Informations- und Kommunikationstechnik

IT-Netzwerke

Das biologische Leben als Ganzes betrachtet stellt ganz sicher die höchste Form der Vernetzung dar. Darum wird es hier nicht gehen. Wir nutzen im täglichen Leben viele unterschiedliche technische Netze. In einer kleinen Auswahl elektrischer und elektronischer Netze sind Stromversorgungsnetze, leitungsvermittelte Telefonnetze, Radio-Fernseh-Funknetze, einschließlich Kabelbreitbandnetze und seit wenigen Jahrzehnten die Computernetze und Funktelefonnetze zu nennen. Weitere unter diesem Titel behandelte Themen sind:

In einem Netz oder Netzwerk sind viele Teilnehmer miteinander und/oder untereinander verbunden. Durch die Vernetzung besteht die Mölichkeit Informationen auszutauschen oder auf gemeinsame Einrichtungen, den Ressourcen zuzugreifen, die sich der Einzelne meistens nicht leisten kann. Dazu einige Beispiele:

Schon diese wenigen Beispiele lassen eine Vielzahl von Vernetzungstypen einschließlich unterschiedlicher Nutzungsregeln, den Protokollen erkennen. Die folgenden Ausführungen befassen sich in erster Linie mit Computernetzen. Wenn von Netzwerken die Rede ist, denkt man derzeit an sie zu erst.

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Peer-to-Peer System

Die einfachste Zelle im Netzwerk ist die direkte Verbindung zwischen zwei Nutzern oder Knotenpunkten. Beide Knoten sind eigenständig und im Besitz aller notwendigen Hard- und Software (englisch peer, der Gleichrangige). Diese Anordnung ist eine in sich geschlossene Punkt zu Punkt Verbindung. Werden weitere Rechnerknoten zugeschaltet, so entsteht ein für die Knoten gleichberechtigtes Netzwerk. Jeder Knoten kann Dienste beanspruchen und zur Verfügung stellen. Das Peer-to-Peer-, P2P-Netz ist uneingeschränkt funktionstüchtig, wenn alle Knoten direkt und untereinander verbunden sind. Beim Abschalten oder dem Ausfall einzelner Netzknoten ist die volle Funktionalität eingeschränkt.

Peer-toPeer System

In Peer-to-Peer Netzen können Strukturen gebildet werden, wobei einzelne Knotenpunkte zusammengefasst bestimmte Aufgaben übernehmen. Es entstehen Overlay-Netze, die unabhängig vom restlichen P2P-Netz arbeiten. Sie können den angeschlossenen Knoten besondere Suchfunktionen und deren Auswertungen zur Verfügung stellen. Gnutella und Freenet nutzen ebenso wie das Bit-Torrent-Verfahren strukturierte Overlay-Netze, wobei letztlich eine direkte Verbindung zwischen zwei Peers zum Datenaustausch aufgebaut wird.

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Client-Server System

In diesem Rechnerverbund sind viele verschiedene Client-Rechner mit einem Server-Rechner verbunden. Das System dient der Aufgabenverteilung und ist in vielen Anwendungsbereichen zu finden. Es beruht auf mindestens zwei getrennten Softwareprogrammen mit unterschiedlicher Aufgabenverteilung.

Der Server, englisch für Anbieter, Dienstleister, ist ein auf dem zentralen Server-Rechner installiertes, laufendes Computerprogramm und stellt einen bestimmten Dienst zur Verfügung. Der Server verhält sich passiv und wartet auf die Anfrage des Clients, englisch für Kunde. Ein auf dem Nutzer- oder Client-PC installiertes eigenständiges Clientprogramm fordert aktiv beim Server den Dienst zur Lösung bestimmter Aufgaben an. Das Serverprogramm reagiert auf das Clientprogramm und stellt den Dienst zur Verfügung. Die Ausführung des Dienstes oder ein angeforderter Datenaustausch läuft über ein für diesen Dienst erstelltes Protokoll ab. Es folgen einige Beispiele bekannter Client-Server Systeme und deren Protokolle.

Client-Server System

Mit einfachen Terminalrechnern als Client-PCs, die mit einem Server zentral verbunden sind, lassen sich digitalisierte Bestandskataloge großer Bibliotheken abfragen. Geldautomaten und Kontodrucker arbeiten nach dem Client-Server System.

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Netzwerktypen

Mit den Typen sind natürlich nicht die Individuen gemeint, die ein Netzwerk betreiben oder sich darin herumtreiben. Eine übergeordnete Typisierung wird nach der räumlichen Ausdehnung vorgenommen, in der das Netz betrieben wird. Netzwerkklassen ist eine in diesem Zusammenhang entsprechend verwendete Bezeichnung. Die folgende Aufzählung beschreibt eher stichpunkthaft die bekannteren Typen in freier Reihenfolge.

Die Kenntnis dieser verschiedenen Netzwerke ist insbesondere für Systemadministratoren wichtig, aber auch für Wirtschaftsinformatiker kann sich die Lektüre lohnen, denn mit einem Fernstudium Master Wirtschaftsinformatik zählt auch Netzwerkarchitektur zu den Aufgaben im späteren Berufsalltag.

Local Area Network – LAN
Es handelt sich um ein örtlich begrenztes Rechnernetz innerhalb eines Firmensitzes, einer Firmenabteilung, eines Großraumbüros, eines Arbeitsbereichs mit einigen wenigen vernetzten Hardwarekomponenten. Der Zusammenschluss erfolgt meistens mit Twistet-Pair-Kabeln oder bei gesplitteten LANs durch Glasfaserkabel. Twisted-Pair-Kabel ermöglichen eine einfache Netzausdehnung bis 100 Meter. Die erreichbaren Datenübertragungsraten liegen zwischen 10 ... 1000 Mbit/s. Ein maximaler Datenstrom mit 100 MByte/s ist realistisch
Wireless Local Area Network – WLAN
Ein drahtloses, auf Funkverbindung aufgebautes LAN. Im Verbraucherbereich sind es die in der Reichweite begrenzten Varianten der IEEE-802.11-Gruppe. In einigen Ländern ist Wi-Fi gleichbedeutend mit WLAN. Die Rechner innerhalb der Funkreichweite sind mobil nutzbar. Die Datenübertragungsraten sind niedriger und sehr vom Standort abhängig. Ein Funknetz muss unbedingt mit besonderen Verschlüsselungstechniken gegen unbefugte Nutzung gesichert sein.
Metropolitan Area Network – MAN
Ein normalerweise durch Glasfaserkabeln verbundenes Hochgeschwindigkeitsnetz. Es schließt in Ringstruktur wichtige Firmenzentren großer Städte und Wirtschaftszentren einer Region zusammen. Die einfache Ausdehnung eines MAN kann 100 km erreichen. Netzbetreiber sind bedeutende Telekommunikationsfirmen und Anbieter für das Breitbandkabelfernsehen.
Wide Area Network – WAN
Dieses spezielle Rechnernetz ist ein Weitverkehrsnetz, das sich über Länder und Kontinente erstrecken kann. Die Anzahl der im WAN verbundenen Rechner ist nicht festgelegt. Ein WAN verbindet mehrere LANs miteinander, kann aber auch Einzelrechner im Netz haben. Die Rechner arbeiten nur auf der Bitübertragungs- und Sicherungsschicht und nutzen ein einheitliches Adressierungssystem.
Zu den Netzbetreibern zählen Telekommunikations-(TK)-Gesellschaften und Internetanbieter. In den herkömmlichen TK-Netzen mit Kupferleitungen betragen die Datenü;bertragungsraten 64 kBit/s pro Kanal. Im ISDN-System mit 32 Kanälen je Leitung lassen sich 30 Datenkanäle bündeln, wodurch sich die Übertragungsrate auf rund 2 Mbit/s erhöht. Andere an Leitungen gebundene Verfahren und vor allem die Verbindung mit Glasfaserkabeln erlauben im WAN Übertragungsraten bis 10Gbit/s
Global Area Network – GAN
Es verbindet global einige Wide Area Netze. Durch ein GAN sind weltweit verteilte Firmenstandorte einer internationalen Firma verbunden. Die Fernverbindungen nutzen Glasfasertechniken und Satellitenfunk. GANs können nach außen abgeschottete wissenschaftliche Forschungsnetze sein. Das Internet kann als offenes GAN bezeichnet werden. Die Übertragungsrate im Kupferleiter ist mit der des WAN identisch.
City Area Network – CAN
Ein weniger bekanntes TK-Netz mit einem einfachen Radius bis 5 km. Es umfasst auch öffentliche Wegnetze und verbindet LANs städtischer Filialbetriebe. Universitäts- und Institutsnetze im Bereich Wissenschaft und Forschung können ebenfalls CANs sein, werden dann eher Campus Area Network genannt.
Personal Area Network – PAN
Neben dem heimischen LAN das kleinste Netz. Der Verbindungsaufbau und die Netznutzung bestehen nur kurzfristig. Die hauptsächlichen Netzkomponenten sind Mobiltelefone, PDAs, MP3-Player, die zum Teil über Funk, drahtlos per Bluetooth und IrDA (Infrared Data Association) sowie per USB- oder Firewire-Leitungen im Netz verbunden sind.
Powerline Communication – PLC / Träger Frequenz Anlage – TFA
Die Firma Siemens und mehrere Andere haben für die Niederspannungs-Energienetze, 230 V Haushaltsnetze, ein Datenübertragungssystem entwickelt, mit dem sich Übertragungsraten um 1 Mbit/s verwirklichen lassen. Der Vorteil ist die Mehrfachnutzung eines flächendeckend bestehenden Leitungsnetzes. Von Nachteil ist neben der niedrigen Übertragungsrate die Zunahme der EMS-Werte, der elektromagnetischen Strahlung. Für höherfrequente Strahlungen sind die gesundheitlichen Gefahren nicht erforscht. Die weiträumige kommerzielle Nutzung scheitert bislang an diversen Einsprüchen und fehlender Kompatibilität zwischen den Energieversorgungsanbietern.
PowerLAN - dLAN
Es nutzt wie PLC das bestehende Niederspannungs-Energienetz. Es ist auch unter Homeplug, einem eingetragenen Warenzeichen bekannt. Der hauptsächlich verwendete Frequenzbereich liegt zwischen 2 ... 30 MHz. Die erreichbaren Übertragungsraten sind je nach System mit 10 ... 200 Mbit/s wesentlich höher als bei PLC. Da das Leitungsnetz als Antenne wirkt, sollte der Datenverkehr verschlüsselt werden. Die dLAN-Adapter können nachweislich den KW-Amateurfunk, diverse Sicherheitsfunkanlagen, Flug-, See- und Wetterfunkdienste stören. Steckdosen an unterschiedlichen Phasen im Stern-Energienetz ohne vorhandene Phasenkoppler eignen sich nicht zum Netzaufbau per dLAN.
Storage Area Network – SAN
Es handelt sich um ein Speichernetzwerk, das parallel zu einem bestehenden Primärnetz, wie zum Beispiel ein LAN betrieben wird. Alle Datenspeicher sind über ein mit Glasfaserkabeln installiertes Bussystem verbunden. Die möglicherweise weit verteilten Datenspeicher werden durch Protokolle zu einer Gesamteinheit zusammengefasst und verwaltet. Der Datenaustausch innerhalb eines SAN ist vom primären Netz vollkommen unabhängig und mehrfach, redundant ausgelegt, womit Netzausfälle und Datenstaus vermieden werden.
Alle Server des Primärnetzes haben Zugang zu allen gespeicherten Daten im SAN und dem dort vorhandenen freien Speicherplatz. Die Trennung der beiden Netze mit unterschiedlichen Datenprotokollen gewährleistet eine hohe Datensicherheit und Übertragungsraten von 10Gbit/s.
Ethernet – Fast Ethernet
Beides sind keine eigenständigen Netzwerktypen, werden aber teilweise dazugezählt. Das Ethernet entspricht einem festgelegten Standard für Datennetze. Der Datenverkehr wird durch besondere Protokolle kontrolliert. Die Daten werden im Basisband und somit unmoduliert übertragen. Die neueren Hochgeschwindigkeitsnetze setzen Modulationsverfahren ein. Die leitungsgebundene Vernetzung beruhte auf Koaxialkabel und wird heute überwiegend durch Twisted-Pair Leitungen vorgenommen. Die Bitrate erreicht dabei 10 Mbit/s. Die Weiterentwicklung dieses Konzept ist das Fast Ethernet. Die Datenübertragung erfolgt durch Twisted-Pair Leitungen, zunehmend aber durch Glasfaserleitungen mit Bitraten von 100 Mbit/s und höher.
Internet
Auch das allbekannte Internet ist kein eigenständiger Netzwerktyp. Es ist ein weltweites Netz und verbindet viele Netztypen untereinander auf der Basis der TCP/IP Protokolle. Die Ursprünge liegen 1972 im Hawaii-Inselfunk ALOHA, das 1976 in Ethernet, englisch für Äther.., Funknetz umbenannt wurde und auch bei Leitungsvermittlung diese Bezeichnung beibehielt.
Das Internet in der heutigen Form existiert seit 1992. Es geht aus dem ARPANET, einem Universitäten- und Forschungsnetz der USA hervor. Mit der Entstehung anderer Netze und dem Bedarf diese in Krisenfällen als Umleitwege zu nutzen, wurden im Internetting Projekt der DARPA, das D steht für Defense, die Grundlagen der TCP/IP Protokolle entwickelt
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Netzwerktopologie

Topologie ist die Lehre von der Lage und Anordnung geometrischer Gebilde im Raum (entspricht dem Duden Fremdwörterbuch). Die Netzwerktopologie beschreibt, wie die Netzkomponenten oder Knoten physikalisch zur Netzstruktur verbunden sind. Zu den Netzknoten zählen aktive und passive Komponenten. Bei den Rechnern sind es genau genommen nur die Netzwerkkarten. Knoten sind auch Peripheriegeräte wie Drucker, Scanner und Netzwerkkomponenten wie Repeater, Hub, Router, Switch, die zum Zusammenschluss und Erweiterung der Netze benötigt werden. Die physikalischen Verbindungen können sowohl leitungsgebunden als auch drahtlos erfolgen. Die drei grundsätzlichen Topologien sind Ring-, Stern- und Busstruktur. Sie lassen sich zu komplexeren Topologien wie Baum- und Maschenstrukturen kombinieren.

Busstruktur

An eine zentrale Leitung, dem Bus, sind alle Knoten angeschlossen. Den Bus bildet ein Koaxialkabel RG-58 mit 50 Ω Impedanz, der zur Vermeidung von Signalreflexionen an seinen offenen Enden mit 50 Ω Widerständen abgeschlossen sein muss. Die Komponenten werden über koaxiale BNC-T-Adapter angeschlossen. Zwischen den Knoten gibt es keine aktiven Komponenten zur Signalaufbereitung und auch die Knoten verhalten sich in dieser Hinsicht passiv.

Das bekannteste Beispiel für diese Busstruktur ist das Ethernet in der einfachsten Form 10Base-2 mit einer Datenrate von 10 Mbit/s. Es wird auch Thin-Wire-Ethernet, Thinnet oder Cheapernet genannt. Ein Kabelsegment ist auf 185 m begrenzt. Maximal können 30 Knoten angeschlossen sein. Die Leitungslänge zwischen zwei Knoten muss mindestens 0,5 m betragen.

BUS-Topologie

Auf dem Bus können bei direkter Datenvermittlung im Basisbandverfahren immer nur die Signale eines Knoten ungestrört versendet werden. Sendet ein zweiter Knoten Signale auf den belegten Bus, kommt es zur Überlagerung, die als Kollision bezeichnet wird. Die Daten sind nicht mehr verwertbar.

Besondere Vorteile einer Bus-Topologie
Einfache, preisgünstige Verkabelung.
Problemloses Hinzufügen und Entfernen von Netzknoten.
Im Segment werden keine aktiven Netzkomponenten benötigt.
Der Ausfall eines Knotens hat keine Auswirkungen auf die Netzfunktionalität.
Wichtige Nachteile einer Bus-Topologie
Ein einziger Defekt der Busleitung oder ein fehlender Abschluss blockiert das ganze Bussegment.
Die Segmentlänge und die Zahl der Knoten sind wegen fehlender Datenregenerierung begrenzt.
Solange ein Knoten sendet, müssen alle anderen Knoten warten.
Für einen optimalen Datenverkehr sind Kollisionserkennungs- und Verhinderungsprotokolle notwendig.

Sternstruktur

Alle Netzknoten sind direkt an einen zentralen Knoten angeschlossen. Der Zentralknoten kann eine aktive oder passive Netzkomponente sein. Terminalrechner und das weiter oben dargestellte Client-Server System sind in Sterntopologie mit dem Zentralrechner als aktiven Knoten verbunden. Das Peer-to-Peer Netz mit zentralem passiven Hub oder aktiven Multiport Repeater ist physikalisch in Sternstruktur verbunden. Der Datenverkehr durchläuft immer den Zentralknoten.

Die Verkabelung erfolgt meistens über Twisted-Pair-Kabel mit RJ45-Steckverbindungen. Die Anzahl der Knoten wird von den bereitgestellten Verbindungsmöglichkeiten des Zentralknotens bestimmt. Die normale Datenrate erreicht 10 Mbit/s. Der Datenverkehr über den Zentralknoten entspricht einer Punkt-zu-Punkt Verbindung.

Hauptsächliche Vorteile einer Sternstruktur
Einfacher, leicht verständlicher und servicefreundlicher Aufbau.
Knoten können im laufenden Betrieb hinzugefügt oder entfernt werden.
Der Ausfall eines Knotens hat keine Auswirkungen auf das Netz.
Zentrale Verwaltung aller Knoten und Verbindungen.
Große Übertragungsraten, wenn der Zentralknoten eine aktive Netzkomponente ist.
Besondere Nachteile einer Sternstruktur
Der Ausfall des Zentralknotens blockiert die gesamte Sternstruktur.
Hoher Qualitätsanspruch an den Zentralknoten oder seine Verdoppelung erhöht die Kosten.
Mit passivem Hub sinkt die Übertragungsrate je mehr Knoten am Datenverkehr teilnehmen wollen.

Ringstruktur

Alle Komponenten im Ring sind gleichberechtigt und über ihre Netzwerkkarte, dem eigentlichen Knoten, direkt nur mit dem Vorgänger und Nachfolger verbunden. Der Datenverkehr durchläuft den gesamten Ring in einer festgelegten Richtung. Da die Netzwerkkarten Repeaterfunktionen haben und die Datensignale regenerieren, lassen sich sehr viele Knoten zu großen Ringstrukturen zusammenschließen. Der Ausfall einer Komponente blockiert den gesamten Ring. Mit einer Doppelringstruktur erhält das Netz eine Redundanz, die diesen Fehlerfall abgefangen und verhindern kann. Mit Lichtwellenleitern lassen sich Datenraten bis 100 Mbit/s und Entfernungen bis 200 km erreichen. Der Datenverkehr benötigt mit dem Token passing ein spezielles Transportprotokoll mit Adressierung. Die bekannteste Ringstruktur ist der Token-Ring.

Vorteile einer Ringstruktur
Einfacher Aufbau und Erweiterbarkeit bei unterbrochenem Netzbetrieb.
Alle Netzknoten sind gleichberechtigt und regenerieren die Signale.
Es können viele Teilnehmer in einem großen Ring verbunden sein.
Es gibt keine Datenkollision und eine garantierte Bandbreite.
Wichtige Nachteile einer Ringstruktur
Der Ausfall einer Netzkomponente blockiert bei der Ein-Ringtopologie den gesamten Ring.
Teure Komponenten mit aktiven Knoten für eine Ausfall-Protection und spezielle Transportprotokolle.
Bei großen Ringen und entfernten Zielen nimmt die Übertragungsdauer zu.
Ringtopologie

Das linke Bild zeigt die einfache Ringtopologie, wobei die aktive Netzkomponente die in der Arbeitsstation eingebaute Netzwerkkarte ist. Das rechte Bild ist ein verbessertes, gegen Stationsausfälle gesichertes Ringnetz. Die Arbeitsstationen, die Hosts sind mit Twisted-Pair-Kabeln sternförmig an die eigentlichen Ringkomponenten angeschlossen. Mehrere dieser aktiven Ringleitungsverteiler (RLV) oder Multistation Access Units (MAU bzw. MSAU) können zu einem großen Ringsystem zusammengeschlossen werden. Sie erkennen selbsttätig angeschlossene oder abgeschaltete Hosts und schleifen die Datensignale entsprechend durch. Die Ringverbindung mit LWL erlaubt Datenraten bis 100 Mbit/s. Das Verfahren ist bis 1 Gbit/s spezifiziert. Ein weiteres Kapitel liefert Informationen zu Kabeltypen und deren Eigenschaften.

Baumstruktur

Eine Netzstruktur in Baumtopologie baut sich aus kombinierten Sternstrukturen auf. In vielen Großrechneranlagen bildet der Zentralrechner als oberster Knoten die Wurzel. Er ist mit einem Sternverteiler verbunden, der mit weiteren Sternverteilern in Verbindung steht, an denen die Hostrechner angeschlossen sind. Die Baumstruktur ist hierarchisch geordnet. Der Weg zu weniger wichtigen Netzkomponenten führt über mehrere Verteiler-Uplinks zum Zentralrechner.

Vorteile der Baumstruktur
Leichte Erweiterbarkeit mit hierarchischer Ordnung
Der Ausfall eines Endknoten hat keinen Einfluss auf die Topologie
Es lassen sich sehr große Netze bilden
Nachteile der Baumstruktur
Der Ausfall einzelner Verteilerknoten unterbricht den Datentransport zwischen den Ästen
Der Wurzelverteiler kann zum Engpass werden

Maschenstruktur

Jeder Netzknoten ist durch Punkt-zu-Punkt Verbindungen mit verschiedenen anderen Knoten verbunden. Sind alle Knoten untereinander direkt verbunden, erhält man ein vollständig vermaschtes Netz. Fast alle Weitverkehrsnetze arbeiten in einer Maschentopologie. Durch intelligente Routingverfahren lassen sich Datenengpässe oder Verbindungsstörungen umgehen.

Vorteile einer Maschentopologie
Hohe Datenübertragungsraten
Beliebig erweiterbar
Der Ausfall einzelner Knoten wird durch Routingverfahren ausgeglichen
Nachteile einer Maschentopologie
Sehr viele Verbindungskabel zwischen den Knoten
Bei Vernetzung vieler Knoten ist eine vollständige Vermaschung nicht realisierbar
Die übliche Maschentopologie benötigt ein kompliziertes Routingverfahren
Sehr hoher Energiebedarf, da alle Verbindungsknoten aktive Rechnersysteme darstellen