Kommunikationsstrukturen - Cheatsheet

Physikalische Netzwerktopologien: Bus-, Ring-, Stern- und Mesh-Netzwerke

Definition:

Physikalische Netzwerktopologien beschreiben die physische Anordnung von Netzwerkgeräten und die Art der Verbindungen zwischen ihnen.

Details:

• Bus-Topologie: Alle Geräte sind über eine gemeinsame Leitung (Bus) verbunden. Daten werden an alle Geräte gesendet, und jedes Gerät überprüft, ob die Daten für es bestimmt sind.
• Ring-Topologie: Jedes Gerät ist mit genau zwei anderen Geräten verbunden, bildet somit einen Ring. Daten wandern in eine Richtung und passieren jedes Gerät bis zum Ziel.
• Stern-Topologie: Jedes Gerät ist mit einem zentralen Hub oder Switch verbunden. Daten werden über den Hub/Switch an das Zielgerät weitergeleitet.
• Mesh-Topologie: Jedes Gerät ist mit mehreren anderen Geräten direkt verbunden, ermöglicht mehrere Kommunikationswege und sorgt für hohe Ausfallsicherheit.

ISO/OSI-Referenzmodell: Schichten und ihre Funktionen

Definition:

Referenzmodell für Netzwerkkommunikation, das aus sieben Schichten besteht; jede hat spezifische Funktionen.

Details:

• Anwendungsschicht (7): Schnittstelle zu Anwendungsprogrammen.
• Darstellungsschicht (6): Datenformatierung und -verschlüsselung.
• Sitzungsschicht (5): Steuerung der Kommunikationssitzungen.
• Transportschicht (4): Ende-zu-Ende-Verbindung und Fehlerkontrolle.
• Vermittlungsschicht (3): Routing der Datenpakete.
• Sicherungsschicht (2): Fehlererkennung und -korrektur, Flusskontrolle.
• Bitübertragungsschicht (1): Physikalische Übertragung der Bitströme.

Huffman-Codierung: Prinzipien und Anwendungen

Definition:

Verlustfreies Komprimierungsverfahren basierend auf der Häufigkeit von Symbolen.

Details:

• Erstelle Häufigkeitstabelle für jedes Symbol.
• Konstruiere binären Baum nach Huffman-Prinzip (kleinste Häufigkeiten zu Knoten zusammenführen).
• Weise den Pfaden von der Wurzel zu den Blättern Binärcodes zu (links 0, rechts 1).
• Kürzere Codes für häufigere Symbole, längere für seltenere.
• Anwendungen: Dateikomprimierung (ZIP, GZIP), Multimedia-Codierung (JPEG), Netzwerkprotokolle.
• Dekomprimierung: Durchlaufe den Baum anhand des Binärcodes.

Paritätsbits und Paritätsprüfung: Prinzipien und Anwendungen

Definition:

Paritätsbits zur Fehlererkennung in Datenübertragung, Prüfsumme zur Bewertung der Datenintegrität.

Details:

• Ein Bit zur Darstellung der Parität (0 oder 1) hinzugefügt
• Gerade Parität: Summe der Bits gerade (inkl. Paritätsbit)
• Ungerade Parität: Summe der Bits ungerade
• Anwendungen: Serielle Datenübertragung, Speicherfehlerkorrektur
• Limitation: Erkennt nur einzelne Bitfehler, keine Fehlerkorrektur

Fehlerkorrigierende Codes: Hamming-Codes, Reed-Solomon-Codes

Definition:

Fehlerkorrigierende Codes stellen sicher, dass Nachrichten auch bei Übertragungsfehlern korrekt dekodiert werden können.

Details:

• Hamming-Codes: Binäre Blockcodes, die eine Fehlererkennung und -korrektur von Einzelbitfehlern ermöglichen.
• Reed-Solomon-Codes: Nicht-binäre Blockcodes, die für die Korrektur von Burstfehlern verwendet werden.
• Hamming-Abstand: Maß für die minimale Anzahl an Bitänderungen, die ein Codewort in ein anderes gültiges Codewort umwandeln.
• Reed-Solomon-Codes sind zyklische Codes, die Polynome zur Fehlerkorrektur verwenden.
• Beide Codes finden Anwendung in Bereichen wie Datenspeicherung, Übertragungssystemen und Telekommunikation.

Sicherheitsmechanismen in Protokollarchitekturen

Definition:

Sicherheitsmechanismen in Protokollarchitekturen sorgen für Datenschutz, Integrität und Authentifizierung in Kommunikationsprotokollen.

Details:

• Verschlüsselung: Schutz der Daten durch Algorithmen wie AES, RSA.
• Integrität: Sicherstellung der Datenunversehrtheit mittels Hash-Funktionen wie SHA-256.
• Authentifizierung: Überprüfung der Identität mithilfe von Methoden wie Zertifikaten (X.509) oder Token.
• Zugriffskontrolle: Autorisierung der Nutzer durch ACLs oder RBAC.
• Sichere Protokolle: Verwendung von TLS, IPSec für geschützte Kommunikation.

Lempel-Ziv-Kompressionsalgorithmen (LZW, LZ77, LZ78)

Definition:

Lempel-Ziv-Kompressionsalgorithmen sind verlustfreie Kompressionsverfahren. Sie nutzen wiederkehrende Muster zur effizienteren Datenkompression.

Details:

• LZ77: Schiebefenster-Algorithmus, sucht nach wiederholten Folgen in einem festen Fenster der Eingabedaten.
• Formeln/Prinzipien: \[ \text{P(i,j)} = (d,l,c) \] wobei d der Abstand, l die Länge und c das Zeichen ist; \[ (d,l) \rightarrow w \] wobei \( w \) das nächste Zeichen nach der Folge ist.
• LZ78: Verwaltet ein Wörterbuch (Dictionary) der bereits gesehenen Muster und speichert neue Muster als Kombinationen des Wörterbuchs.
• Formeln/Prinzipien: \[ \text{P(i)} = (index,letter) \] wobei index der Wörterbuchindex und letter das nächste Zeichen ist.
• LZW: Weiterentwicklung von LZ78, initialisiert das Wörterbuch mit allen möglichen Symbolen des Eingangsalphabets und fügt neue Zeichenfolgen dynamisch hinzu.
• Formeln/Prinzipien: Kombination von LZ78-Prinzipien, Wörterbuch initialisiert mit Einzelsymbolen und erweitert mit neuen Kombinationen während der Codierung.

Zyklische Redundanzprüfung (CRC)

Definition:

Fehlererkennungsverfahren, das auf polynomiale Division basiert.

Details:

• Polynom: \text{Datenpolynom} = \text{Datenbits} \times x^{n} \text{ (zwischen 8 und 64 Bits)}.
• CRC-Polynom: festes Polynom zur Division.
• Cyclic Redundancy Check (CRC) berechnet Restwert (CRC-Prüfziffer).
• Empfänger teilt erhaltenes Datenpolynom durch dasselbe CRC-Polynom. \text{Rest} = 0 signalisiert keine Fehler.
• Beliebte CRC-Polynome: CRC-8, CRC-16, CRC-32.