Rechnernetz

Ein Rechnernetz ist ein Zusammenschluss von verschiedenen technischen, primär selbstständigen elektronischen Systemen (insbesondere Computern, aber auch Sensoren, Aktoren, Funktechnologischen Komponenten usw.), der die Kommunikation der einzelnen Systeme untereinander ermöglicht.

Die Kommunikation erfolgt über verschiedene Protokolle, die mittels des ISO/OSI-Modells strukturiert werden können. Obwohl in der Praxis kein Rechnernetz das ISO/OSI-Modell vollständig abbildet, ist es von entscheidender Bedeutung für das Verständnis von Rechnernetzen, da hierbei aus kleinen grundlegenden Strukturen durch Verknüpfung, größere und komplexere Strukturen gebildet werden. Dabei greifen höhere (komplexere) Protokollschichten auf die Funktionalitäten von einfacheren darunterliegenden Protokollschichten zu.

Ein wichtiges Prinzip dabei ist, dass man den meisten Protokollschichten jeweils (Nutz-)Daten (Payload) zum Transport übergeben kann. Die Protokollschicht fügt zu diesen Nutzdaten (deren Inhalt sie weitgehend ignoriert) vorne und teilweise hinten weitere Daten an, die für die Abwicklung des Transportes durch die Protokollschicht wichtig sind. Jedoch gibt es auch hiervon Ausnahmen, da einige Protokolle nicht dazu gedacht sind fremde Nutzdaten zu transportieren, sondern ausschließlich als eigenständige Informationssysteme für bestimmte Aufgaben fungieren.

Die allgemein bekannteste Netzstruktur ist das Internet und die bekanntesten Protokolle sind das TCP- und das IP-Protokoll, jedoch spielen auch im Internet eine Reihe weiterer Protokolle wichtige Rollen und das Internet selbst ist kein homogenes Netz sondern ist aus einer Vielzahl teils recht unterschiedlich konzipierter Teilnetze aufgebaut, die nur die oberen Protokollschichten gemeinsam haben und die Nutzdatenübertragung auf den unteren Protokollschichten teilweise sehr unterschiedlich handhaben.

Rechnernetze können unter anderem anhand der folgenden Kriterien klassifiziert werden.

Organisatorische Abdeckung
Übertragungsweg / Übertragungstechnologie

Topologien

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Dies ist eine relativ leicht zu verstehende Eigenschaft die für das Grundverständnis wichtig ist. Unter der Topologie versteht man die Art wie die verschiedenen beteiligten Komponenten (also zumeist Rechner) im Netz durch physische oder logische Leitungswege verbunden sind. Theoretisch könnte man jeden Rechner mit jedem anderen beteiligten Rechner direkt verbinden, dies ist aber nicht praktikabel. Deshalb bildet man Netze in denen es Verbindungen und Knoten gibt über die man ggf. über mehrere Zwischenpunkte von jedem Bereich des Netzes zu jedem anderen Bereich des Netzes kommen kann.

Es gibt eine Reihe von Grundstereotypen, die so in dieser klaren Form jedoch selten in der Praxis auftreten. Bei der Stern-Topologie gibt es einen zentralen Verteilpunkt, der ggf. alles kontrollieren kann, aber ohne den nichts funktioniert. Bei der Baum-Topologie benutzt man einen ähnlichen Ansatz den man jedoch hierarchisch staffelt. In der Ring-Topologie hat jeder Rechner eine Position in einem Ring und ist nur mit seinen Nachbarn verbunden. Das vermaschte Netz ist eine praktische Form in der jeder Rechner mit mehreren Nachbarn verbunden ist und redundante Wege existieren, sodass selbst beim Ausfall einer Leitung das Netz noch über eine andere Leitung verbunden bleibt. In einem Bus greifen alle beteiligten Rechner auf ein gemeinsam und von allen genutztes Medium zu, wodurch es zu Kollisionen darauf kommen kann. Die Zell-Topologie spielt bei Funknetzen mit ihren speziellen Zugriffseigenschaften eine besondere Rolle.

In der Praxis treten fast immer Mischformen dieser Stereotype auf und es gibt noch eine Reihe von Bezeichnungen für bestimmte Spezialformen.

Nähere Details hierzu siehe unter dem Stichwort Topologie Netze.

Organisatorische Abdeckung

Dieses Kriterium wird oft benutzt da es weniger kompliziert erscheint als andere Eigenschaften von Netzen. In der Praxis hat diese Unterscheidung aber nur begrenzte Bedeutung.

lokale Netze
- Body Area Network (BAN)
- Personal Area Network (PAN)
  - Wireless Personal Area Network (WPAN) als Begriff
- Local Area Network (LAN)
  - Wireless LAN (WLAN) als Begriff
nicht-lokale Netze
- Metropolitan Area Network (MAN)
- Wide Area Network (WAN)
- Global Area Network (GAN)
- Virtual Private Network (VPN)
- Storage Area Network (SAN)

Übertragungsweg

Drahtgebundene Netze

Ethernet

Die verbreitetste Technik bei drahtgebundenen Netzen ist das Ethernet, das einem vor allem in lokalen Firmennetzen und Heimnetzen begegnet. Es ist leitungsgebunden und wird heute in den Ausprägungen 10Base-T, 100Base-TX und 1000Base-T benutzt. Dabei bezeichnet die Zahl jeweils die theoretische maximale Übertragungsgeschwindigkeit von 10, 100 oder 1000 Mbit pro Sekunde und T sagt aus dass es sich um ein gedrilltes Kupferkabel handelt (Twisted Pair). Je nach Geschwindigkeit ist ein Kabel der entsprechenden Qualität nötig, die CAT^* genannt wird. Für 100 Mbit ist dies z. B. CAT5, bei 1000 Mbit CAT5e, CAT5+ oder CAT6 zu verwenden.

Früher war die Ethernetvariante 10Base2 mit koaxialen Kabeln verbreitet, die aber seit dem Jahr 2000 weitgehend ausgestorben ist. Dennoch rührt von dieser Zeit der Name Ethernet, der suggeriert, dass man über einen Art "Äther" funkt. Hintergrund war, dass sich viele Rechner einen gemeinsamen Ethernet-Strang teilten und es so auch zu Störungen bei gleichzeitiger Nutzung kommen konnte (sogenannte Kollisionen). Das "Zugriffsverfahren" nennt sich dabei CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection), wobei jeder Rechner erst lauscht ob die Leitung (Carrier) frei ist und wenn ja, dann einfach sendet. Hat er Pech gibt es dennoch eine Kollision, weil noch ein Rechner dasselbe tut. Diese Kollision wird erkannt (Collision Detection) und beide probieren es zu einem zufälligen Zeitpunkt später erneut.

Zudem musste jeder Rechner, der den Ethernetstrang benutzte, wissen, wann er gemeint war. Dazu wurde die sogenannte MAC (Media Access Control) Schicht eingeführt, die den gleichzeitigen Zugriff auf dem gemeinsam genutzten Medium regelte. Dabei bekam jeder beteiligte Rechner eine eigene eindeutige MAC Adresse und es gab Verfahren wie sich alle Rechner beim Auftreten einer Kollision zu Verhalten hatten. In der Praxis hat das Ethernet/MAC Protokoll den Vorteil dass es bei geringem Datenverkehr sehr schnell und einfach funktioniert, da jeder sofort losfunken kann. Jedoch treten bei höherem Datenverkehr mehr und mehr Kollisionen im gemeinsam genutzten Netzabschnitt auf, die den Datenverkehr irgendwann ganz zusammen brechen lassen können. In der Praxis funktionierten solche Ethernet Netze deshalb nur mit geringem Datenverkehr gut. Bei hohem Datenverkehr konnten große Verzögerungen entstehen und theoretisch konnte es einem Rechner passieren, dass er zufällig überhaupt niemals kollisionsfrei etwas senden konnte.

Mit dem Aufkommen der Base-T-Varianten und Switchen wurden diese MAC-Verfahren zwar eigentlich wieder unwichtig, da nun wieder jeder Rechner einen eigenen exklusiven Netzbereich besitzt bzw. jeder Teilnehmer in einer eigenen Kollisionsdomäne agiert. In geswitcheten Netzwerken gibt es keine Kollisionsprobleme mehr, wodurch die Leitungen effizienter genutzt werden können. Jedoch kann es immer noch zu Staus und Überlastungen an den Switchen selbst kommen (Beispiel: Mehrere Sender wollen gleichzeitig mit maximaler Geschwindigkeit an einen Empfänger Übertragen). Die MAC-Schicht existiert allerdings auch in modernen Ethernet-Varianten noch immer, Gigabit-Ethernet kann optional CSMA/CD als Zugriffsverfahren verwenden.

Token Ring

Einen anderen Weg der Zugriffskontrolle ging das Token-Ring-Netz, das 2005 vor allem für Netze mit speziellen Qualitätsanforderungen benutzt wird. Der Vorteil von Token-Ring-Netzen ist, dass jeder Rechner nach spätestens einer bestimmten Zeit sicherlich etwas senden kann. Dazu wird ein sogenanntes Token (zu deutsch Pfandmünze) in Form eines kleinen Informationspaketes herumgereicht. Wer das Token hat darf eine Weile Nutzdaten senden, hört dann wieder auf und gibt das Token weiter. Die Reihenfolge in der es weitergegeben wird ist genau festgelegt und ringförmig, wodurch man das Token immer wieder bekommt. Token-Ring-Netze sind oft so aufgebaut, dass jeder Rechner jeweils mit seinen zwei Nachbarn im Ring direkt verbunden ist und diesen entweder das Token weiterreicht oder eine Information übergibt die sich entweder behalten oder weitergeben, je nachdem für wen sie bestimmt ist. Es gibt auch eine Variante die sich Token Ring over Ethernet nennt. Dabei hängen alle Rechner in einem gemeinsam genutzten Ethernet zusammen, aber geben sich dort jeweils ein Token reihum weiter (Token-Passing), wodurch Kollisionen vermieden werden und die Leitung besser genutzt wird. Das komplizierte an diesem virtuellen Ring ist, dass ersteinmal geklärt werden muss welche Rechner existieren und welche Reihenfolge die im virtuellen Ring einnehmen. Zudem muss man erkennen wenn neue Rechner hinzukommen oder bestehende im Ring verschwinden.

Wirklich wichtig sind die Eigenschaften von Token-Ring-Netzen in sicherheitskritischen Netzen, in denen es wichtig ist, präzise zu wissen wie lange es maximal dauert, bis eine Nachricht gesendet werden kann. Dies lässt sich leicht anhand der Anzahl der Rechner, also an der Länge des Rings ermitteln. Solche Netze werden zum Beispiel in der Automobiltechnik und Finanzbranche für kritische Systeme eingesetzt.

Weitere Netztypen

Weitere Netztypen sind unter anderem:

ARCNET
FDDI – Glasfaserkabel
ATM

Weiteres Zugriffsverfahren:

CSMA/CA

Drahtlose Netze

Verbreitete Techniken bei drahtlosen Netzen sind Handys

Infrastruktur-Netze

Mobilfunknetze wie GSM oder UMTS
WLANs im Infrastruktur-Modus, das heißt mit Schnittstelle zu einem drahtgebundenen Netz mittels Wireless Access Points. Am weitesten verbreitet sind WLANs vom Typ IEEE 802.11

Spontane Adhoc-Netze (siehe MANET)

WLANs vom Typ IEEE 802.11 im Ad-hoc-Modus. In diesem Modus kommunizieren die Geräte des Netzes ohne zusätzliche Infrastruktur.
die mit sehr geringer Reichweite Geräte in unmittelbarer Umgebung verbinden, sog. Wireless Personal Area Networks (WPAN)
der Standard Bluetooth (siehe auch Toothing)
Netzstrukturen für Sensornetze, aktuelles Forschungsgebiet

Sprachliche Betrachtung von Netz und Netzwerk

Das englische net wird traditionell in der Fischerei verwendet. Außerhalb dieses Bereichs spricht man hingegen von network. Im Deutschen steht Netzwerk traditionell nur für das Maschenwerk eines Fischernetzes. Außerhalb der Fischerei wird nur Netz (Stromnetz, nicht -werk; Telefonnetz) verwendet. Dieser Argumentation folgend ist Computernetzwerk eine falsche Übersetzung aus dem Englischen und Rechnernetz bzw. Computernetz der korrekte Begriff (siehe auch * Bastian Sick: ZWIEBELFISCH-ABC:Netz/Netzwerk. In: Spiegel-Online).

Literatur

Douglas Comer: Computernetzwerke und Internets. 3. Auflage, Pearson Studium, München 2002, ISBN 3-8273-7023-X
Andrew S. Tanenbaum: Computernetzwerke. 4. Auflage, Pearson Studium, München 2003, ISBN 3-8273-7046-9
Jürgen Scherff: Grundkurs Computernetze. Vieweg, Wiesbaden 2006, ISBN 3-528-05902-8
Frank R. Walther: Networkers Guide. Markt und Technik, München 2003, ISBN 3-8272-6502-9
Martin Ziegler: Internetbasierende Datennetzwerke. Schlembach, Weil der Stadt 2002, ISBN 3-935340-20-6

Siehe auch

OSI-Modell
Internetworking
Netzwerksicherheit
VPN (Virtuelles Privates Netzwerk)
Feldbus (Netzwerke für die Automatisierungstechnik)
LAN-Analyse
Peer-to-Peer
Client, Server
Corporate Network
Fiber To The Desk

Weblinks

Computernetzwerk

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