"ur nicht genutzt werden.
339
340 \section{Zusammenfassung}
341
342 \begin{figure}[!h]
343 \begin{center}
344   \includegraphics[width=14cm]{internet-modem_n.eps}
345 \caption{Grobes Schema einer Verbindung eines Heimcomputers mit dem Internet durch ein Modem}
346 \label{img:internet-modem_n}
347 \end{center}
348 \end{figure}
349 In Abbildung \ref{img:internet-modem_n} sieht man erneut das Schema einer Verbindung eines Heimcomputers ins Internet.
350 Dabei wurde der blau markierte Bereich besprochen.
351 Es ist nun klar, wie mit Hilfe des Modems, zwei Rechner miteinander kommunizieren k"onnen.
352 In diesem Falle wird eine Verbindung mit einem Uni-Rechner eingegangen.
353 Es ist der Rechner ppp001.rz.uni-augsburg.de, allerdings kennen wir ihn bisher nur als den Computer, der hinter der Telefonnummer 0821/257750 steht.
354 Was es mit diesem Hostnamen und seiner IP-Adresse auf sich hat, soll im Folgenden genauer betrachtet werden.
355
356 \chapter{Das Internet}
357
358 \section{Begriffserkl"arung}
359
360 Das Wort Internet \cite{wiki_internet_en} setzt sich aus den W"ortern {\bf Inter}connected {\bf Net}works zusammen.
361 Es ist ein Verbund vieler voneinander unabh"angiger Netzwerke, die "uber sogenannte {\em Router} miteinander verbunden sind.
362 Es stellt damit ein weltweit "offentlich zug"angliches Netzwerk dar.
363 Damit sich alle Partein verstehen, wurde ein Standard f"ur die Kommunikation verabschiedet, das sogenannte {\bf I}nternet{\bf p}rotokoll, kurz {\em IP} genannt.
364 Es wird h"aufig mit dem {\bf W}orld {\bf W}ide {\bf W}eb verwechselt.
365 Dieses ist mit Sicherheit der wichtigste, jedoch nicht der einzige Dienst den das {\em Internet} bietet.
366
367 \section{Entstehung des Internet}
368
369 Mitten im kalten Krieg, nachdem die UdSSR mit Sputnik und einer ersten unbemannten Weltraummission beeindruckte, stieg in den Vereinigten Staaten die Angst vor einem atomaren Angriff.
370 Es wurde die {\bf D}efense {\bf A}dvanced {\bf R}esearch {\bf P}rojects {\bf A}gency ({\em DARPA}) gegr"undet.
371 Ihr Ziel war die Weiterentwicklung von {\em SAGE} und die Schaffung eines heterogenen, verteilten Kommunikationssystems zur Sicherstellung st"orungsfreier Kommunikation im Falle eines Atomkrieges.
372 J. C. R. Licklider, einer der Verantwortlichen, sah die Notwendigkeit eines globalen universellen Netzwerkes.
373 Er beauftragte L. Roberts und P. Baran vom MIT, die das sogenannte {\em packet switching} (Paketvermittlung), einem Verfahren zur Speichervermittlung in Netzwerken, bei dem lange Nachrichten in kleine Datenpakete (Datagramme) unterteilt werden, entwickelten.
374 Dies ist noch heute die Grundlage des {\em Internet}.
375
376 1969 wurden erstmals, basierend auf der neuen Technologie des {\em packet switching}, vier Forschungseinrichtungen miteinander verbunden.
377 Das so entstandene {\em ARPANET} \cite{wiki_arpanet_en} ist der Vorl"aufer des heutigen Internet.
378 Die Verbindungen wurden mit Hilfe von Modems "uber die Telefonleitung realisiert.
379 Die vier Forschungseinrichtungen waren das Stanford Research Institute, die University of Utah, die University of California, Los Angeles und die University of California, Santa Barbara.
380
381 Zur selben Zeit wurde das Betriebssystem {\em UNIX} und die Programmiersprache {\em C} entwickelt.
382 Diese entstanden unabh"angig voneinander, doch die Zusammenf"uhrung von {\em C}, {\em UNIX} und dem {\em ARPANET} trug wesentlich zur Entstehung des heutigen Internets bei.
383 {\em UNIX} wurde in der Programmiersprache {\em C} umgeschrieben und war so auf vielen Maschinenplattformen verf"ugbar und erweiterbar, was die Entwicklung von Kommunikationsanwendungen und Protokollen erheblich erleichterte.
384
385 Obwohl das {\em ARPANET} zun"achst vor dem Hintergrund des kalten Krieges in der Schaffung eines ausfallsicheren, verteilten Kommunikationssystems stand, wurden vorwiegend zivile Projekte gef"ordert.
386 1984 wurde der milit"arische Teil aus dem {\em ARPANET} abgespalten und wurde zum {\bf Mil}itary {\bf Net}work ({\bf MILNET}).
387 Das {\em ARPANET} war nun ein rein wissenschaftliches Netzwerk.
388
389 In Europa war das {\em EUNET} das erste Netz, welches Niederlande, D"anemark, Schweden und England miteinander verband.
390 In Deutschland gab es das sogenannte {\em Datex-P} der Deutschen Telekom, ein Kommunikationsnetz f"ur die Daten"ubertragung mittels Paketvermittlung.
391
392 Hierzu empfehle ich das spannende und zugleich informative Buch {\em Das Kuckuksei} von Clifford Stoll, der deutsche Hacker in seinem Netzwerk einer Forschungseinrichtung in den Vereinigten Staaten aufsp"urt und diese in einem Streifzug durch die Vielzahl verschiedener Netze zur"uckverfolgt.
393
394 \section{Struktur des Internet}
395
396 Netzwerke lassen sich in drei Klassen einteilen.
397 \begin{itemize}
398   \item {\em LAN} ({\bf L}ocal {\bf A}rea {\bf N}etwork):\\
399         Hierbei handelt es sich um geographisch auf ein Gel"ande begrenzte Netzwerke.
400         Das Netz unterliegt der selbstst"andigen Aufsicht des Betreibers und es werden in der Regel keine Leitungen "offentlicher Anbieter genutzt.
401   \item {\em MAN} ({\bf M}etropolitan {\bf A}rea {\bf N}etwork):\\
402         Ein Netzwerk, dessen Ausdehnung sich auf ein Ballungszentrum, beispielsweise einer Stadt beschr"ankt.
403   \item {\em WAN} ({\bf W}ide {\bf A}rea {\bf N}etwork):\\
404         Ein solches Weitverkehrsnetz hat eine unbegrenzte geographische Ausdehnung.
405         Es werden "offentliche Leitungen zur Daten"ubertragung verwendet.
406 \end{itemize}
407 Diese verschiedenen Netzwerke sind "uber leistungsstarke Verbindungen, sogenannten {\em Backbones} an sogenannten {\em Internetknoten} zusammengeschlossen.
408 Abbildung \ref{img:xan} zeigt schematisch das Internet als Zusammenschluss der verschiedenen Netzwerke.
409 \begin{figure}[!h]
410 \begin{center}
411   \includegraphics[width=8cm]{xan.eps}
412 \caption{Schematische Darstellung der Struktur des Internets}
413 \label{img:xan}
414 \end{center}
415 \end{figure}
416 Auf Grund der dezentralisierten Struktur des Internet gibt es mehrere m"ogliche Verbindungen zwischen zwei Knoten, was eine gewisse Ausfallsicherheit garantiert.
417
418 Bei den beteiligten Netzwerken handelt es sich um kommerzielle Firmennetzwerke, wissenschaftlichen Netzen, die Netzwerke der Provider und Regierungsnetzwerken.
419
420 \section{Internetprotokolle und Dienste}
421
422 \begin{figure}[!h]
423 \begin{center}
424   \includegraphics[width=14cm]{osi.eps}
425 \caption{ISO/OSI-Referenzmodell und entsprechende Netzprotokolle}
426 \label{img:osi}
427 \end{center}
428 \end{figure}
429 Das 1979 entwickelte {\em ISO/OSI-Referenzmodell} \cite{wiki_osi_de} ist ein Schichtenmodell f"ur die Kommunikation offener, informationsverarbeitender Systeme.
430 Es dient als Grundlage der hier beschriebenen herstellerunabh"angigen Netzprotokolle.
431 Jede Schicht des Modells hat dabei eine andere Aufgabe und stellt den anliegenden Schichten eine Schnittstelle zur Verf"ugung.
432 Abbildung \ref{img:osi} zeigt das Referenzmodell und die davon abgeleiteten Implementierungen der Internetprotokolle.
433 Jede Schicht redet nur mit den anliegenden Schichten.
434 Ein Datenpaket von PC A nach PC B muss den, durch den gr"unen Pfeil markierten Weg durchlaufen.
435
436 Die Netzprotokolle lassen sich in vier Schichten unterteilen, die im Folgenden zusammen mit, f"ur die jeweilige Schicht wichtigen Diensten, vorgestellt werden sollen.
437
438 \subsection{Das Ethernet}
439
440 Das Ethernet umfasst die untersten zwei Schichten des {\em OSI}-Modells.
441 Es ist deshalb sehr nah an der Hardware.
442 Im Sinne der Bit"ubertragungsschicht bewerkstelligt das Ethernetprotokoll die digitale Bit"ubertragung auf einer leitungsgebundenen (aber auch leitungslosen) "Ubertragungsstrecke.
443 Es "ubernimmt auch Aufgaben der Sicherungsschicht.
444 So wird der Bitdatenstrom in Bl"ocke mit Folgenummern und Pr"ufsummen aufgeteilt, was eine fehlerfreie "Ubertragung und den Zugriff auf das "Ubertragungsmedium garantiert.
445 Jedes ethernetf"ahige Ger"at hat eine global eindeutige Hardware-Adresse, die sogenannte {\em MAC}-Adresse, die aus $6 \times 8 \, Bit$ besteht.
446 Der {\em CSMA/CD}-Algorithmus (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) stellt dabei ein Verfahren zum gemeinsamen Zugriff vieler Systeme auf ein "Ubertragungsmedium dar.
447
448 \subsection{Das {\bf I}nternet {\bf P}rotocol ({\em IP})}
449
450 Das {\em IP} entspricht der Vermittlungsschicht des {\em OSI}-Modells.
451 Es ist unabh"angig vom "Ubertragungsmedium und wird zum Beispiel in ein {\em Ethernet Frame} eingekapselt (verpackt).
452 Die Adressierung erfolgt "uber sogenannte {\em IP}-Adressen, die in der Version 4 $4 \times 8 \, Bit$ und in der Version 6 $8 \times 16 \, Bit$ gro"s sind.
453 Ihre Vergabe wird durch die {\bf I}nternet {\bf C}orporation for {\bf A}ssigned {\bf N}ames and {\bf N}umbers ({\em ICANN}) geregelt.
454 Mit Hilfe von Subnetzmasken k"onnen logische Gruppierungen gebildet werden.
455 Die Universit"at Augsburg zum Beispiel, hat die Subnetzmaske 255.255.0.0, was bedeutet, dass nur die ersten zwei Byte festgelegt sind.
456 Alle Rechner mit der Adresse 137.250.*.* geh"oren zum Universit"atsnetzwerk, wobei die '*' beliebige acht Bit annhemn k"onnen.
457 Das {\em IP} ist verantwortlich f"ur die Wegewahl und Weiterleitung (Routing/Forwarding) von {\em IP}-Paketen zwischen den Netzknoten.
458 Es schafft damit die Grundlage des Internet.
459
460 Die wichtigsten {\em IP}-basierenden Dienste sind:
461 \begin{itemize}
462   \item {\em RIP} ({\bf R}outing {\bf I}nternet {\bf P}rotocol)\\
463         Es stellt einen Distanzvektor-Algorithmus zur dynamischen Erstellung der Routingtabelle zur Verf"ugung.
464         Man erh"alt Informationen dar"uber, welche Netzwerke durch welchen Router zu erreichen sind und mit welchen Kosten der Weg verbunden ist.
465   \item {\em ARP} ({\bf A}dress {\bf R}esolution {\bf P}rotocol)\\
466         Aufl"osung von {\em MAC} in {\em IP}-Adressen.
467   \item {\em DNS} ({\bf D}omain {\bf N}ame {\bf S}ystem)\\
468         Der {\em DNS}-Dienst wird zur Umsetzung von Domainnamen in {\em IP}-Adressen (lookup) und umgekehrt (reverse lookup) verwendet.
469         In den Zeiten bevor es {\em DNS} gab, erfolgte die Nemensaufl"osung durch eine statische 'hosts'-Datei, die in regelm"a"sigen Abst"anden aktualisiert und per E-Mail verschickt wurde.\\
470         Beispiel:
471 \begin{verbatim}
472 mali@outdoor:~$ host ppp001.rz.uni-augsburg.de
473 ppp001.rz.uni-augsburg.de has address 137.250.123.1
474 \end{verbatim}
475 \end{itemize}
476
477 \subsection{{\bf T}ransmission {\bf C}ontrol {\bf P}rotocol ({\em TCP})
478             und {\bf U}ser {\bf D}atagram {\bf P}rotocol ({\em UDP})}
479
480 Diese Protokolle "ubernehmen die Aufgabe der Transportschicht des {\em OSI}-Modells.
481 Beide setzen auf {\em IP} auf.
482 {\em TCP} bietet einen zuverl"assigen, verbindungsorientierten Transport.
483 Fehlerhaft "Ubertragungen werden wiederholt.
484 Das Protokoll bietet der n"achst h"oheren Schicht einen virtuellen Kanal zwischen zwei Endpunkten, den sogenannten {\em Socket}.
485
486 Im Gegensatz dazu ist {\em UDP} ein einfaches, minimales, verbindungsloses Netzprotokoll, das keine Sicherung bereitstellt.
487 Dies hat Vorteile bei der Sprach"ubertragung und dem Audiostreaming, wo es nicht auf einzelne verloren gegangene Pakete ankommt und {\em TCP} einer 'fl"ussigen' "Ubertragung im Wege steht.
488
489 \subsection{{\bf H}yper{\bf t}ext {\bf T}ransfer {\bf P}rotocol ({\em HTTP})
490             und {\bf S}imple {\bf M}ail {\bf T}ransfer {\bf P}rotocol ({\em SMTP})}
491
492 Diese Protokolle entsprechen den drei Anwendungsschichten des {\em OSI}-Modells.
493 {\em HTTP} dient zur Datei"ubertragung zwischen zwei Rechnern.
494 Es ist ein zustandsloses Protokoll, d.h. die Verbindung terminiert nach einer beantworteten Anfrage.
495 Der wohl wichtigste Dienst des {\em HTTP}-Protokolls ist das {\bf\color{red} W}orld {\bf\color{red} W}ide {\bf\color{red} W}eb.
496
497 {\em SMTP} ist mindestens ebenso wichtig, wenn auch weniger bekannt.
498 Es ist ein textbasiertes Protokoll, das haupts"achlich zur Einspeisung und Weiterleitung von E-Mails genutzt wird.
499
500 \section{Gefahren im Internet}
501
502 Gefahren bestehen zum einen durch die Verbreitung von Viren und W"urmern im Internet, aber auch durch die gezielte Verschleierung der eigenen Identit"at (Spoofing) und Angriffe auf die Dienste eines Servers (Dienstanbieter).
503 \begin{itemize}
504   \item {\em Spoofing}:\\
505         Unter {\em Spoofing} versteht man die Verschleierung der eigenen Identit"at.
506         Es stellt eine Methode zur Untergrabung von Authentifizierungsverfahren und Man-In-The-Middle-Angriffen dar.
507         Das Vorgaukeln einer anderen Identit"at kann dabei auf einer belibiegen Schicht stattfinden (ARP, DNS, IP, Mail, URL - Spoofing).
508   \item {\bf D}enial {\bf o}f {\bf S}ervice Attacken {\em Dos}:\\
509         Dabei "uberlastet man einen Serverdienst durch extremes in Anspruch nehmen des Dienstes.
510         Dies kann primitiv von einem einzelenn Rechner aus, oder cleverer durch koordinierte verteilte Anfragen des Dienstes ({\em Distributed DoS}), und sogar weitestgehend nicht nachvollziehbar durch {\em Distributed Reflected DoS}  geschehen (siehe Vortrag).
511   \item {\bf B}uffer {\bf O}ver{\bf f}low Attacken ({\em BOF}):\\
512         Dabei wird ein m"oglicher Speicher"uberlauf in unsauber programmierten Programmen ausgenutzt, um einen eigenen Code durch den Dienstprozess ausf"uhren zu lassen.
513         Beim Speicher"uberlauf "uberschreibt man die R"ucksprungadresse eines Unterprogramms mit ausf"uhrbarem Code.
514         Die Gefahr vor {\em BOF}-Attacken sinkt, wenn man folgendes beachtet:
515         \begin{itemize}
516           \item regelm"a"sige Updates der Serverdienste
517           \item M\$ Server vermeiden (viele bekannte Exploits)
518           \item Keine PC-Hardware f"ur Firewallrechner verwenden, da viele {\em BOF}-Implementationen f"ur die x86 Architektur geschrieben sind.
519         \end{itemize}
520 \end{itemize}
521
522 \section{Zusammenfassung}
523
524 Nun steht dem Weg nach Ebay nichts mehr im Wege.
525 Im ersten Teil der Arbeit wurde gekl"art, wie Rechner miteinander "uber die Telefonleitung mit einem Modem digitale Daten austauschen k"onnen.
526 Damit ist die Grundlage f"ur die Einwahl ins Internet mit einem Heimcomputer gegeben.
527 Dies wird durch das Ethernetprotokoll realisiert.
528 Im zweiten Teil wurde das Internet und seine Dienste genauer unter die Lupe genommen.
529 Mittels des {\em DNS}-Dienstes, angeboten von dns1.rz.uni-augsburg.de, dessen {\em IP}-Adresse fest in unserem Rechner eingetragen ist, kann aus dem leicht merkbaren Hostnamen 'ebay.de' die {\em IP}-Adresse ermittelt werden.
530 Das {\em TCP}-Protokoll garantiert eine sichere "Ubertragung des {\em HTTP}-Pakets, das Daten der Startseite des Auktionshauses enth"alt, w"ahrend {\em IP} zust"andig f"ur die Wegewahl von der {\em IP}-Adresse 137.250.123.1 zur Adresse 66.135.192.71 ist.
531 Na dann viel Spa"s beim bieten \ldots
532
533 %\backmatter{}
534 \begin{thebibliography}{99}
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536   \bibitem{wiki_www_de} Wikipedia, World Wide Web. http://de.wikipedia.org/wiki/World\_Wide\_Web
537   \bibitem{wiki_modem_de} Wikipedia, Modem. http://de.wikipedia.org/wiki/Modem
538   \bibitem{wiki_sage_en} Wikipedia, SAGE. http://en.wikipedia.org/wiki/Semi\_Automatic\_Ground\_Environment
539   \bibitem{wiki_akustikkoppler_en} Wikipedia, Acoustic coupler. http://en.wikipedia.org/wiki/Acoustic\_coupler
540   \bibitem{wiki_echo_en} Wikipedia, Echo cancellation. http://en.wikipedia.org/wiki/Echo\_cancellation
541   \bibitem{wiki_internet_en} Wikipedia, Internet. http://en.wikipedia.org/wiki/Internet
542   \bibitem{wiki_arpanet_en} Wikipedia, ARPANET. http://en.wikipedia.org/wiki/ARPANET
543   \bibitem{wiki_osi_de} Wikipedia, OSI-Modell. http://de.wikipedia.org/wiki/OSI-Modell
544 \end{thebibliography}
545
546 \end{document}